基于長觀孔水位變化的壓架突水災害預警

李　晉

(西山煤電集團公司 官地礦，山西　太原　030022)

1　工程地質條件

某礦首采工作面位于井田東翼三采區(qū)，該工作面起止標高-393～-473 m，走向長度1 686.6 m，傾斜長度161～165.9 m，采用走向長壁綜合機械化采煤方法，頂板管理為垮落法。煤層開采厚度1.9～4.0 m，平均3.0 m.該礦井首采工作面的煤層產狀變化不大，煤層傾向355°～ 35°，煤層傾角平均13°.工作面基本頂一般為淺灰色中砂巖，平均厚度為14.4 m；直接頂一般為深灰色泥巖，直接頂的泥巖厚度不穩(wěn)定，平均厚度1.7 m；底板一般為灰～深灰色泥巖，泥質結構，致密、塊狀、含植物碎片。

該礦自2002年投產以來，就先后在3222、7114、7130、6130等8個綜采工作面發(fā)生了17次壓架突水事故，嚴重影響了礦井的安全生產和采掘正常接替，造成了重大的經濟損失。其中6130、7130兩個工作面在回采過程中均周期性的發(fā)生壓架突水事故，壓架損失程度和突水量也呈現逐次增大趨勢。為避免造成更大的損失，這兩個工作面均被迫中途停采、撤面。如何有效防治松散承壓含水層下采煤壓架突水災害是煤礦面臨的重大技術難題之一。

2　長觀孔水位變化與頂板來壓聯動效應的實測

由含水層水位變化特征的研究可知，含水層水位的變化與回采速度、來壓強度等因素有關，它們之間存在一定的關系。現場實測發(fā)現，由于松散承壓含水層下采煤覆巖的特殊運動規(guī)律，使得地面水文觀測孔水位的變化由于覆巖破斷形式的不同，經常表現出不同的變化形態(tài)。因此，研究地表長觀孔水位變化與覆巖運動之間的關系，將有助于進一步掌握松散承壓含水層下采煤覆巖的破壞運動規(guī)律，對進行壓架突水災害的預警具有重要的意義。

研究發(fā)現，水位與采動之間存在聯動關系，即工作面回采便會引起長觀孔水位的升降變化。

所謂微觀聯動，即工作面每一刀煤的回采均會引起長觀孔水位的升降變化，且與工作面開采時間具有高度吻合的特點。工作面28號支架壓力曲線見圖1，圖1中數據點代表相同時間內SQ8長觀孔水位變化。在工作面處于檢修期間，沒有采動影響，長觀孔水位一直處于上升狀態(tài)，如圖1中虛線框中所指區(qū)域。當工作面開始回采，長觀孔水位在半個小時之內發(fā)生明顯下降，其下降幅度與工作面采動速度有關，回采時間越長，其下降量愈大。在相鄰回采的間隔時間內，由于工作面暫時停采，水位又隨之出現回升現象，間隔時間越長，回升的量越大，再次采動后，水位將從回升的高度再次下降，直至本次回采停止。進入下一次檢修期間時，水位同樣呈現持續(xù)的回升現象。水位變化的周期性與工作面采動的周期性具有一致性。

圖1　水位變化與采動關系圖

水位與工作面采動之間存在微觀聯動效應的主要原因在于，含水層的流動補給性能較好，滲透性強，能夠很敏感地反應到采動所引起的擾動，尤其是在工作面來壓期間，這種敏感性表現的更為突出。由于巖層整體性強，煤層采動會引起采動應力的快速傳遞，直至基巖頂界面之后，導致水位發(fā)生相應的反應。微觀聯動效用明顯程度還受長觀孔水位與工作面距離的影響。長觀孔距離開采區(qū)域越近，反應越敏感。

