高承壓野青工作面礦壓顯現與水壓力變化關系研究

武文清

（冀中能源峰峰集團邯鄲寶峰礦業有限公司 九龍礦，河北 邯鄲 056200）

1 概 況

15449S 工作面為九龍礦2009 年恢復生產以來，開采的第二個野青工作面，也是開采標高最深的一個工作面。在回采過程中，工作面頂板來壓頻繁，造成回采進度緩慢。該工作面采前雖采取了地面區域治理工程，對工作面布置范圍內煤層底板奧陶系灰巖含水層進行超前探查和注漿加固工作并進行鉆探驗證，但回采期間仍有出水現象。因此，在工作面回采過程中有待于通過各項水文數據監測，對區域治理后的工作面涌水量、觀測孔水位及礦壓之間的變化聯系進行分析總結，找出礦壓與水壓之間的變化規律，為今后野青工作面頂板來壓進行預警和安全回采提供重要技術依據。

2 工作面水文地質情況

2.1 工作面概況

15449S 工作面為九龍礦北翼4 號煤（野青）工作面，2005 年 11 月 21 日～12 月 12 日，河北省煤田物測隊對九龍礦北翼深部進行了三維地震勘探工作，勘探面積為3.5 km2。共完成三維地震線束20 條，線束物理點2 916 個；試驗點位3 個，試驗物理點34 個，總物理點2 950 個。2006 年10 月提交了《峰峰集團有限公司九龍礦北翼二水平三維地震勘探報告》，初步查明了區內主要可采煤層的埋藏深度及構造形態，勘探區內未發現直徑大于20 m×20 m 的陷落拄，共解釋出17 條正斷層，于2006 年11 月評審通過。

該工作面煤層賦存較穩定，煤層結構為單一煤層，上順槽煤厚1.0～1.4 m，切眼煤厚1.0～1.1 m，下順槽煤厚為1.0～1.4 m，平均煤厚1.2 m，煤層傾角16°～20°。煤層頂板為2.1 m 厚野青灰巖；直接底板為5.8 m 厚粉砂巖。15449S 工作面地面標高+115—+130 m，井下標高-820—-890 m。北部為北五采區軌道暗斜井，東部為井田邊界，南部為工業廣場保護煤柱，西部為待掘15447S 工作面。工作面走向長度586～618 m，傾斜長度124～126 m，開采面積71 290 m2，可采儲量約11.9 萬t。工作面構造簡單，F35 斷層在北五采區軌道下山暗斜井、北五采區風暗斜井已經揭露過，揭露時落差為25 m 左右，位置可靠，位于工作面東部，未進入工作面；f01 斷層在工作面下巷揭露，揭露時落差為H=0.6 m∠70°；f02 斷層在工作面下巷揭露，揭露時落差為H=0.2 m∠30°；f03 斷層在工作面切眼揭露，揭露時落差為H=0.4 m∠35°；f04 斷層在工作面切眼揭露，揭露時落差為H=0.7 m∠86°；f05 斷層在工作面切眼揭露，揭露時落差為H=0.8 m∠65°。

2.2 工作面水文地質條件

根椐勘探情況及巷道掘進揭露分析，影響該工作面安全開采的含水層主要有4 號煤層頂部的石炭系野青灰巖、煤層底板的山伏青灰巖、大青灰巖等薄層灰巖含水層，威脅工作面開采的含水層為煤系基底的奧陶系厚層灰巖含水層。

（1） 野青灰巖含水層。野青灰巖為野青煤直接頂板，野青灰巖平均層厚2.1 m，經野青巷道實際揭露證實，該含水層水量較小，主要以滴、淋水形式涌入工作面，對工作面回采影響很小。

（2） 山伏青灰巖含水層。伏青灰巖上距4 號煤底板間距36 m 左右，山青灰巖平均層厚0.5 m，伏青灰巖平均層厚3 m 左右，該含水層富水性不均一，經工作面底板驗證孔鉆探揭露證實水量很小，對工作面回采影響很小。

（3） 大青灰巖含水層。大青灰巖為大青煤直接頂板，層位和厚度均穩定，厚度5 m 左右。根據各底板驗證孔實際揭露情況比對分析，大青灰巖頂上距4 煤底板間距72 m 左右，屬灰巖裂隙巖溶水中等含水層。經實際鉆探揭露證實單孔涌水量為0.01（5-2 孔） ～0.16 m3/min（4-2 孔），水位標高為 -625.5 m（5-3 孔） —-407.4 m（6-1 孔）。富水性不均勻，局部富水性相對較強（表1）。

（4） 奧陶系灰巖含水層為煤系地層基底，奧灰含水層總厚度500～600 m，根據地面施工各分支水平孔和井下底板驗證孔（5-1 孔和6-2 孔） 揭露情況，含水層頂面上距4 號煤底板層間距一般厚度在 105 m 左右，水質類型為 Cl·SO4-Ca·Na 型，近3 a 水位標高+95.62—+117.76 m。由于該含水層分布面積廣、厚度大，具有巨大的動、靜水儲量，為該工作面煤層底板防治水的主要對象。

綜上分析，工作面充水水源主要為頂板野青灰巖水和底板各薄層灰巖含水層水，充水通道為煤層頂、底板導水裂隙帶。底板主要強含水層（奧灰含水層水） 在無垂向補給通道、陷落柱等破壞情況下，對上部4 號煤開采無影響。

