富含水層工作面俯采防治水關(guān)鍵技術(shù)

竇鳳金，邵棟梁，王方田

（1.神東煤炭集團(tuán)錦界煤礦，陜西榆林 719319；2.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇徐州 221116）

近年來，中西部富煤地區(qū)已成為煤炭資源開采集中區(qū)域，其中神東礦區(qū)在資源儲存和開采產(chǎn)量2方面均占據(jù)絕對優(yōu)勢，且主采煤層具有淺埋深、厚松散層、巖層風(fēng)化程度嚴(yán)重、覆巖含水量豐富、基巖薄等賦存特征[1-2]。

神東礦區(qū)屬于地表干旱或半干旱、地層富含水的生態(tài)環(huán)境脆弱開采區(qū)域，開采擾動作用下，煤層上覆薄基巖破斷失穩(wěn)和水位變化對工作面安全開采具有重要影響[3-4]。國內(nèi)外學(xué)者圍繞礦井水源預(yù)測、巷道掘進(jìn)、覆巖含水層水體貫通采掘工作面引起水砂災(zāi)害等難題展開了一系列研究。方新秋等[5]揭示了薄基巖煤層采動覆巖運(yùn)動規(guī)律以及該賦存條件下影響“砌體梁”結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要因素；馮國瑞等[6]構(gòu)建了直接頂接觸塊體力學(xué)模型，探究了采場覆巖接觸面塊體的破斷規(guī)律；曹志國等[7]闡明了采動覆巖破斷失穩(wěn)形成導(dǎo)水裂隙帶是工作面遭受礦井水害的誘導(dǎo)因素，將采空區(qū)邊界附近裂隙劃分為上端張拉裂隙和下端張拉裂隙及中部壓實區(qū)的貼合裂隙；楊達(dá)明等[8]分析了淺埋近水平煤層開采覆巖結(jié)構(gòu)及破壞特征，建立了淺埋近水平煤層采場覆巖壓力拱結(jié)構(gòu)模型，通過估計采場關(guān)鍵層破斷的影響范圍控制了工作面礦壓顯現(xiàn)；黃浩等[9]探明了回采工作面礦井水害的水源位置，現(xiàn)場監(jiān)測與理論預(yù)測了頂板富水狀況、涌水量維持了工作面安全高效開采；高彬等[10]依據(jù)地質(zhì)勘探和頂板探測鉆孔分析了巷道出水原因，優(yōu)化了封堵錨索孔的注漿堵水治理技術(shù)，改善了巷道頂板大面積淋水的狀況；李順才等[11]基于圓形巷道局部弱支護(hù)力學(xué)模型，解釋了深部弱支護(hù)巷道邊界位移的蠕變規(guī)律、圍巖塑性區(qū)分布特征等；周輝等[12]通過將原位深井巷道圍巖開挖擾動區(qū)演化特征與數(shù)值模型巷道圍巖開挖擾動區(qū)分布規(guī)律進(jìn)行對比，得出兩者的相似特征；許家林等[13]表明了工作面開采時基巖頂部松散含水層下降特點，提出了松散承壓含水層下薄基巖采場壓架防治對策；王方田等[14]建立了沖溝下“支架-圍巖”作用關(guān)系模型，確立了特殊地質(zhì)賦存條件下的支架工作阻力和礦壓防治措施。其他學(xué)者采用均衡法、數(shù)值法、解析法、比擬法等預(yù)計了工作面涌水量，提出了一系列礦井排水系統(tǒng)設(shè)計、水害治理技術(shù)[15-19]。

探究富含水層下工作面開采引起的覆巖運(yùn)移特征及導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育規(guī)律，對提出工作面水害防治技術(shù)、改善工作面作業(yè)環(huán)境、優(yōu)化頂板災(zāi)害預(yù)警方案具有重要指導(dǎo)作用。為此，結(jié)合錦界煤礦31409 工作面煤層水文地質(zhì)條件，理論計算采動覆巖導(dǎo)水?dāng)嗔褞Х植继卣骱桶l(fā)育高度，利用3DEC 軟件建立俯采工作面采動覆巖運(yùn)移模型，分析工作面采動作用下覆巖破斷過程與采動裂隙擴(kuò)展歷程，并利用礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)觀測鉆孔預(yù)疏放水效果，提出有效的淺埋薄基巖富含水層煤層開采水災(zāi)防治技術(shù)。

