近距離煤層開采上覆采空區積水量估算及探放水效果評價

張 澤，劉林崗，劉向輝

(陜西能源投資股份有限公司煤業分公司，陜西 西安 710000)

0 引言

涼水井煤礦42112～42115這4個工作面位于421盤區中北部，工作面均呈東西向布置，西部4-2號煤層開采范圍位于3-1號煤層采空區之下。該礦采用下行式開采，即先開采3-1號煤層，然后開采4-2號煤層，3-1與4-2號煤層之間平均距離39 m，4-2號煤層開采冒裂帶直接溝通上覆3-1煤采空區。由于上覆3-1號煤層采空區接受大氣降水、地表水、松散含水層等水源補給，形成了積水采空區，在開采下煤層時，42112～42115工作面將受3-1號煤層采空區積水影響，工作面回采期間存在突水、淹面的危險，必須對上覆3-1號煤層采空積水進行有效探放。為了確保探放水效果，需要對采空區積水范圍、積水量進行估算，合理設計探放水鉆孔，對疏放水量進行動態監測，評價探放水效果，為近距離煤層群安全開采提供可靠保障。

1 3-1號煤層采空區分布及充水條件分析

1.1 采空區分布

3-1號煤層分布于涼水井煤礦井田西部邊界，目前已完成31103、31102工作面的回采，形成了大面積采空區及廢棄巷道并積存有大量積水。其中，采空區面積為36.94萬m2，為31102、31103這2個工作面開采區域；廢棄巷道長度為1 487 m，廢棄巷道主要分布于工作面采空區的南側。4-2號煤層平均厚度3.3 m，距上覆3-1號煤層間距為32～43 m，平均間距為38 m，通過計算，4-2號煤層開采后導水裂隙帶最大發育高度為52.28 m，已完全貫穿至3-1號煤層采空區。導水裂隙是4-2號煤層的直接充水通道，因此，當42112～42115工作面回采至采空積水壓覆區時，上覆3-1號煤層采空積水將直接沿導水裂隙帶涌入42112～42115工作面。

1.2 開采充水條件分析

1.2.1 含(隔)水層特征

3-1煤層平均采厚3.2 m，平均埋深102 m，地表全部被第四系覆蓋，地層由老至新依次為：侏羅系中統延安組第四段(J2y4)、新近系上新統保德組(N2b)、第四系中更新統離石組(Q2l)、上更新統薩拉烏蘇組(Q3s)、全新統風積沙(Q4eol)。其中，煤層頂板巖性以弱-強風化的粉砂巖、細粒砂巖、中粒砂巖為主，節理、裂隙較發育，整體穩定性較差，屬軟弱-中等易冒落頂板。

根據地下水的賦存條件及含水層水力特征，含(隔)水層自上而下依次分別為第四系松散層潛水含水層(Q3s+Q4eol)、黃土及紅土相對隔水層(N2b+Q2l)、侏羅系碎屑巖類風化帶孔隙裂隙承壓含水層(J2y4)、燒變巖孔洞裂隙含水結構。其中，侏羅系碎屑巖類風化帶孔隙裂隙承壓含水層(J2y4)、燒變巖孔洞裂隙含水結構富水性較強，為主要含水層。由于采動塌陷影響，隔水條件發生一定的變化，采動塌陷裂隙已成為大氣降水滲入井下的良好通道[1-3]。

1.2.2 地下水補給、徑流及排泄條件

第四系松散層潛水以大氣降水為主要補給來源，并接受少量的沙漠凝結水補給。潛水面起伏與現代地形起伏基本一致，所以地下水的徑流受地形控制，流向由高至低與現代地形基本吻合，局部受地層結構影響有所改變[4-6]。

承壓水除在3-1號煤層基巖裸露區通過風化裂隙帶直接得到大氣降水補給外，潛水越流及“天窗”為主要補給途徑，徑流基本順巖層傾向由東北向西南方向。整體上，承壓水無統一隔水頂板和統一補給區，因沉積層序的粒級不同，粒度橫向均有交替變化性。承壓含水層在橫向上具有不連續性，垂向上具有分段性，儲水空間相對封閉，水量小、水質差、排泄條件差。

