孤島綜放工作面水體探測及突水危險性研究

南 華，羅 明，王 帥，Syabilla Rachmadina Cardosh

（1.河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454000；2.哈密豫新能源產業研究院，新疆 哈密 839000）

由于煤礦開采歷史悠久且水文地質條件復雜性，使得我國部分廢棄采空區、老窯存有大量積水。當相鄰未開采工作面進行回采時，對采空區積水區造成擾動后，極易導致不同程度水害事故發生。自20 世紀90 年代以來，我國煤礦80%以上水害事故是由老空區積水潰發引起[1-2]。以毗鄰河南省的山西省為例，自2001 年發生較大、重大及特大水害事故比重分別為44.4%、20.0%、6.7%，其中重大事故以上水害事故比例分別為86.9%、91.7%，累計死亡人數高達464 人[3]。通過對英國煤礦突水事故水源分類表明，在1851—1970 年，176 起突水事故中因采空區積水誘發的災害超過其它突出水源事故總和[4-5]，表明采空區積水所誘發的水害事故是重要突水事故水源。因此加強對礦區積水的精確探測和危險性評估具有重要理論和實際價值。

隨著我國礦井開采深度不斷加大及煤層開采地質條件的復雜性，對老空水精確探測提出更高要求，同時引起了更為廣泛的關注。我國學者圍繞老空水進行了大量研究，主要集中在以案例或地質特征進行分類的老空水水源、充水通道和積水空間等要素對老空水水害特征進行分析，尤其在探測積水和探防治理措施方面進行了深入研究[6-9]。雖然對當前煤礦老空水的預防和治理起到一定指導作用，但存在明顯的不足和挑戰：尚未從物探、化探、鉆探及裂隙發育導水性等多方面構成完整的探測體系進行分析，難以對老空區水害事故做到精準探測。資料表明，濟煤23101 南部相鄰工作面原為小煤礦，資源整合后，現隸屬于濟煤三礦并于2017 年9 月關停，因小煤礦采掘資料缺乏及可能存在不規范開采現象，致使工作面相鄰采空區積水量及范圍難以確定。為確保23101 孤島綜放工作面順利開采，避免發生突水事故，在回采23101 工作面前有必要明確該工作面和相鄰采空區積水量及范圍，才能制定與其地質水文情況相符的科學防突水治理和預防方案。

1 工程背景

濟源煤業有限責任公司（下稱濟煤）部分礦區是該公司資源兼并重組，其中濟煤二礦23101 工作面位于濟源煤田克井井田范圍內，井田面積為5.06 km2，核定生產能力為30 萬t/a，主要開采二1 煤層，煤層平均厚度5.05 m，煤層平均傾角為15°，地勢北高南低，頂底板均為炭質泥巖。工作面采用綜采放頂煤工藝開采。無沖擊地壓，礦井水文地質條件中等，正常涌水量470 m3/h，最大涌水量560 m3/h。濟煤23101 工作面運輸巷位于-120 m 水平上山東部，東部與濟聯煤礦交界，北部與23001 采空區相鄰，西南為太行斜井，南部為井田邊界，濟煤23101 孤島工作面工況如圖1。

圖1 濟煤23101 孤島工作面工況Fig.1 The working condition of Jimei 23101 isolated working face

濟煤23101 工作面走向長度為520 m，傾斜長度Lc為80 m，面積為4.16 m2，23101 相鄰工作面已采掘完畢。由于23101 工作面南部為井田邊界，原小煤窯，因缺乏小煤窯開采資料，無法明確其是否存在越界開采及采空區積水情況，這將威脅到23101 工作面的安全開采。

2 孤島工作面覆巖裂隙發育規律及充水通道分析

濟煤三礦地勢為南高北地，三礦最大涌水量為500 m3/h，當前日排水量為380 m3/h，表明該老空區存有大量積水但積水量不詳。為判定23101 工作面上覆巖層水體及相鄰采空區不明積水對23101 工作面開采的影響程度，采用水文地質數據、力學模型、多種經驗公式及數值模擬等方法對該工作面開采擾動前后煤層導水斷裂帶發育高度進行研究。

2.1 工作面及相鄰采空區積水形成機理

水文地質資料表明，礦井位于克井盆地，其東部沁、蟒河區域分水嶺與礦井南北兩側東西向山脈構成完整地表水流域，蟒河從礦井西部通過，蟒河水沿河床下滲，但由于距該礦井距離較遠，對礦井沒有影響。含水層主要由沖擊層、大煤頂板砂巖、石炭系灰巖及奧陶系灰巖組成，大煤頂板砂巖和石炭系灰巖水量小且徑流較小。其沖擊層含水層富水性強，雖距離大煤較遠，但隨采空區面積的增大，該含水層通過井筒、采空區導入井下，可能造成礦井涌水量增加。而奧陶系灰巖含水層依據河北峰峰礦務局井下水文觀測數據表明，該含水層富水性強，目前水位標高為+143 m，位于構造破碎帶附近。對于隔水層而言，雖然二1 煤層頂板巖石結構細膩、裂隙不發育，具有良好隔水效果，但位于煤層開采后的“三帶”影響范圍內，隔水層受到開采擾動影響，隔水層極易破壞，需加強對其探測。

