某礦區(qū)近水平煤層群上覆采空區(qū)水靶向探疏技術(shù)研究

李廣疆

（中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

0 引言

據(jù)不完全統(tǒng)計，2016—2021 年，全國煤礦山共發(fā)生水害事故37 起，其中，老空透水事故占比在65%左右。事故的教訓(xùn)極其慘痛，老空透水依然是發(fā)生頻率最高、傷亡人數(shù)最多的水害事故，老空水害防治仍是礦井防治水工作的重中之重［1］。

呼吉爾特礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地北部，屬新近開發(fā)的大型煤炭生產(chǎn)基地，礦區(qū)主要開采侏羅系延安組2#、3#煤組，煤層賦存穩(wěn)定，層間距為30~50 m，傾角為2°～5°，埋藏深度較大，普遍在600 m 以上。雖然區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較為簡單，垂向?qū)畼?gòu)造不甚發(fā)育，含水層間水力聯(lián)系較弱。但是，由于其特殊的陸相沉積背景、多相變層疊的覆巖結(jié)構(gòu)和錯綜復(fù)雜的地下水徑流系統(tǒng)，煤層頂板白堊系間接充水含水層富水性中等~強(qiáng)，導(dǎo)致礦井水文地質(zhì)條件比較復(fù)雜［2］。門克慶煤礦3107工作面采掘期間受到上覆2-2中煤層采后形成的約24萬m2采空區(qū)積水的影響，采空水害威脅較為嚴(yán)重，該類水害是呼吉爾特礦區(qū)首次出現(xiàn)的水害類型。因此，如何更好地疏干放凈采空水，對工作面的安全生產(chǎn)有著至關(guān)重要的作用。早期的上覆采空水探疏手段多數(shù)情況未從采礦學(xué)角度考慮煤柱支撐垮落不充分區(qū)域形成的局部積水腔體以及頂板垮落形態(tài)對積水區(qū)分布變化的影響，且未針對近水平緩傾斜煤層進(jìn)行具體分析，導(dǎo)致采空水探疏存在一定的盲目性。本研究通過對門克慶煤礦3107工作面上覆煤層采空區(qū)積水的探疏，形成了針對近距離煤層開采上覆采空區(qū)積水防治的“基于3D曲面流場分析的積水量預(yù)計、物探積水區(qū)圈定、積水靶向探放、過程記錄、效果驗證”五位一體的綜合探放技術(shù)，為后續(xù)同類型水害防治工作提供一定的借鑒。

1 研究區(qū)基本概況

1.1 水文地質(zhì)概況

門克慶礦井水文地質(zhì)類型復(fù)雜，2-2 中煤直接充水含水層為直羅組砂巖含水層，3-1 煤開采的含水層為頂板延安組砂巖含水層和直羅組砂巖含水層，直羅組砂巖含水層是礦井主要充水含水層，地層厚度為117.75～219.45 m，平均為157.18 m，含水層出水段累計厚度為11.74～110.69 m，平均為67.15 m，含水層厚度約占地層總厚度的21.57%，單位涌水量為0.060 8～0.206 8 L/（s·m），滲透系數(shù)為0.071 7～0.598 2 m/d［3］。

1.2 工作面基本概況

1.2.1 2201 工作面基本概況。其為礦井2-2中煤首個回采工作面，工作面寬300 m，回采長度808 m，煤層平均厚度約為2.2 m，傾角一般為3°~6°，共揭露各類斷層11 條，落差均小于3 m?；夭善陂g工作面最大涌水量為276 m3/h，采后水量180 m3/h 左右，并不斷下降。下伏3-1 煤層設(shè)計布置3107、3109、3111 等3 個工作面，煤層間距約為30 m。

1.2.2 3107 工作面基本概況。該工作面寬為320 m，回采長度為2 922 m，煤層平均厚度為4.3 m，傾角一般為3°~5°，裂采比約為26.85［4］。工作面面臨的水害類型主要為鄰空小煤柱采空水害、頂板砂巖水害及上覆煤層采空水害，其中上覆煤層采空積水區(qū)距工作面切眼約561 m，2201 工作面與3107 工作面空間位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 2201工作面與3107工作面空間位置關(guān)系

