侏羅系采空區(qū)充水系數(shù)定量研究及應(yīng)用

譚志喜

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 煤峪口礦，山西 大同 037003）

1 工程概況

煤峪口礦作為一個(gè)開采近百年的老礦井，侏羅系可采煤層多、開采時(shí)間久遠(yuǎn)、采空區(qū)遍布。隨著開采井田內(nèi)采空區(qū)增多并形成積水區(qū)，通過裂隙與地面導(dǎo)通，對侏羅系礦井收尾階段開采及石炭系礦井大規(guī)模開采形成了極大安全隱患。采空區(qū)積水是影響該礦安全生產(chǎn)的主要水患，能否準(zhǔn)確估算采空區(qū)積水，對有目的、有計(jì)劃的對采空區(qū)積水進(jìn)行疏放有著重要的意義。

2 采空區(qū)積水充水系數(shù)定量

煤峪口礦現(xiàn)開采的侏羅系14 號煤層，410 盤區(qū)51020 巷對應(yīng)上覆為11-12 號合并層8822 采空區(qū)，上下分層開采。上分層1999 年開采結(jié)束，下分層2004 年開采結(jié)束，與14 號層平均層間距6.8 m。2008—2012 年從地面灌漿孔向11-12 號合并層408 皮帶巷西部灌漿，灌漿水是8822 采空區(qū)的主要積水水源，預(yù)計(jì)積水面積80 000 m2，積水量30 000 m3，給51020 巷掘進(jìn)造成重大安全隱患。由于距開采結(jié)束已久，采空區(qū)形態(tài)變化、水力聯(lián)系及積水量無法準(zhǔn)確計(jì)算，給礦井采掘接替計(jì)劃部署也造成很大影響。

2.1 鉆孔水壓測量

煤礦井下探放水鉆孔水壓測定裝置為止水套管上安裝壓力計(jì)來測定水壓，該方法安裝過程復(fù)雜繁瑣而且不耐用，壓力計(jì)使用一段時(shí)間后容易損壞，讀不出數(shù)。帶有【MA】煤安標(biāo)志電子測壓儀費(fèi)用較高。自制鉆孔水壓簡易裝置，可以有效測定鉆孔水壓值，解決了鉆孔水壓測量問題，如圖1 所示。

圖1 自制水壓測量裝置Fig.1 Self-made hydraulic measuring device

依據(jù)連通器原理，連通器里的水不流動時(shí)，各容器中的水面總保持相平。水壓大小與高度有關(guān)系，一般高度越高，底部的水壓越大，壓強(qiáng)公式P=ρgh，即壓強(qiáng)大小=液體密度×質(zhì)量常數(shù)×離液面的高度。

探放水鉆孔孔徑為52 mm，選擇1.5 英寸鐵管（38.1 mm），在管頭纏繞棉麻等封水材料后，方便塞進(jìn)鉆孔內(nèi)。靠近鉆孔末端處焊接1.5 寸變6 分接頭，接入工業(yè)壓力計(jì)（讀數(shù)精確到0.002 MPa，換算成水柱高0.2 m，也就是20 cm，估讀到0.001 MPa，10 cm 水柱高）。裝置末端焊接1.5 寸變6 分接頭，接6 分球形閥。球形閥作用是在將該裝置送入鉆孔時(shí)，打開球形閥鉆孔出水會順著管子流經(jīng)球形閥排出，不會因壓力導(dǎo)致測壓裝置難以送入鉆孔內(nèi)。送入鉆孔端纏繞棉麻等將鉆孔孔壁封堵嚴(yán)實(shí)后，關(guān)閉球形閥。等待10～30 min，鉆孔內(nèi)水壓給壓力表打壓，即可讀出數(shù)值。

2.2 計(jì)算方法研究

以往采空積水常采用粗略估算方法，大致圈定積水面積S，根據(jù)煤層厚度估算最大水深為煤層厚度H，最后選定充水系數(shù)K，如下所示：

式中：V為采空積水計(jì)算量，m3；S為積水面積，m2；H為煤厚，m；K為充水系數(shù)（柱式采煤方法一般選取0.1～0.3，綜采一般選0.3～0.6）。由于此經(jīng)驗(yàn)估算方法中充水系數(shù)K的不確定性，造成估算出的積水量與實(shí)際偏差往往較大，對探放水工作技術(shù)分析及礦井采掘部署造成一定影響。

考慮到充水系數(shù)K的重要性，假設(shè)K為一個(gè)未知數(shù)，通過階段性排水量、水位和積水面積的變化來計(jì)算K的實(shí)際值，從而更加準(zhǔn)確計(jì)算老空積水量。

根據(jù)探放水孔初次測定鉆孔內(nèi)煤層底板至水面的實(shí)際水深H1，結(jié)合底板等高線圈定積水面積S1，最初積水量計(jì)算為：

式中：V1為當(dāng)前積水量，m3；S1為當(dāng)前積水面積，m2；H1為水位高度，m。

排出一段時(shí)間后，排水量為V排，再次測定水深為H2，結(jié)合底板等高線圈定此時(shí)積水面積S2，則當(dāng)前積水量計(jì)算為：

式中：V2為排水一段時(shí)間后剩余采空積水量，m3；S2為排水一段時(shí)間后剩余采空積水面積，m2；H2為排水一段時(shí)間后采空積水水位高度，m。