水位在不同來壓時期變化幅度的不同，與來壓的強度、來壓步距等因素有關，來壓強度越大，來壓步距越大，水位下降幅度也越大；來壓強度小、來壓步距越小，水位下降的幅度也越小。水位變化與頂板來壓的這種關系稱作水位與來壓的宏觀聯動效應，其表現形式與前面所述微觀聯動效應相比，宏觀聯動是反應整個來壓過程中水位變化的特點，微觀聯動僅反應來壓過程中每次采動時水位的變化特征，屬于整體和局部的關系。利用水位宏觀聯動與微觀聯動的特征，可以判斷工作面來壓強度及其是否具有壓架的危險性。

3　基于長觀孔水位降速的壓架突水災害預警方法

通過水位下降速度可以對工作面壓架突水災害進行預警，預警的關鍵在于確定具體開采條件下發(fā)生壓架突水的水位降速臨界值。總結以往的壓架突水災害案例，發(fā)現工作面發(fā)生壓架時，必然發(fā)生突水事故。因此，在進行壓架突水災害預警時，以工作面不發(fā)生壓架作為壓架突水災害預警的目標。

根據長觀孔水位隨覆巖運動的變化規(guī)律，結合地下水動力學的相關原理，建立含水層水位降速與工作面來壓強度(活柱下縮量)之間的關系，見式(1)：

(1)

式中：

h—工作面切頂高度，即活柱下縮量，m；

L—工作面面長，m；

Lm—主關鍵層周期來壓步距，m；

S—巖塊在采空區(qū)的下沉量，m；

Q—采動引起的水流流量，m3/h；

T—含水層導水系數，m2/d；

u—含水層流速，m/d，u=r2μ*/4Tt；

t—水位下降到最低點的所用的時間，d；

μ*—含水層的貯水系數，m2/d；

r—長觀孔距采動區(qū)域的距離，m.

式(1)反映了含水層水位降速與工作面來壓強度(活柱下縮量)之間的關系，KH為一段時間內的平均水位降速，h為支架活柱下縮量。

根據7131工作面第II塊段的開采條件，煤層平均采高取3.5 m，假設發(fā)生壓架危險，工作面采煤機最小不可通過采高為2.7 m，即活柱下縮量最大為0.8 m；工作面面長為161 m；主關鍵層周期來壓步距取23 m；巖塊在采空區(qū)的下沉量為3.07 m；含水層導水系數137.8 m2/d；根據以往SQ8的水文數據資料，水位從開始下降到最低點所用的時間為6天左右；含水層的貯水系數1.5×10-5m2/d；長觀孔距采動區(qū)域的距離757.96 m；含水層流速u取值為0.002 6 m/d；函數f[r2μ*/(4Tt)]取值為140，代入公式(1)后，計算得出針對7131工作面的臨界水位降速預警值為315 mm/d，即在7131工作面第II塊段的開采過程中，若發(fā)現SQ8水位降速超過315 mm/d時，便需要及時提出預警。

根據7131工作面第III塊段的開采條件，煤層平均采高取3.6 m，假設發(fā)生壓架危險，工作面采煤機最小不可通過采高為2.7 m，即活柱下縮量最大為0.9 m；工作面面長為161 m；平均周期來壓步距取24.6 m；巖塊在采空區(qū)的下沉量為3.25 m；含水層導水系數137.8 m2/d；根據以往SQ8的水文數據資料，水位從開始下降到最低點所用的時間為8天左右；含水層的貯水系數1.5×10-5m2/d；長觀孔距采動區(qū)域中心的距離547.8 m；含水層流速u取值為0.002 6 m/d；函數f[r2μ*/(4Tt)]取值為140，代入公式(1)后，計算得出針對7131工作面的臨界水位降速預警值為507 mm/d，即在7131工作面第III塊段初采區(qū)域的開采過程中，若發(fā)現SQ8水位降速超過507 mm/d時，便需要及時提出壓架突水災害預警。值得說明，該預警值適用于工作面距離SQ8長觀孔較近的區(qū)域，初步確定為第III塊段開采初期的前300 m，后期的預警需要根據工作面來壓情況進行計算。