1.2.3 充水因素分析

充水水源：依據3-1號煤層水文地質條件及煤層覆巖結構類型，工作面充水方式分為直接充水和間接充水2種。工作面回采后，上覆巖層呈全厚切落式破壞，裂隙直接發育至地表，因此，區內大部分地段松散層潛水和地表水為直接充水水源。大氣降水、地表水入滲后先補給松散含水層，再進入井下，大氣降水為間接充水水源。大氣降水、地表水和地下水相互之間具有一定的水力聯系[7]，各類水源匯集于采空區。

充水通道：煤層開采所形成的冒落、裂隙為主要導水通道。煤層開采后，冒落帶和導水裂隙帶波及地表或第四系松散砂層含水層，從而引起地表水、大氣降水和地下水涌入井下[8]。

直接充水通道及充水含水層：經計算，3-1號煤層采后導水裂隙帶最大發育高度為52.71 m。從采空區地表變形調查來看，地表裂縫已遍布采空區全段，說明上覆巖層移動已不遵循有規律的“三帶”發展，綜采工作面煤層覆巖移動方式為淺埋厚煤層頂板的全厚切落方式。無明顯的“三帶”發育，煤層頂板巖層除接近頂板部分的巖層有一定碎脹效應外，上部巖層基本是整體垮落，導水裂隙帶已完全貫穿至地表。導水裂隙帶是礦井涌水的直接充水通道，松散層潛水是礦井直接充水含水層[9]。

2 積水區分析及積水量估算

分析研究采空區積水范圍及積水量是探放水設計的重要環節，在詳細收集地質、水文地質資料的基礎上，通過采掘工程平面圖分析確定采空范圍和積水量，指導老空水防治工作[10]。文中積水區劃分及積水量估算是在前期預放水工作的基礎上完成的，已疏放了采空區動態補給量，僅考慮靜態積水量。

2.1 采空積水區劃分

通過對采掘期間收集的3-1號煤層底板標高繪制了采空區底板等高線圖，如圖1所示。從圖1中可以看出，采空區整體呈現為東南高西北低，傾角為1°左右緩緩向西北的單斜構造。采空區最高點位于31103回風巷一線，標高為+1 186 m；最低點位于31102切眼西北角，標高為+1 175 m。此外，廢棄巷道最低點位于31102工作面回撤通道一帶，標高為+1 177 m。由3-1號煤層開采期間對工作面及巷道涌水規律的觀測可知：除局部底板起伏區域外，采空區涌水均匯集于低洼區域。根據采空區及廢棄巷道分布情況，將3-1號煤層采空積水區域劃分為3個主要區域，分別為1號積水區——廢棄巷道積水區；2號積水區——31103采空區積水區；3號積水區——31102采空積水區。

圖1 采空區底板等高線及積水區分布Fig.1 Contour line of goaf floor and distribution of ponding zone

2.2 積水區分布及積水量估算

2.2.1 積水區分布及水力聯系分析

1號積水區：1號積水區主要為廢棄巷道積水，分布于采空區北側，積水巷道長度1 487 m，最低點位于31102工作面回撤通道一帶，標高為+1 177 m，大致上為該區域中心位置，巷道向四周標高逐漸升高，最高點標高為+1 188 m。由于廢棄巷道與工作面采空區及開口位置均設置了永久密閉(擋水墻)，與采空區無水力聯系。因此，1號積水區可視為一個獨立積水區，積水水位標高為+1 188 m，即廢棄巷道均充滿水，其主要接受頂板、煤壁涌水補給，根據封閉前觀測情況判斷，廢棄巷道穩定涌出量為24 m3/h(旱季)、38 m3/h(雨季)。