由于V排=V1-V2，由此解方程即可求得K值。

2.3 應(yīng)用實(shí)例2.3.1 第一次測量

（1） 積水標(biāo)高。

式中：H積水為積水標(biāo)高；H頂板為頂板實(shí)測標(biāo)高；P為鉆孔出水口水壓。2017 年12 月20 日初次在補(bǔ)19 號點(diǎn)前7 m 處測得上分層采空區(qū)水壓0.08 MPa，51020 巷道該處頂板實(shí)測標(biāo)高為960 m。

（2） 積水范圍。8822 采空區(qū)積水范圍西起下分層停采線退后47 m 的上分層底板上，東至下分層切巷，南北以2822下和5822下順槽巷為界。

（3） 積水面積。用CAD 求得積水面積S=2 214+75 472=77 686 m2。

（4） 加權(quán)平均積水深度。

式中：h為加權(quán)平均積水深度；hi為塊段積水深度；Si為塊段積水面積；S為積水總面積。積水塊段分析數(shù)據(jù)見表1。

表1 12 月20 日積水塊段分析Table 1 Analysis of water blocks on December 20

2.3.2 第二次測量

（1） 積水標(biāo)高。2018 年2 月7 日在補(bǔ)19 號點(diǎn)前25 m 處測得下分層采空區(qū)水壓0.07 MPa，51020 巷道該處頂板實(shí)測標(biāo)高為959.372 m。

（2） 積水范圍。經(jīng)過12 月20 日至2 月7 日共計(jì)49 d 的放水，西部積水線退至下分層停采線，東至8822下切巷處，南北還以2822下和5822下順槽巷為界。

（3） 積水面積。用CAD 求得積水面積為75 493 m2。

（4） 加權(quán)平均積水深度按式（5） 計(jì)算，剩余積水量如圖2 所示，積水塊段分析數(shù)據(jù)見表2。

圖2 剩余積水量Fig.2 Residual water retention

表2 2 月7 日積水塊段分析Table 2 Analysis of water blocks on February 7

2.4 水量分析

2017 年10 月16 日早班錨索孔滿孔水。測壓：初次2018 年1 月20 日，補(bǔ)19 號點(diǎn)前7 m，垂直鉆孔，壓力0.08 MPa；第二次2018 年2 月7 日，補(bǔ)19 號點(diǎn)前25 m，錨索孔，壓力0.06 MPa。

2.4.1 積水標(biāo)高確定

（1） 補(bǔ)19 號點(diǎn)前7 m 頂板標(biāo)高960 m，法向距7 m（4 m巖，3 m實(shí)煤），求得積水標(biāo)高為968 m。（2） 補(bǔ)19 號點(diǎn)前25 m 頂板標(biāo)高958.8 m，法向距4 m（巖），求得積水標(biāo)高為964.8 m。

2.4.2 積水量

最初積水面積80 000 m2，最大積水深度為6.4 m，平均4.18 m。兩次測壓期間，排除積水體積222 928 m3。兩次測壓期間排水共20 000 m3。充水系數(shù)K= 20 000÷222 928≈0.09。原積水量W=334 670×0.09=300 00 m3。

2.4.3 剩余積水量

（1） 按原始積水減排水量方法計(jì)算，剩余積水量為30 000－20 000=10 000 m3。

（2） 按二次積水標(biāo)高、積水體積和充水系數(shù)計(jì)算，剩余積水量為105 600 m3×0.09≈9 500 m3。

兩種算法結(jié)果基本一致，剩余積水量為10 000 m3左右，積水面積47 800 m2，積水范圍南北下分層停采線至964.8 等高線，東西8822 采空區(qū)兩順槽巷，積水標(biāo)高為964.8 m，最大積水深度3.2 m，平均2.3 m。

（3） 積水最低區(qū)域?yàn)镻180～P300 m，現(xiàn)迎頭為P124 m。排完這塊積水掘至P480 m 還剩余零星積水1 700 m3。

（4） 每日排水按240 m3排放，預(yù)計(jì)大水排水期還需40 d。

3 應(yīng)用情況

煤峪口礦14 號層410 盤區(qū)51020 巷2018 年2～3 月期間，距皮帶巷開口136 m 處巷道迎頭17、18、19 號鉆孔累計(jì)排水9 700 m3。之后鉆孔出現(xiàn)拉風(fēng)現(xiàn)象，測鉆孔淋水已無壓力。使用ZLJ—250 鉆機(jī)從巷道左側(cè)向上覆11-12 號層8822 下采空區(qū)施工了8 個(gè)驗(yàn)證孔，其中7 個(gè)孔均見空無水，證明了上覆8822 采空區(qū)內(nèi)積水已基本排清，驗(yàn)證了此方法計(jì)算采空區(qū)積水的準(zhǔn)確度。

2018 年5 月煤峪口礦計(jì)劃51020 巷正式開始掘進(jìn)，根據(jù)此前計(jì)算出的充水系數(shù)K值，計(jì)算出的采空區(qū)積水量約10 000 m3，每日排水按240 m3排放，預(yù)計(jì)大水排水期40 d。對上覆采空區(qū)積水的分析計(jì)算提供了理論依據(jù)，指導(dǎo)了礦井水患治理工作和采掘計(jì)劃部署。

4 結(jié) 語

此方法應(yīng)用還受其它因素限定，比如有些采空區(qū)形態(tài)變化特別大，無規(guī)律可尋，特別是在多個(gè)小采空區(qū)之間水力聯(lián)系復(fù)雜的情況下，使用這種方法計(jì)算出的結(jié)果誤差會很大，需要在排水過程中，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測排水量和水位變化對充水系數(shù)進(jìn)行大量修正。