1 工程背景

1.1 煤層賦存條件

錦界煤礦位于榆神礦區(qū)東北部，主采3-1煤層具有淺埋薄基巖、厚松散層等賦存特征；31409 工作面位于四盤區(qū)3-1煤層輔運(yùn)大巷東側(cè)，呈北偏東90.5°方位布置。北邊依附井田邊界，是四盤區(qū)北區(qū)首采工作面。工作面寬度為276.4 m，推進(jìn)長度為5 110.1 m，面積為141.2 萬m2，傾角1°～6°，呈寬緩的單斜構(gòu)造。切眼附近為薄基巖區(qū)域，最薄基巖厚度不足10 m，錦界煤礦鉆孔綜合柱狀圖如圖1。

圖1 錦界煤礦鉆孔綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram boreholes in Jinjie Mine

1.2 水文地質(zhì)特征

31409 工作面覆巖含水層具有距開采煤層近、含2 層含水層、厚度大、水頭高等特征；其中，上覆2層含水層分別為第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組（Q3s）潛水及中侏羅統(tǒng)直羅組（J2Z）風(fēng)化基巖孔隙裂隙潛水—承壓含水層，且兩含水層由第四系離石黃土（Q21）及新近三趾馬紅土（N2b）隔水層隔開。

監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，含水層平均厚度45 m，水頭高度平均66.3 m，靜止水位埋深平均17.9 m，鉆孔平均涌水量8.3 m3/h，平均滲透系數(shù)0.5 m/d，單位涌水量為0.02～0.65 L/（s·m），平均0.25 L/（s·m）。因該含水層頂板為土層隔水層，底板為直羅組正?；鶐r砂泥巖相對隔水層，風(fēng)化基巖層含水呈承壓含水性質(zhì)，此類水文地質(zhì)賦存條件對工作面開采安全具有顯著影響，礦井賦存條件與水文地質(zhì)特征如圖2。

圖2 礦井賦存條件與水文地質(zhì)特征Fig.2 Occurrence conditions and hydrogeological characteristics

1.3 工作面涌水特征

工作面涌水主要由靜態(tài)儲水和動態(tài)補(bǔ)給水組成，工作面涌水分析模型如圖3。

圖3 工作面涌水分析模型Fig.3 Water inrush analysis model of working face

由圖3 可以看出：①靜態(tài)儲水形成原因為覆巖隔水層厚度不足，導(dǎo)水裂隙發(fā)育導(dǎo)致頂板含水層疏放剩余靜態(tài)水，該部分水與工作面含水層厚度、工作面預(yù)疏放水措施有關(guān)，涌水量隨工作面頂板來壓成周期性起伏，具有涌水迅猛、水量變化迅速特征；②動態(tài)補(bǔ)給水主要由工作面覆巖動態(tài)補(bǔ)充和采空區(qū)懸露頂板位置側(cè)向補(bǔ)給組成，動態(tài)補(bǔ)給水影響因素包括推進(jìn)速度、覆巖動態(tài)補(bǔ)給能力。工作面涌水量變化如圖4。

圖4 工作面涌水量變化Fig.4 Water inflow change of working face

兩側(cè)橫向補(bǔ)給水通過動態(tài)裂隙區(qū)不斷流向工作面及采空區(qū)，涌水量隨工作面推進(jìn)持續(xù)增加，出現(xiàn)淋水量加大、采空區(qū)水涌入、回風(fēng)巷水煤堆積等狀況。

2 淺埋薄基巖煤層開采覆巖導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育特征

2.1 “兩帶高度”理論計算與實測分析

31409 工作面直接頂和基本頂巖性分別為泥巖和粉砂巖，且存在互層結(jié)構(gòu)體區(qū)域；粉砂巖多為泥質(zhì)膠結(jié)，部分層段為鈣質(zhì)膠結(jié)，屬于中硬巖類。工作面煤層賦存穩(wěn)定，煤厚平均3.28 m。計算得到31409工作面開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨葹?0.9～53.9 m。

式中：Hli為導(dǎo)水?dāng)嗔褞У淖畲蟾叨?，m；M 為煤層有效采厚，取3.28 m。

31409 工作面覆巖垮落帶和斷裂帶發(fā)育高度實測結(jié)果顯示：垮落帶高度為11.97 m，冒采比為3.6；導(dǎo)水?dāng)嗔褞?0.95 m，裂采比為12.4。該工作面風(fēng)化基巖和正?；鶐r最薄處均位于切眼處，兩者之和為13.7 m；切眼導(dǎo)水?dāng)嗔褞ж灤┍』鶐r，因切眼處土層厚度60 m，導(dǎo)水?dāng)嗔褞从绊懰缮⑸硨?。第二開采區(qū)段中部，土層厚度為40 m，正常與風(fēng)化基巖厚度之和大于40 m，松散層含水層未受采動影響失穩(wěn)、破斷。因此，整個工作面開采區(qū)段范圍內(nèi)，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ь炌ㄖ溜L(fēng)化基巖含水層，始終未波及第2層含水層。綜上所述，風(fēng)化基巖裂隙水補(bǔ)給主要以同層側(cè)向補(bǔ)給為主，地下水位變化呈“動態(tài)消耗+側(cè)向補(bǔ)給”型特征。覆巖裂隙發(fā)育實測及涌水特征分析如圖5。