2號積水區：2號積水區分布在31103采空區膠運巷一側，積水面積為59 262 m2，最低點基本沿膠運巷延伸分布，標高為+1 181～+1 182 m，向東采空區底板逐漸升高。31103采空區與31102采空區中間留設了15 m的煤柱，設置有5個聯巷相互聯通，各聯巷設置了密閉并自底板以上1 m左右安設了導水管。因此，基本可認為31103采空區動態涌水量均已通過導水管匯流至31102采空區，2號積水區積水標高為+1 184 m左右。根據封閉前觀測情況判斷31103采空區穩定涌水量為36 m3/h(旱季)、67 m3/h(雨季)。

3號積水區：3號積水區分布在31102采空區回風巷一側，積水面積為109 372 m2，標高為+1 175～+1 178 m，平均標高為+1 176 m，最低點為采空區西北角，標高為+1 175 m，向東采空區底板逐漸升高，整個3-1號煤層采空區動態涌水量補給均匯流至3號積水區。在對3號積水區進行預疏放的前提下，基本可判定3號積水區積水標高為+1 180 m左右。根據封閉前涌水量觀測記錄顯示，31102采空區穩定涌出量為56 m3/h(旱季)、84 m3/h(雨季)。

2.2.2 積水區水量計算

老空積水量與老空區體積、充水系數有關，目前國內煤礦較常用的老空區積水計算公式為

Q積=∑Q采+∑Q巷

(1)

(2)

Q巷=WLK

(3)

式中，Q積為老空積水量，m3；Q采為采空區積水量，m3；Q巷為巷道積水量，m3；K為充水系數，采空區取0.35，巷道取1.0[11]；M為采厚，m；F為采空積水區的水平投影面積，m2；L為積水巷道長度，m；W為積水巷道斷面積，m2；α為煤層傾角，(°)。

通過對劃分的積水區水量計算，3-1號煤層老空區積水總量為221 270.1 m3，見表1。該部分積水直接威脅下層煤4-2號煤層的安全開采，必須對其進行探放。

表1 3-1號煤層老空積水計算

3 探放水方案設計

3.1 探放水技術方案

3.1.1 探放水總體原則

根據3-1號煤層采空區封閉計劃以及42112～42115采掘接續計劃安排分析，3-1號煤層采空區封閉時間為2016年7月，42112工作面計劃于2017年2月底進入3-1號煤層采空區壓覆開采，此時，42113工作面順槽已形成，42114、42115順槽尚未形成。從3-1號煤層采空區特征及其與被壓覆的42112～42115工作面開采區域空間、時間關系分析認為，無法在采空區西北位置的最低點對采空積水進行探放。因此，為合理高效地對采空區積水進行探放，探放水總體原則為提前施工鉆孔對采空區動態補給水量進行預放，防止老空積水面積及積水量增大，隨著42112～42115工作面的開采及掘進，再分段分時對采空積水進行區段式逐步探放[12]。

3.1.2 鉆孔布置

此外，考慮到采空區的泥(砂)易涌出，在放水過程中鉆孔被堵塞的概率較大，當被堵后放水鉆孔排水量減少甚至無水，容易造成技術人員對探放水效果的誤判，進而形成安全隱患。因此，在每個探放水階段，均在積水區低位施工1～3個放水孔，低位施工1～2個觀測孔，探放水鉆孔布置如圖2所示。

圖2 鉆孔設計布置Fig.2 Design of borehole layout

3.1.3 探放水階段

為保證對采空積水水量進行監控，保證積水能夠得到充分疏放，將探放水分為如下3個階段。

第1階段：在3-1號煤層采空區封閉前，在42112注氮硐室處施工1個排水鉆孔至31102采空區回風側密閉處，將采空區動態涌水量引入4-2號煤層，并通過獨立排水管路排出礦井，從而防止采空區積水面積及積水量增大，本階段設置1個排水鉆孔。

第2階段：42112工作面開采臨近上覆采空區前，在42112輔運巷施工鉆孔，對1號積水區進行探放，在42113輔運巷對2號、3號積水區進行第1次探放，將42112、42113工作面上覆采空積水探放完畢，保證2個工作面的安全回采。本階段共布設放水孔4個，即T2-1、T2-2、T3-1、T3-2；觀測孔4個，即G2-1、G2-2、G3-1、G3-2。

