富含水層工作面俯采防治水關鍵技術

竇鳳金，邵棟梁，王方田

（1.神東煤炭集團錦界煤礦，陜西榆林 719319；2.中國礦業大學礦業工程學院，江蘇徐州 221116）

近年來，中西部富煤地區已成為煤炭資源開采集中區域，其中神東礦區在資源儲存和開采產量2方面均占據絕對優勢，且主采煤層具有淺埋深、厚松散層、巖層風化程度嚴重、覆巖含水量豐富、基巖薄等賦存特征[1-2]。

神東礦區屬于地表干旱或半干旱、地層富含水的生態環境脆弱開采區域，開采擾動作用下，煤層上覆薄基巖破斷失穩和水位變化對工作面安全開采具有重要影響[3-4]。國內外學者圍繞礦井水源預測、巷道掘進、覆巖含水層水體貫通采掘工作面引起水砂災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動規律以及該賦存條件下影響“砌體梁”結構穩定性的主要因素；馮國瑞等[6]構建了直接頂接觸塊體力學模型，探究了采場覆巖接觸面塊體的破斷規律；曹志國等[7]闡明了采動覆巖破斷失穩形成導水裂隙帶是工作面遭受礦井水害的誘導因素，將采空區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的貼合裂隙；楊達明等[8]分析了淺埋近水平煤層開采覆巖結構及破壞特征，建立了淺埋近水平煤層采場覆巖壓力拱結構模型，通過估計采場關鍵層破斷的影響范圍控制了工作面礦壓顯現；黃浩等[9]探明了回采工作面礦井水害的水源位置，現場監測與理論預測了頂板富水狀況、涌水量維持了工作面安全高效開采；高彬等[10]依據地質勘探和頂板探測鉆孔分析了巷道出水原因，優化了封堵錨索孔的注漿堵水治理技術，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力學模型，解釋了深部弱支護巷道邊界位移的蠕變規律、圍巖塑性區分布特征等；周輝等[12]通過將原位深井巷道圍巖開挖擾動區演化特征與數值模型巷道圍巖開挖擾動區分布規律進行對比，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”作用關系模型，確立了特殊地質賦存條件下的支架工作阻力和礦壓防治措施。其他學者采用均衡法、數值法、解析法、比擬法等預計了工作面涌水量，提出了一系列礦井排水系統設計、水害治理技術[15-19]。

探究富含水層下工作面開采引起的覆巖運移特征及導水斷裂帶發育規律，對提出工作面水害防治技術、改善工作面作業環境、優化頂板災害預警方案具有重要指導作用。為此，結合錦界煤礦31409 工作面煤層水文地質條件，理論計算采動覆巖導水斷裂帶分布特征和發育高度，利用3DEC 軟件建立俯采工作面采動覆巖運移模型，分析工作面采動作用下覆巖破斷過程與采動裂隙擴展歷程，并利用礦井水文監測系統觀測鉆孔預疏放水效果，提出有效的淺埋薄基巖富含水層煤層開采水災防治技術。

1 工程背景

1.1 煤層賦存條件

錦界煤礦位于榆神礦區東北部，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3-1煤層輔運大巷東側，呈北偏東90.5°方位布置。北邊依附井田邊界，是四盤區北區首采工作面。工作面寬度為276.4 m，推進長度為5 110.1 m，面積為141.2 萬m2，傾角1°～6°，呈寬緩的單斜構造。切眼附近為薄基巖區域，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薩拉烏蘇組（Q3s）潛水及中侏羅統直羅組（J2Z）風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。

監測數據顯示，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，底板為直羅組正常基巖砂泥巖相對隔水層，風化基巖層含水呈承壓含水性質，此類水文地質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特征如圖2。

圖2 礦井賦存條件與水文地質特征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儲水和動態補給水組成，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靜態儲水形成原因為覆巖隔水層厚度不足，導水裂隙發育導致頂板含水層疏放剩余靜態水，該部分水與工作面含水層厚度、工作面預疏放水措施有關，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動態補給水主要由工作面覆巖動態補充和采空區懸露頂板位置側向補給組成，動態補給水影響因素包括推進速度、覆巖動態補給能力。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

兩側橫向補給水通過動態裂隙區不斷流向工作面及采空區，涌水量隨工作面推進持續增加，出現淋水量加大、采空區水涌入、回風巷水煤堆積等狀況。

2 淺埋薄基巖煤層開采覆巖導水斷裂帶發育特征

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，且存在互層結構體區域；粉砂巖多為泥質膠結，部分層段為鈣質膠結，屬于中硬巖類。工作面煤層賦存穩定，煤厚平均3.28 m。計算得到31409工作面開采導水斷裂帶高度為30.9～53.9 m。

式中：Hli為導水斷裂帶的最大高度，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育高度實測結果顯示：垮落帶高度為11.97 m，冒采比為3.6；導水斷裂帶為40.95 m，裂采比為12.4。該工作面風化基巖和正常基巖最薄處均位于切眼處，兩者之和為13.7 m；切眼導水斷裂帶貫穿薄基巖，因切眼處土層厚度60 m，導水斷裂帶未影響松散沙層。第二開采區段中部，土層厚度為40 m，正常與風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、破斷。因此，整個工作面開采區段范圍內，導水斷裂帶均貫通至風化基巖含水層，始終未波及第2層含水層。綜上所述，風化基巖裂隙水補給主要以同層側向補給為主，地下水位變化呈“動態消耗+側向補給”型特征。覆巖裂隙發育實測及涌水特征分析如圖5。

