河流老空復(fù)合水體影響區(qū)綜放工作面開(kāi)采安全保障技術(shù)研究

研發(fā)起止時(shí)間：2017年10月～2020年12月

完成單位：晉能控股煤業(yè)集團(tuán)、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)

獲獎(jiǎng)及評(píng)價(jià)：國(guó)際先進(jìn)

1 立項(xiàng)背景

針對(duì)大同礦區(qū)雙系煤層中侏羅紀(jì)已經(jīng)開(kāi)采、開(kāi)采破壞帶連接不同含水層甚至地表河流的現(xiàn)狀提出了復(fù)合水體概念，通過(guò)各煤層導(dǎo)高分析、同位素測(cè)試等方法，分析地表水、含水層水、老空水的水力聯(lián)系，研究了復(fù)合水體特征，綜合采用理論分析、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等手段揭示了雙系煤層導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律，構(gòu)建了復(fù)合水體影響區(qū)綜放工作面開(kāi)采的安全性評(píng)價(jià)方法和防治措施。

2 主要研究?jī)?nèi)容

主要研究?jī)?nèi)容如下：

（1）通過(guò)研究得出了河流老空復(fù)合水體的特征，圈定了河床影響區(qū)，分析了多層老空水與地表水的聯(lián)系

通過(guò)河流調(diào)查工作確定了馬脊梁溝的平面特征、河床坡度、河床寬度等參數(shù)。圈定了馬脊梁溝的河床影響區(qū)范圍，如圖1。據(jù)物探、鉆探和開(kāi)采資料，各層煤都存在一定范圍的老空區(qū)，對(duì)多層老空水與河流水復(fù)合性關(guān)系進(jìn)行分析。

圖1 河床影響區(qū)

（2）通過(guò)研究得出了雙系煤層開(kāi)采條件下的導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度和發(fā)育規(guī)律

根據(jù)工作面附近14個(gè)鉆孔資料，對(duì)煤層覆巖巖性組成進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。對(duì)馬脊梁礦鉆孔取得的巖芯進(jìn)行力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，3號(hào)煤層覆巖各類巖石抗壓強(qiáng)度范圍為34.8 MPa~55.2 MPa。以8117工作面開(kāi)采為研究對(duì)象，通過(guò)材料模擬導(dǎo)水裂隙隨工作面開(kāi)采的發(fā)育過(guò)程，設(shè)置3種開(kāi)采方案進(jìn)行數(shù)值模擬，得出了不同開(kāi)采情況下覆巖裂隙發(fā)育高度與工作面推進(jìn)距離的關(guān)系，如圖2。通過(guò)數(shù)值模擬、材料模擬、現(xiàn)場(chǎng)的鉆孔電視觀測(cè)、注水試驗(yàn)方法，得到了導(dǎo)水裂隙帶的高度。分別為：材料模擬為110 m~130 m;數(shù)值模擬為120~140m;鉆孔電視觀測(cè)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為145 m~150 m，注水試驗(yàn)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為140 m。綜合確定以注水?dāng)?shù)據(jù)為最終依據(jù)，計(jì)算裂采比為24.27；

圖2 覆巖裂隙高度與推進(jìn)距離關(guān)系曲線

（3）通過(guò)研究評(píng)價(jià)了復(fù)合水體影響區(qū)開(kāi)采安全性

石炭系3煤層開(kāi)采雖然對(duì)河流有一定影響，但沒(méi)有災(zāi)難性和破壞性影響；石炭系3煤開(kāi)采對(duì)侏羅系已有采空區(qū)的滲透性影響不大；以較為可靠的裂采比法計(jì)算，石炭系3煤到侏羅系14煤老空間的防水安全巖柱厚度計(jì)算值局部大于實(shí)際防水安全巖柱厚度，局部防水煤柱不符合規(guī)范要求，要進(jìn)行限采高開(kāi)采；石炭系3煤層開(kāi)采時(shí)，其直接充水水源為石炭系太原組含水層和二疊系山西組含水層，由于石炭系3煤至侏羅系14間主要發(fā)砂巖為主，同時(shí)有采動(dòng)影響，侏羅系14煤老空水緩慢滲入石炭系3煤工作面，成為涌水量的一部分。

（4）通過(guò)研究提出了復(fù)合水體影響區(qū)開(kāi)采的安全技術(shù)措施

根據(jù)以上復(fù)合水體的特點(diǎn)和其威脅程度，確定以下水害防治的總體思路（圖3）：①建立兩道防線：第一道防線的防范對(duì)象為地表水，第二道防線防范對(duì)象為侏羅系老空水；②進(jìn)行兩層次疏排工作：第一層次疏排為對(duì)侏羅系14煤老空區(qū)積水進(jìn)行疏放；第二次疏排為對(duì)工作面頂板砂巖水進(jìn)行必要的疏放；③兩方面監(jiān)測(cè)工作：一方面監(jiān)測(cè)復(fù)合水體在開(kāi)采影響下的變化情況和滲流規(guī)律；另一方面，對(duì)工作面出水點(diǎn)進(jìn)行水質(zhì)水量監(jiān)測(cè)，及時(shí)采用相應(yīng)防治措施。

圖3 防治水總體思路圖

3 創(chuàng)新成果

（1）通過(guò)各煤層導(dǎo)高分析、同位素測(cè)試等方法研究了河流與老空水及含水層水的水力聯(lián)系，分析了河流老空復(fù)合水體的特征，提出了復(fù)合水體影響區(qū)水害防范體系；

（2）采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值模擬、材料模擬研究雙系煤層上部煤層采空區(qū)的空間位置對(duì)下部煤層導(dǎo)水裂隙帶高度的影響；

（3）采用地下水滲流理論計(jì)算注水試驗(yàn)巖體滲透系數(shù)，根據(jù)鉆孔電視觀測(cè)到的孔壁破壞情況，以總裂隙面積為主要依據(jù)，綜合確定導(dǎo)水裂縫帶上限。

4 應(yīng)用效果

項(xiàng)目研究成果在馬脊梁煤礦8117工作面進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，成功地指導(dǎo)了工作面安全生產(chǎn)，沒(méi)有出現(xiàn)水害事故，采取的防范措施合理有效，提高了回采效率（推進(jìn)度整體恢復(fù)至出水階段的10倍左右）和礦井生產(chǎn)效益。該技術(shù)在主動(dòng)治理復(fù)合水害方面具有良好的推廣前景。

本項(xiàng)目于2021年4月通過(guò)了中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)組織的鑒定，獲國(guó)際先進(jìn)水平。