第3階段：在42114工作面開采臨近上覆采空區前，在42114、42115輔運巷對2號、3號積水區進行第2次探放，將42114、42115工作面上覆采空區探放完畢，最終實現將3-1號煤層采空區積水徹底疏放。本階段共布設4個放水孔，即T2-3、T3-3、T3-4、T3-5；2個觀測孔，即G2-3、G3-4。

3.2 采空區積水排放技術方案

排放上覆采空區積水的傳統方法是將采空區的積水通過放水鉆孔排放至巷道底板后經小水泵抽排至巷道的水窩、水倉，再通過排水管路經盤區水倉、中央水倉排至地面污水處理廠。這樣，將導致井下排水系統工程量大、排水系統中轉環節復雜、排水設備多、排水崗位多，采空區清水抽至地面后易被污染，需凈化處理，增加了地面污水廠處理壓力及費用。因此，結合現場實際，針對綜采工作面上覆采空區面積大、積水量大的特點，從提高排放效率、降低投入、減少污染等方面入手，改變傳統的采空區積水二次落地的排水方案。采用孔對管直排技術，將放水孔與獨立排水管路連接，從而實現采空積水在水壓差作用下自流至08機頭硐室水倉→02機頭硐室水倉→地面高位水池→水處理站→礦井地面、井下用水。從而簡化排水系統，降低因排水設備故障影響放水及積水情況的發生，最大程度降低生產成本，同時，解決礦井工業用水不足的問題，以期實現安全、高效、綠色排放水，從而確保下層煤綜采工作面安全順利回采。

4 探放水效果評價

針對3-1號煤層采空區積水的防治工作，根據探放水技術方案設計，已完成第一、二階段的探放水工作，及42112工作面過上覆采空區的開采。所有探放水鉆孔均使用ZDY1900L(P)履帶式全液壓坑道鉆機按照設計的鉆孔參數施工，安設6.0 m孔口管，終孔孔徑為75 mm。

4.1 第1階段探放水及效果評價

4.1.1 工程實施

3-1號煤層采空區于2016年7月上旬封閉，在此之前于2016年3月下旬完成了鉆孔J預出水口的施工，并將3號積水區所在31102采空區動態涌水通過鉆孔自流至4-2號煤層，再將鉆孔J預出水口與獨立排水管路連接，在水壓差作用下自流至08機頭硐室水倉→02機頭硐室水倉→地面高位水池→水處理站→礦井地面、井下用水。

4.1.2 效果評價

在第2階段實施前，該鉆孔穩定涌水量約為45 m3/h(旱季)、85 m3/h(雨季)，與之前觀測的采空區涌水量基本平衡，說明采空區動態涌水量基本已引流至4-2號煤層，采空區積水面積及積水量保持穩定，據預疏放水鉆孔進水口標高(+1 180.5 m)對采空區積水面積、積水量以及積水區的劃分提供了可靠的依據。此外，該放水孔在后期作為3號積水區探放水的觀測孔。

4.2 第2階段探放水及效果評價

4.2.1 工程實施

2016年9～10月，先后完成了放水孔T1-1、T2-1、T2-2、T3-1、T3-2及觀測孔G2-1、G2-2、G3-1、G3-2等9個鉆孔的施工，各鉆孔均按設計參數施工至目標靶區。其中，T1-1為1號積水區放水孔；T2-1、T2-2、G2-1、G2-2為2號積水區42112～42113上覆區域探放水孔；T3-1、T3-2、G3-1、G3-2為3號積水區42112～42113上覆區域探放水孔。

4.2.2 效果評價

1號積水區探放水效果評價：如圖3所示，1號積水區放水鉆孔T1-1于2016年9月9日施工完成并開始放水，最大放水量110 m3/h，隨著放水時間延續，鉆孔涌水量逐漸減小，至9月30日，歷時21 d，趨于穩定。此時，穩定涌水量為30 m3/h，穩定涌水量與前期觀測的1號積水區動態補給量相差無幾；總放水量為40 776 m3，其中，疏放靜態積水量為25 656 m3，與計算的1號積水區積水量26 468.6 m3基本一致。因此，可以判定1號積水區除局部低洼起伏段外，絕大部分積水已經得到充分疏放。