2 上覆煤層采空水探疏技術(shù)路線

2.1 “橫二縱三”積水區(qū)概念

劉天泉［5］提出了工作面開采覆巖的“橫三區(qū)、豎三帶”的分區(qū)，李楊等［6］提出了采空垮落頂板“正—倒置三角形”形態(tài)特征，根據(jù)上述兩個觀點，結(jié)合工作面回采期間及采后各類影響因素提出了采空區(qū)積水“橫二縱三”的概念，具體為：橫向上分為煤柱支撐垮落不充分積水區(qū)、壓實隔水區(qū)兩個部分，如圖2所示。

圖2 采空區(qū)跨落后縱向積水分區(qū)示意

縱向上分為底部壓實隔水區(qū)、中部儲水區(qū)和上部補(bǔ)給區(qū)3個部分，如圖3所示。這一概念的提出主要針對兩個容易造成盲點的地方：①底部壓實隔水區(qū)，采空區(qū)采后會產(chǎn)生大量的煤泥、巖粉等堆積壓實體，導(dǎo)致部分采空水探查鉆孔在進(jìn)入采空區(qū)后受壓實區(qū)的影響，出水量較小甚至出現(xiàn)無水的情況，造成無積水的假象；②煤柱支撐垮落不充分積水區(qū)。該區(qū)域受煤柱支撐影響，形成的積水腔體易被采空水探疏設(shè)計遺漏，造成有水未放的情況發(fā)生。

圖3 采空區(qū)跨落后橫向積水分區(qū)示意

2.2 高精度采空區(qū)水流場圖及積水量預(yù)計

2201 工作面回采期間每30~50 m 利用測量儀器測定一組底板高程數(shù)據(jù)，本次共采集178 個數(shù)據(jù)，利用Surfer專業(yè)繪圖軟件，進(jìn)一步對底板高程進(jìn)行精密差值分析，繪制出地貌3D 曲面圖，并進(jìn)行分水嶺的繪制和匯流區(qū)的圈定，更加直觀地反映采空區(qū)水流場變化、分析積水區(qū)分布情況，具體如圖4所示。同時根據(jù)工作面采后涌水量、底板高差等數(shù)據(jù)對采空區(qū)靜儲量及動態(tài)補(bǔ)給量進(jìn)行初步的預(yù)計。

圖4 2201工作面采后3D曲流場

2.2.1 采空區(qū)靜儲量的計算。根據(jù)經(jīng)驗公式，采空區(qū)積水量可采用式（1）進(jìn)行初步計算。

式中：Q為采空區(qū)積水量，m3；K為采空區(qū)充水系數(shù)，取0.25~0.5；M為采空區(qū)采高，m；F為采空區(qū)水平投影面積，m2；α為煤層傾角，°。

由于實際積水空間形態(tài)與理想假設(shè)形態(tài)存在一定差別，應(yīng)根據(jù)積水區(qū)底板起伏對計算積水量進(jìn)行修正，根據(jù)經(jīng)驗，底板起伏較大的積水區(qū)計算積水量與實際積水量差別較大，一般取修正系數(shù)0.5，底板起伏較小的積水區(qū)計算積水量與實際積水量差別較小，一般取修正系數(shù)0.8。

利用采空區(qū)3D 曲面流場模型，基于底板標(biāo)高數(shù)據(jù)庫和積水位高度值，借用Surfer 軟件的體積計算模塊進(jìn)行積水標(biāo)高范圍內(nèi)體積的精細(xì)測算，采用式（2）進(jìn)一步開展采空區(qū)靜儲量的計算。

式中：V為儲水空間大小，m3；Vm為冒落區(qū)體積，m3；K為儲水系數(shù)。經(jīng)計算得出，2201 采空區(qū)總計積水量約為13.5萬m3。

2.2.2 動態(tài)補(bǔ)給量的測算。因為2201 工作面已停采31 個月，根據(jù)采空區(qū)閉墻出水點測量情況，工作面涌水量已穩(wěn)定在40 m3/h 左右，因此后期探放的動態(tài)補(bǔ)給量可定義為式（3）。