圖5 覆巖裂隙發(fā)育實測及涌水特征分析Fig.5 Measurement of overlying rock fracture development and flood characteristics analysis

2.2 采動覆巖導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育歷程模擬

為揭示31409 工作面開采過程中推進(jìn)方向上不同厚度基巖的導(dǎo)水裂隙發(fā)育規(guī)律，采用3DEC 離散元軟件構(gòu)建俯采工作面采動覆巖擾動計算模型，模型尺寸為450 m×2 m×130 m，地層從下至上依次是底板、3-1煤層、直接頂、正?；鶐r、風(fēng)化基巖、土層（隔水層）、松散層，煤層傾角5°。模型施加邊界條件：固定模型前、后、左、右邊界，因模型建至地表，模型上部不施加載荷，地層中施加z 方向上重力加速度。

切眼位于x=430 m 處，回撤通道位于x=15 m處，切眼處正?；鶐r厚度8 m，風(fēng)化基巖厚度7 m，土層厚度約60 m；回撤通道處正?；鶐r厚度約41 m，風(fēng)化基巖厚度約43 m，土層厚度約27 m，以上巖層厚度從切眼至回撤通道是均勻漸變的特征。分區(qū)段裂隙發(fā)育特征如圖6。

圖6 分區(qū)段裂隙發(fā)育特征Fig.6 Segmental fracture development characteristics

由圖6 可知：①切眼薄基巖區(qū)域?qū)严栋l(fā)育高度貫穿至風(fēng)化基巖層，因土層較厚未貫穿進(jìn)入沙層，平均裂隙高度14 m；②工作面由切眼位置繼續(xù)推進(jìn)至第1 區(qū)段位置時，導(dǎo)水裂隙隨工作面推進(jìn)向前轉(zhuǎn)移形成移動裂隙區(qū)，該區(qū)裂隙發(fā)育高度擴(kuò)展至40 m，滯后工作面80～100 m 逐漸壓實閉合；③工作面開挖至第2 階段時，在切眼側(cè)因煤柱支撐作用，裂隙難以閉合，生成固定裂隙發(fā)育區(qū)；④工作面繼續(xù)推進(jìn)至第3 階段后，由于兩側(cè)因開采擾動、煤柱應(yīng)力集中等多重作用，裂隙發(fā)育呈動態(tài)增長特征，該裂隙區(qū)與工作面移動裂隙發(fā)育區(qū)和切眼固定裂隙發(fā)育區(qū)相連通，是造成工作面采空區(qū)涌水隨工作面推進(jìn)不斷增加的主要原因。

3 富含水層工作面水災(zāi)防治技術(shù)及控制效果

3.1 疏放水鉆孔布置法

鉆孔疏放水技術(shù)可疏水降壓，減少工作面突水危險性。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示水量穩(wěn)定后，水位下降不明顯，說明工作面涌水來源主要為動態(tài)補(bǔ)給水，故疏放水時間不宜過短或過長，一般以6～8 個月為宜，過短則減緩靜水疏放量，過長導(dǎo)致排水費(fèi)用增加。鉆孔布置密度依據(jù)含水層厚度確定；鉆孔方位與工作面背向成47°～55°夾角，起到截流作用，減少側(cè)向動態(tài)補(bǔ)給水涌入工作面及采空區(qū)；鉆孔終孔布置在風(fēng)化基巖或土層內(nèi)1～2 m，有利于快速疏放風(fēng)化基巖靜含水量。31409 工作面疏放水工程施工參數(shù)如下：①鉆孔數(shù)量103 個，其中切眼8 個，運(yùn)輸巷道46個，措施巷49 個；②鉆孔角度以仰角47°向工作面頂板施工，終孔層位在風(fēng)化基巖頂界面1.5 m 處。

鉆孔疏放水量監(jiān)測和水文在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)表明，鉆孔疏放水成孔后，水量呈下降趨勢，隨后趨于平緩穩(wěn)定狀態(tài)，涌水量衰減系數(shù)為50%～80%，衰減時長為6～8 個月，根據(jù)風(fēng)化基巖含水層多個水位觀測孔鉆孔（J113、J313、J513）觀測數(shù)據(jù)顯示，預(yù)疏放水前風(fēng)化基巖含水層的平均水位標(biāo)高+1 230 m，疏放后平均水位+1 203 m，水位下降了27 m。