圖3 T1-1鉆孔涌水量隨時間變化曲線Fig.3 Variation of water inflow of T1-1 borehole with time

2號積水區探放水效果評價：2號積水區探放水孔T2-1、T2-2、G2-1、G2-2，于2016年9月20日施工完成并同時開始放水。從圖4可以看出，放水孔T2-1、T2-2涌水量歷時19 d均趨于穩定，涌水量分別為4 m3/h、20 m3/h，T2-1涌水量衰減速度明顯快于T2-2，觀測孔G2-1、G2-2涌水量從15 m3/h左右快速衰減趨至1.0 m3/h左右，說明放水孔T2-2位于本次探放水區域的低位處，即2號積水區動態涌水自東南向西北匯流。當放水孔水量趨于穩定時，所有鉆孔涌水量為27 m3/h左右，總放水量為51 363 m3。從以上涌水量變化分析得出，42112～42113上覆2號積水區積水已得到充分疏放，疏放靜態積水量為39 051 m3。此外，動態補給量為27 m3/h，該動態補給量與觀測值36 m3/h(旱季)、67 m3/h(雨季)存在一定差距，結合放水孔T2-1、T2-2涌水量衰減變化關系分析看出，2號積水區剩余動態補給水量沿31103采空區北側最低點流向31102采空區。

圖4 2號積水區第2組鉆孔涌水量隨時間變化曲線Fig.4 Variation of water inflow of second group borehole in No.2 ponding zone with time

3號積水區探放水效果評價：3號積水區探放水孔T3-1、T3-2、G3-1、G3-2于2016年10月5日施工完成并同時開始放水。由于T3-1、T3-2放水量較大，因此，以T3-2為主放水孔，控制T3-1涌水量在10 m3/h左右。從圖5可以看出，隨著T3-2鉆孔開始放水，J預鉆孔涌水量在短短2 d內便衰減至0，T3-2鉆孔涌水量歷時25 d趨于穩定，涌水量為65 m3/h左右；同時，T3-1、G3-1、G3-2鉆孔涌水量均趨近于0。說明T3-2鉆孔位于本次探放水區域的最低位，即3號積水區動態涌水自東南向西北匯流。當T3-2鉆孔涌水量趨于穩定時，所有鉆孔涌水量為60 m3/h左右，總放水量為81 420 m3，從以上涌水量變化可分析得出，42112～42113上覆3號積水區積水已得到充分疏放，疏放靜態積水量為45 420 m3。

4.3 工作面安全通過上覆采空區效果評價

2017年2月底，工作面開始進入采空壓覆區開采，同年4月底完成了采空壓覆區開采工作。開采期間，工作面頂板偶爾有少量淋水現象，但淋水量均小于5 m3/h，且持續時間較短，一般不會超過24 h。此外，工作面采空區涌水量也無明顯變化，說明上覆采空區積水已經得到充分疏放，保障了工作面的安全開采。

圖5 3號積水區第2組鉆孔涌水量隨時間變化曲線Fig.5 Variation of water inflow of second group borehole in No.3 ponding zone with time

5 結論

(1)在收集3-1號煤層采空區的地質及水文地質資料的基礎上，分析了采空區底板起伏情況，確定了積水量、積水區域及流向，估算了3個采空區的積水量。

(2)分階段在積水區域低位施工放水孔，將放水孔與管路連接直接排放出工作面，并對其進行處理利用。探放鉆孔工程量大大減小、積水疏放效果良好、簡化了排水系統、充分利用了采空積水，節省了工程費用。

(3)工作面回采期間頂板基本無淋水，消除了涼水井煤礦上覆采空積水對安全生產的威脅，實現了安全探排放上覆采空區積水，為近距離淺埋煤層群上覆采空區積水探放積累了寶貴經驗。