式中：Q為動態(tài)補(bǔ)給量，m3；d為采空水疏放時間，天，從采空區(qū)液面下降至閉墻無法出水之日開始算起。

2.3 物探積水區(qū)圈定

在現(xiàn)行開采條件下，下層煤掘進(jìn)經(jīng)過上層煤工作面采空區(qū)附近時，遵照“物探先行、鉆探驗證、有掘必探、先探后掘、先治后采”的原則［7］，針對上覆采空區(qū)積水情況，利用瞬變電磁法，同時采用25 Hz和50 Hz兩種頻率探測老空積水情況。

2.4 采空區(qū)積水靶區(qū)探放及過程

根據(jù)圈定的積水區(qū)以及對煤柱支撐垮落不充分區(qū)域的分析，組織實施采空水探疏工程，在2201采空區(qū)“馬鞍”兩側(cè)施工了8 個鉆孔，初始水量合計582 m3/h；中部區(qū)域施工了8 個鉆孔，初始水量合計143.5 m3/h；煤柱垮落不充分區(qū)域施工了2 個鉆孔，初始水量合計85 m3/h，鉆孔探查及出水情況良好，但受排水系統(tǒng)制約各疏放鉆孔前期均未進(jìn)行滿負(fù)荷放水。

自2023 年1 月初開始施工采空水探疏鉆孔到2023 年4 月底，礦井防治水專業(yè)技術(shù)人員對采空水疏放情況進(jìn)行了全流程的監(jiān)測管控，各鉆孔總涌水量最大時達(dá)329 m3/h（受排水系統(tǒng)影響，未全部打開疏放），到2023年4月底，各疏放水鉆孔總涌水量已降至40 m3/h，11-2201 采空區(qū)疏放總水量變化曲線如圖5 所示，通過電子流量計及防治水專業(yè)技術(shù)人員測定，采空區(qū)累計疏放水量為228 802 m3。

圖5 11-2201采空區(qū)疏放總水量變化曲線

2.5 效果驗證

在各疏放水鉆孔總出水量與疏放前采空區(qū)涌水量、采空水總疏放量與預(yù)測積水量接近時，初步判斷采空區(qū)積水已徹底疏干放凈，但為保險起見，再次開展物探、鉆探工程對疏放效果進(jìn)行進(jìn)一步的驗證［8］。

2.5.1 物探驗證。通過對比不同深度視電阻率平面等值線圖中視電阻率變化情況，選取各個深度相對低電阻率作為本次探測異常區(qū)，具體如圖6所示，共劃分1個異常區(qū)，命名為YC-1。YC-1異常區(qū)在平面上位于11-3107 工作面主運巷北側(cè)SN 方向40~100 m、Z6 導(dǎo)線點EEW 方向140~200 m 范圍。該位置3-1 煤距上部2-2 中煤層間距約32.14 m，推斷YC-1異常區(qū)主要為11-2201采空積水區(qū)。

圖6 11-2201采空區(qū)瞬變電磁探測頂板10~50 m立體圖

2.5.2 鉆探驗證。基于瞬變電磁物探成果，再次施工了6 個疏放水驗證鉆孔進(jìn)行采空區(qū)積水疏放效果探查。探查表明，除Y4 鉆孔終孔水量為15 m3/h 以外，其他5 個鉆孔基本無水，物探、鉆探成果驗證效果較好，同時進(jìn)一步證明了采空區(qū)積水已基本被疏干放凈。

3 結(jié)論

①采空水的探查與疏放必須全面考慮，采取綜合性的防范手段，通過上覆采空區(qū)積水防治的“基于3D 曲面流場分析的積水量預(yù)計、物探積水區(qū)圈定、積水靶向探放、過程記錄、效果驗證”五位一體綜合探放技術(shù)，有效地將上覆煤層采空區(qū)積水疏凈，保障了下伏工作面的安全回采。

②提出的“橫二縱三”概念，在雙向上解釋了積水區(qū)分布的特征，為解決底部壓實區(qū)及煤柱支撐垮落不充分區(qū)域采空積水提供了一定參考。

③采空水作為近年來發(fā)生頻率最高、傷亡人數(shù)最多的水害事故［9］，在礦井水害防治工作中有著重要意義，礦井應(yīng)牢固樹立采空區(qū)“零積水”的安全管理理念，多手段相結(jié)合開展采空水探疏工程。