3.2 “分區(qū)分級”工作面涌水量預(yù)測法

由于31409 工作面推進(jìn)方向上風(fēng)化基巖含水層厚度變化較大，為準(zhǔn)確預(yù)測涌水量，提出“分區(qū)分級”預(yù)測方法，3 段范圍分別為：①工作面切眼至31409 回風(fēng)巷道50 聯(lián)巷處（含水層厚度10～20 m）；②回風(fēng)巷道50 聯(lián)巷至34 聯(lián)巷處（含水層厚度20～50 m）；③回風(fēng)巷道34 聯(lián)巷至工作面回撤通道（含水層厚度60 m 以上）。通過分析大量已采工作面涌水實測數(shù)據(jù)，認(rèn)為采用水文地質(zhì)條件比擬法相對準(zhǔn)確度高，選取具有相似水文地質(zhì)條件的31401 工作面作為比擬對象，利用回采期間涌水量觀測數(shù)據(jù)比擬預(yù)測31409 工作面涌水量。

通過對比31401 工作面地質(zhì)條件，分段選取參數(shù)，對比實測涌水量，得到31409 工作面涌水量預(yù)測值，并與工作面實測數(shù)據(jù)對比，驗證其符合實際。31409 工作面分區(qū)分級涌水量預(yù)測值見表1。

表1 31409 工作面分區(qū)分級涌水量預(yù)測值Table 1 Predicted values of water inflow at 31409 working face

3.3 建設(shè)專用排水措施巷

采空區(qū)水大量涌入工作面，為實現(xiàn)采空區(qū)涌水的截流與疏放，將31409 措施巷作為專用排水措施巷，滯后泄水巷采用局部風(fēng)機(jī)供風(fēng)，安設(shè)甲烷、氧氣和一氧化碳傳感器，確保巷道氣體體積分?jǐn)?shù)符合要求，滯后段所有低洼點聯(lián)巷設(shè)置截流采空區(qū)涌水的反水管，通過泄水巷排水管路直接進(jìn)入清水系統(tǒng)。專用排水措施巷其系統(tǒng)布置如圖7。

圖7 專用排水措施巷其系統(tǒng)布置Fig.7 System layout of special drainage measures

采用排水措施巷方案后，排水措施巷涌水量約360 m3/h，占工作面總涌水量的60%，累計截流采空區(qū)涌水96.8 萬m3，降低了工作面低洼積水頻次。采空區(qū)涌水經(jīng)過濾沉淀后轉(zhuǎn)化未可用水，直接導(dǎo)入清水系統(tǒng)，緩減了31409 污水排泄系統(tǒng)的負(fù)荷壓力。利用工作面回風(fēng)巷道和措施巷形成清煤運(yùn)輸環(huán)線，增加轉(zhuǎn)載機(jī)、工程車作業(yè)空間，提高了回風(fēng)巷道浮煤清理效率，有效改善了回風(fēng)巷道作業(yè)環(huán)境。

4 結(jié) 語

1）錦界煤礦31409 工作面覆巖含水層具有距開采煤層近、厚度大、水頭高等特征，探究了工作面涌水主要組成為靜態(tài)儲水和動態(tài)補(bǔ)給水；結(jié)合覆巖賦存厚度變化特征，表明靜態(tài)儲水釋放量與覆巖含水層厚度、工作面疏放水措施相關(guān)，動態(tài)補(bǔ)給水滲流量與推采速度、覆巖動態(tài)補(bǔ)給能力有關(guān)。

2）理論計算得到31409 工作面開采導(dǎo)水?dāng)嗔迅叨葹?0.9～53.9 m，通過對比實測數(shù)據(jù)，3 個開采區(qū)段工作面范圍導(dǎo)水?dāng)嗔褞е回炌L(fēng)化基巖含水層，未影響第2 含水層，風(fēng)化基巖裂隙水補(bǔ)給主要以同層側(cè)向補(bǔ)給為主，地下水位變化呈“動態(tài)消耗+側(cè)向補(bǔ)給”特征。

3）構(gòu)建了俯采工作面采動覆巖運(yùn)移數(shù)值模型，確定工作面切眼位置的采動裂隙發(fā)育高度為14 m，揭示了分區(qū)段煤層采動覆巖裂隙分布呈現(xiàn)移動裂隙區(qū)、固定裂隙區(qū)和發(fā)育裂隙區(qū)分區(qū)特征。

4）提出了疏放水鉆孔布置法、“分區(qū)分級”工作面涌水量預(yù)測法與建設(shè)專用排水措施巷“三位一體”水災(zāi)防治技術(shù)，現(xiàn)場應(yīng)用有效保障了工作面安全高效開采。