2.3 工作面構造及導水通道分析

在15449S 工作面及外圍范圍內，施工注漿主孔1 個，分支水平孔9 個，孔間距為40 m，控制層位在奧灰頂面以下35 m 左右，合計鉆探進尺9 381.8 m。結合地面區域注漿漏失點位置和采前綜合物探成果報告，有針對性的設計施工完成了底板驗證孔12 個，依據工作面底板驗證孔實際揭露各含水層觀測，山伏青灰巖含水層最大涌水量為0.06 m3/min，大青灰巖含水層最大涌水量為0.16 m3/min。根據工作面區域治理分支水平孔和底板驗證孔探查資料分析，工作面內未發現隱伏（含） 導水構造，揭露的斷層均為小斷層，正常情況下不富水、不導水。

2.4 工作面地面區域治理工程

通過水平鉆進探查到明顯漏失點21 個，并對漏失點進行注漿加固，合計注水泥及粉煤灰27 346 t。通過地面區域治理工程，采取即漏即注的技術措施，對導（含） 水構造進行注漿、加固，切斷了奧灰含水層垂向補給上覆巖層的通道，增強了工作面煤層底板巖層的阻隔水性能。

表1 15449S 工作面底板驗證孔水文數據一覽Table 1 Hydrologic data list of verification holes in 15449S working face bottom plate

3 礦壓顯現與水壓力變化關系

3.1 工作面頂板來壓與水位變化情況

為了找出礦壓與水壓之間的變化規律，工作面回采前，在停采線附近底板設計施工了山伏青觀測孔，山伏青含水層距工作面底板間距36 m 左右。觀測孔初始水量0.15 m3/min，水壓5.51 MPa。為方便觀測，在觀測孔上安裝了壓力傳感器，實時在線觀測。15449S 工作面自2016 年6 月開采至2017年10 月，上巷已推進189.79 m，下巷已推進213.61 m，平均推進201.7 m。工作面老頂初次來壓步距平距為69.8 m，周期來壓步距在3.42～17.4 m，平均為9.84 m。工作面每次頂板來壓時，水量、微震事件個數、觀測孔水壓情況如圖1、表2所示。

圖1 工作面礦壓顯現與水壓力變化關系Fig.1 Relationship between ore pressure development and water pressure change in working face

表2 工作面頂板來壓與水位變化情況一覽Table 2 Roof pressure and water level variation of working face

可以看出，工作面頂板來壓前工作面涌水量呈下降趨勢，工作面山伏青觀測孔水位上升；頂板來壓期間，觀測孔水位已上升到最大值，涌水量開始增加。工作面頂板來壓結束后，觀測孔水位開始下降，涌水量趨于平緩后緩慢下降。工作面頂板來壓前后，涌水量與觀測孔水壓（位） 呈規律性變化。

3.2 礦壓顯現與水壓力變化關系分析

通過工作面微震監測系統分析，工作面頂板來壓前事件較集中在野青灰巖以上20 m，2 煤底板以下20 m 的砂巖中，來壓后大煤頂板事件增多，采空區頂板也出現大煤頂板事件，說明大煤頂板至4煤處有裂隙產生。底板事件相對較少，主要發育在山伏青含水層以上層位，工作面來壓時微震事件數量也呈規律性變化。因此，由于工作面底板破壞深度剛好到山伏青含水層，也為其水位變化與礦壓之間的響應關系提供了技術保障。

工作面頂板來壓時，根據支架框壓監測顯示承受壓力高達25～100 MPa，證實隨著工作面開采深度和回采面積的不斷增加，當覆巖發生斷裂將要跨落時，底板承受著巨大的支承壓力，對底板巖體造成破壞。隨著應力集中區的逐漸增大，致使底板巖體發生破壞，底板巖層的隔水性能降低，造成底板薄層灰巖承壓水的涌入。

綜上所述，工作面頂板來壓前底板裂隙處于閉合狀態，涌水量呈下降趨勢。由于出水量減小，補給量不變，山伏青觀測孔水位呈上升趨勢。頂板來壓期間，工作面底板裂隙處于張開狀態，涌水量開始增大，觀測孔水位已上升到最大值開始下降。來壓過后，觀測孔壓力持續下降，水量趨于平緩后緩慢下降，直至到下次工作面來壓前開始下個循環。工作面頂板來壓前后，涌水量與觀測孔水壓（位）均呈規律變化。

4 結 論

（1） 通過分析工作面礦壓與水壓力之間的關系，總結出了高承壓野青工作面礦壓顯現與水壓力變化關系響應規律，解決了高承壓野青工作面來壓時間和步距不規律，難以準確預測的難題。

（2） 成功應用高承壓野青工作面礦壓顯現與水壓力變化關系響應規律，進行采動應力、水壓力、涌水量的預警預報，確保了工作面安全帶壓開采。

（3） 工作面底板以下27 m 有微震事件，說明底板已破壞至山伏青層位。工作面每次頂板來壓時，底板裂隙被壓開，工作面涌水量開始變大，鉆孔水位急劇下降。隨著工作面回采，頂板逐漸垮落壓實采空區底板，導水裂隙通道被壓實，涌水量開始減小，鉆孔水位開始上升。當觀測孔水位上升到一定值后（3 MPa 左右），預示著工作面下次頂板來壓開始。

（4） 工作面經過地面區域治理后，工作面水文地質條件得到了改造，有效降低了奧灰含水層大水量突水的風險，達到了保水開采的目的。