煤礦涌水量預測及防治策略研究

陜育博

(晉能控股煤業集團西河煤礦，山西 陽城 048100)

引 言

一直以來，煤礦安全生產備受企業及作業人員的關注。影響煤礦安全生產的主要威脅包括有瓦斯濃度超標、透水事故以及設備、系統可靠性低等。針對煤礦綜采工作面的透水事故展開研究。一般情況下，為解決煤礦的透水事故的發生常需采用相應的措施對其含水層等進行控制，所采用防水策略及措施的可行性和有效性是建立對工作面涌水量準確預測的基礎上完成。本文將對煤礦涌水量進行預測，并針對性的提出相應的防治水策略。

1 工程概述

本文以某煤礦的31013工作面為例開展研究，31013工作面的走向長度為2 120 m，工作面寬度為240 m，傾斜工作面的長度為80 m，煤層傾角范圍為35°～42°，平均傾角為37°，該工作面煤層的平均厚度為3.8 m。經現場探測可知，工作面煤炭的容重為1.43 t/m3，目前可供開采的煤炭儲量有275 768萬t。31013工作面的頂底板情況，如表1所示。

表1 31013工作面頂底板情況

水文情況：31013工作面的最大涌水量可達30 m3/h；瓦斯情況：31013工作面瓦斯的絕對涌出量可達0.43 m3/min，瓦斯相對涌出量可達2.65 m3/t。

2 礦井涌水量預測模型的建立

結合31013工作面水文地質條件，經研究可知：在實際生產中該工作面的涌水量主要來源于工作面頂板進水，從而導致上覆含水層被破壞，進一步增大該工作面中的含水層。此外，由于工作面巖層中裂隙發育的原因，導致工作面含水層透水性能越來越大[1]。因此，繼續對工作面中透水性能越來越大的含水層進行疏放操作。在上述分析的基礎上，針對31013工作面將其開采后對應的含水層涌水模型設計，如圖1所示。

圖1 31013工作面涌水量模型

如圖1所示，將31013工作面開采后的煤層分為四個層面，主要為未被破壞的含水層、已經被破壞的含水層、導水裂隙帶和煤層。其中，對含水層破壞的主要威脅源為導水裂隙帶[2]。

3 礦井涌水量的預測

結合該工作面往年涌水量和本年度涌水量對未來涌水量進行預測。為保證涌水量預測的準確性和全面性。基于圖1所建立的滲透補給模型、傳統大井法和水文地質法對該工作面的涌水量進行綜合預測[3]。

3.1 模型預測

經對該工作面進一步探測，其包含有延安-直羅組含水層和洛河-宜君含水層。因此，需對上述兩個含水層的涌水量整體預測。導水裂隙帶發育高度為影響工作面涌水量的關鍵因素[4]。因此，需根據該工作面的煤層、地質等條件基于式(1)求得其對應的導水裂隙帶發育高度。

H=h(15.682-1.983h+1.16l)

(1)

式中，h為工作面的煤層高度，h=3.8 m；l為工作面的寬度，l=240 m。將取值代入式(1)計算得出該工作面的導水裂隙帶發育高度值為177.56 m。

將計算所得的導水裂隙帶寬度導入如圖1中的涌水量模型中，得出延安-直羅組含水層的涌水量為132 m3/h；洛河-宜君含水層的涌水量為119 m3/h。因此，基于涌水量模型得出該工作面的涌水總量為251 m3/h。

3.2 基于傳統大井法預測涌水量

基于傳統大井法對工作面涌水量進行預測，除了考慮上述延安-直羅組含水層和洛河-宜君含水層外，還需考慮煤層頂板的砂巖含水層。此外，基于傳統大井法對工作面涌水量的預測需綜合考慮該工作面的滲透系數、水柱高度、含水層的厚度以及該預測方法對應的引用半徑等相關。

鑒于篇幅有限，此處不對每個含水層的涌水量進行計算。綜合上述分別得出延安-直羅組含水層的涌水量為50 m3/h；洛河-宜君含水層的正常涌水量為36.02 m3/h；煤層頂板砂巖含水層的涌水量為50 m3/h。因此，基于傳統大井法可得出31013工作面的正常涌水總量為：50 m3/h+50 m3/h+36.02 m3/h=136.02 m3/h。

3.3 基于水文地質比擬法預測涌水量

所謂水文地質比擬法指的是對已開采工作面涌水量的實測值與已開采工作面的相關特征參數進行比對，從而實現對涌水量的預測，其所依據的公式，如式(2)所示。

(2)

式中，QI為已開采工作面的涌水量；SI為已開采工作面的工作面面積；Q2為預測工作面的涌水量；S2為預測工作面的工作面面積。本文所選擇已開采工作面的長度為1 943 m，對應寬度為180 m，該工作面實際測得正常涌水量為120 m3/h；本文所預測工作面的長度為2 020 m，寬度為240 m，根據式(2)得出該工作面的預測涌水量為：166.34 m3/h。

綜上所述，為保證基于涌水量預測所采用防水措施能夠有效對工作面含水層進行防治。選用基于模型所得的涌水量提出防治水措施[5]。

4 礦井水防治策略

結合對煤礦涌水量預測的結果，為確保工作面的安全性生產還需采取一定的防治水措施，具體防治水工作可從以下幾個方面開展。

1) 開采前采用物探手段進行探測，先對砂巖裂隙的含水層進行疏水操作，而后對覆巖地質軟弱的位置進行注漿加固；

2) 當工作面進行開采或者掘進時需嚴格控制施工質量，防治工作面頂板出現局部冒頂的事故；

3) 準確掌握工作面地質、水文以及巖層等條件，掌握工作面各個含水層的水位動態；

4) 為避免工作面頂板巖層被非均衡破壞、局部抽冒和突水潰砂現象的發生，在實際開采過程中應保證工作面推進快速且均衡；根據31013工作面特征，要求工作面采高不超過4 m，并確保通風機和排水設備可正常運行。

5 結語

煤礦透水事故嚴重威脅著綜采工作面的安全生產。在實際生產過程中常對工作面含水層進行疏水操作，并采取相應的注漿加固措施解決工作面透水事故的發生。為保證工作面防治水措施的可行性和有效性，需精確預測得出所研究工作面的涌水量，為防水策略的制定奠定基礎。