由于長觀孔水位變化與采動存在著微觀聯動與宏觀聯動效應，有時當天的水位下降量可能已經達到了預警值，但是水位由于回采的結束而發(fā)生明顯、快速的上升，并沒有出現持續(xù)的大幅度下降，這種情況下的壓架突水災害預警則應按照以下步驟進行：首先當單日降速超過預警值時，需要對前2～3天的水位下降特點進行綜合分析。通過計算近2～3天的平均降速，并與預警值對比，若發(fā)現水位呈連續(xù)下降現象，水位降深累計超過1 m，再結合工作面壓力情況，如果工作面普遍劇烈來壓并發(fā)生活柱大量下縮 的情況，那么需要發(fā)布壓架突水災害預警。

4　建立壓架突水災害預警系統(tǒng)

通過采集分析水位原始數據并進行后期的處理分析，可以形成一套完整的基于長觀孔水位降速的壓架突水災害預警系統(tǒng)，通過實時記錄、采集水位數據，利用軟件進行自動分析后，計算得出實測的水位降速值。將實測水位降速值與理論計算所得的臨界水位降速預警值相比，確定是否需要進行壓架突水預警。該方法能夠利用實時采集的水位數據，結合采動覆巖破壞特征，提高突水預警的時效性和準確性。

運用該方法進行突水災害預警時可按下述步驟進行：

1) 建立長觀孔水位數據采集系統(tǒng)。建立含水層水位變化的長觀孔水位觀測系統(tǒng)，包括地面觀測子站、水位數據的遙測系統(tǒng)、本地和遠程用戶管理終端。

2) 選擇進行水位預警數據來源的地面長觀孔。水位預警需要采集一個或是多個長觀孔的水位變化數據，所選用的長觀孔應位于要預警的工作面附近，且對采動的敏感性較強。

3) 確定含水層及所對應長觀孔的相關水文地質參數。包括含水層水流流速、貯水系數、導水系數、水文觀測孔與采動區(qū)域間的距離等。

4) 確定所要預測工作面的基本參數和存在突水危險的臨界頂板下沉數據。工作面基本參數包括：煤層采高、主關鍵層來壓步距、工作面面長、煤層頂板與主關鍵層間基巖厚度、主關鍵層以下巖層的碎脹系數；假定存在突水危險時的臨界頂板下沉數據：工作面具有突水危險時關鍵層破斷塊體在端面和采空區(qū)的頂板下沉量等。

5) 計算突水危險臨界水位降速預警值。根據引起水位下降的基巖頂界面下沉漏斗體積等于采空區(qū)最大上傳空間體積的關系，反算當工作面發(fā)生大面積切頂導致突水時能夠引起的最小水位降速值，作為防治突水災害發(fā)生的臨界水位降速預警值。

6) 進行工作面突水災害預警。根據以上步驟所計算得到的臨界水位降速預警值，與長觀孔水位遙測系統(tǒng)所采集的實際水位降速值對比，若實測水位降速值小于理論計算的臨界水位降速預警值，則無突水危險；若實測水位降速值大于理論計算的臨界水位降速預警值，則存在突水危險。

7) 指導現場開采實踐。根據水位降速預警結果，對本礦的開采實踐進行指導，在具有突水危險的工作面，需要及時采取防范措施；對于集團級的用戶終端，可以及時了解、掌握工作面所面臨的危險狀態(tài)，實現與礦級用戶的共同指揮。

5　總　結

通過以上研究發(fā)現，水位與采動之間存在聯動關系，即工作面回采便會引起長觀孔水位的升降變化。通過計算近2～3天的平均降速，并與預警值對比，若發(fā)現水位呈連續(xù)下降現象，水位降深累計超過1 m，再結合工作面壓力情況，如果工作面普遍劇烈來壓并發(fā)生活柱大量下縮的情況，那么需要發(fā)布壓架突水災害預警，同時依據地質條件建立了基于長觀孔水位降速的壓架突水災害預警系統(tǒng)。

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