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

2.2 采動覆巖導水斷裂帶發育歷程模擬

為揭示31409 工作面開采過程中推進方向上不同厚度基巖的導水裂隙發育規律，采用3DEC 離散元軟件構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、正常基巖、風化基巖、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，切眼處正常基巖厚度8 m，風化基巖厚度7 m，土層厚度約60 m；回撤通道處正常基巖厚度約41 m，風化基巖厚度約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。分區段裂隙發育特征如圖6。

圖6 分區段裂隙發育特征Fig.6 Segmental fracture development characteristics

由圖6 可知：①切眼薄基巖區域導水裂隙發育高度貫穿至風化基巖層，因土層較厚未貫穿進入沙層，平均裂隙高度14 m；②工作面由切眼位置繼續推進至第1 區段位置時，導水裂隙隨工作面推進向前轉移形成移動裂隙區，該區裂隙發育高度擴展至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，在切眼側因煤柱支撐作用，裂隙難以閉合，生成固定裂隙發育區；④工作面繼續推進至第3 階段后，由于兩側因開采擾動、煤柱應力集中等多重作用，裂隙發育呈動態增長特征，該裂隙區與工作面移動裂隙發育區和切眼固定裂隙發育區相連通，是造成工作面采空區涌水隨工作面推進不斷增加的主要原因。

3 富含水層工作面水災防治技術及控制效果

3.1 疏放水鉆孔布置法

鉆孔疏放水技術可疏水降壓，減少工作面突水危險性。監測數據顯示水量穩定后，水位下降不明顯，說明工作面涌水來源主要為動態補給水，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，過長導致排水費用增加。鉆孔布置密度依據含水層厚度確定；鉆孔方位與工作面背向成47°～55°夾角，起到截流作用，減少側向動態補給水涌入工作面及采空區；鉆孔終孔布置在風化基巖或土層內1～2 m，有利于快速疏放風化基巖靜含水量。31409 工作面疏放水工程施工參數如下：①鉆孔數量103 個，其中切眼8 個，運輸巷道46個，措施巷49 個；②鉆孔角度以仰角47°向工作面頂板施工，終孔層位在風化基巖頂界面1.5 m 處。

鉆孔疏放水量監測和水文在線監測系統數據表明，鉆孔疏放水成孔后，水量呈下降趨勢，隨后趨于平緩穩定狀態，涌水量衰減系數為50%～80%，衰減時長為6～8 個月，根據風化基巖含水層多個水位觀測孔鉆孔（J113、J313、J513）觀測數據顯示，預疏放水前風化基巖含水層的平均水位標高+1 230 m，疏放后平均水位+1 203 m，水位下降了27 m。

3.2 “分區分級”工作面涌水量預測法

由于31409 工作面推進方向上風化基巖含水層厚度變化較大，為準確預測涌水量，提出“分區分級”預測方法，3 段范圍分別為：①工作面切眼至31409 回風巷道50 聯巷處（含水層厚度10～20 m）；②回風巷道50 聯巷至34 聯巷處（含水層厚度20～50 m）；③回風巷道34 聯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據，認為采用水文地質條件比擬法相對準確度高，選取具有相似水文地質條件的31401 工作面作為比擬對象，利用回采期間涌水量觀測數據比擬預測31409 工作面涌水量。

通過對比31401 工作面地質條件，分段選取參數，對比實測涌水量，得到31409 工作面涌水量預測值，并與工作面實測數據對比，驗證其符合實際。31409 工作面分區分級涌水量預測值見表1。

表1 31409 工作面分區分級涌水量預測值Table 1 Predicted values of water inflow at 31409 working face

3.3 建設專用排水措施巷

采空區水大量涌入工作面，為實現采空區涌水的截流與疏放，將31409 措施巷作為專用排水措施巷，滯后泄水巷采用局部風機供風，安設甲烷、氧氣和一氧化碳傳感器，確保巷道氣體體積分數符合要求，滯后段所有低洼點聯巷設置截流采空區涌水的反水管，通過泄水巷排水管路直接進入清水系統。專用排水措施巷其系統布置如圖7。

圖7 專用排水措施巷其系統布置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%，累計截流采空區涌水96.8 萬m3，降低了工作面低洼積水頻次。采空區涌水經過濾沉淀后轉化未可用水，直接導入清水系統，緩減了31409 污水排泄系統的負荷壓力。利用工作面回風巷道和措施巷形成清煤運輸環線，增加轉載機、工程車作業空間，提高了回風巷道浮煤清理效率，有效改善了回風巷道作業環境。

4 結 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儲水和動態補給水；結合覆巖賦存厚度變化特征，表明靜態儲水釋放量與覆巖含水層厚度、工作面疏放水措施相關，動態補給水滲流量與推采速度、覆巖動態補給能力有關。

2）理論計算得到31409 工作面開采導水斷裂高度為30.9～53.9 m，通過對比實測數據，3 個開采區段工作面范圍導水斷裂帶只貫通風化基巖含水層，未影響第2 含水層，風化基巖裂隙水補給主要以同層側向補給為主，地下水位變化呈“動態消耗+側向補給”特征。

3）構建了俯采工作面采動覆巖運移數值模型，確定工作面切眼位置的采動裂隙發育高度為14 m，揭示了分區段煤層采動覆巖裂隙分布呈現移動裂隙區、固定裂隙區和發育裂隙區分區特征。

4）提出了疏放水鉆孔布置法、“分區分級”工作面涌水量預測法與建設專用排水措施巷“三位一體”水災防治技術，現場應用有效保障了工作面安全高效開采。