充足水源補給是老空水形成的重要前提條件，老空水具有溝通天然充水水源并存儲于采場緩存區的做且誘發水害的緩存區的作用[3]。依據井下調查，采空區的補給水源主要為第四系砂礫石孔隙潛水和基巖風化帶裂隙水和煤層頂板大占砂巖裂隙水，而該含水層受到大氣降水補給，其中前者鉆孔單位涌水量最高可達1.51 L/s，由此可知濟煤二礦二1 煤層開采受到相鄰老空水影響較小。而后者補給水源由于頂板砂巖裂隙含水層地質結構破壞，其裂隙水將可能成為采空區直接充水水源。而采空區積水發生突水事故須具備聯通充水區與工作面的充水通道，其中工作面和相鄰采空區開擾動后所引起的頂板垮落導水斷裂帶則可能是主要的充水通道之一，23101孤島綜放工作面開采前后和相鄰采空區頂板垮落導水裂縫帶發育情況，應成為是否形成充水通道的重要研究內容。

2.1.1 孤島工作面及相鄰采空區覆巖斷裂帶計算

依據《三下采煤規程》對煤層開采導水斷裂帶高度計算，如下式[2]：

式中：Hli、Hlii為導水斷裂帶高度，m；ΣM 為累計采厚，m。

濟煤二礦二1 煤層巖層分布及力學參數見表1，由此可得導水斷裂帶高度按照23101 綜放工作面采高度5 m 計算。

表1 濟煤二礦二1 煤層巖層分布及力學參數Table 1 Rock distribution and mechanical parameters of Ⅱ-1 coal seam in Jimei No.2 mine

2.1.2 孤島工作面及相鄰采空區覆巖斷裂帶理論分析

為確定覆巖頂板導水裂隙高度，我國學者對導水斷裂帶高度進行了豐富研究[10-12]，有學者利用板殼理論和關鍵層理論構建導水斷裂帶發育高度計算力學模型[13-14]，模型依據組合梁理論確定各堅硬巖層上覆荷載位置，應用板殼理論對堅硬巖層開采中所承受極限斷裂情況進行分析，當臨界載荷和極限位移超過堅硬巖層上覆載荷及自由空間高度時，斷裂帶停止發育，便可確定斷裂帶高度位置。

式中：Z 為巖層巖層垂直方向上自由空間距離，m；M 為采高，m；hj為該巖體第j 層巖層厚度，m；ηj為巖體第j 層巖層膨脹系數。

根據濟煤二礦地質條件測得，其平均殘余膨脹系數為1.526，以表1 濟煤二礦二1 煤層實測巖層分布及力學參數進行計算，23101 工作面及相鄰采空區導水斷裂帶高度計算見表2。

表2 23101 工作面及相鄰采空區導水斷裂帶高度計算Table 2 Calculation of the height of water-conducting fissure zone in 23101 working face and adjacent mining area

2.1.3 孤島工作面及相鄰采空區覆巖斷裂帶數值分析采用3DEC 數值模擬軟件建立濟煤23101 孤島

工作面及相鄰工作面模型，模擬獲得孤島工作面與相鄰工作面導水斷裂帶發育高度。模型尺寸為：360 m×220 m×20 m，煤層傾角為14.5°，下方23001 工作面傾向長度為82 m，濟煤三礦21051 小煤窯工作面傾向長度為85 m，且位于23101 回采工作面南部預留煤柱寬度Ld為30 m，由于各工作面回采高度差異較小，故各煤層模擬采高均采用5.0 m 進行模擬。對23001 工作面和21051 工作面進行回采，得到回采最大導水斷裂帶發育高度分別為61.12、59.09 m，由于23101 工作面回采受到23001 工作面采動影響，其裂隙發育高度為67.17 m。23101 孤島工作面及相鄰工作面回采前后頂板破壞范圍如圖2。

圖2 23101 孤島工作面及相鄰工作面回采前后頂板破壞范圍Fig.2 The range of roof damage before and after mining of 23101 isolated workings and adjacent working face

2.2 孤島工作面及相鄰采空區覆巖裂隙貫通性分析

明確相鄰工作面與孤島工作面覆巖導水裂隙是否貫通，是確定孤島工作面是否存在補給水源的關鍵。因23101 工作面南高北低且21051 工作面已經確定存在大量老空水，若21051 工作面導水斷裂帶與受到采掘擾動影響下的23101 工作面導水斷裂帶進行貫通，則21051 工作面老空水將通過導水斷裂帶嚴重威脅到23101 工作面的開采。

為有效保障23101 孤島工作面生產安全性，取理論、經驗及數值模擬中最大斷裂帶高度進行計算，即23001 工作面為81.69 m，21051 工作面為80.08 m。23001 工作面與21051 工作面頂板導水裂隙擴展如圖3。

圖3 23001 工作面與21051 工作面頂板導水裂隙擴展Fig.3 23001 Working face and 21051 working face roof water conducting fissure expansion

依據式（6），可得到23001 工作面斷裂帶的影響半徑RB為：

式中：Hq為23001 工作面導水斷裂帶高度，m；γ為上山移動角，（°），取70°。

RB、RC、RD分別為23001、21051 工作面斷裂帶的影響半徑。計算得：RB=29.73 m，RD=24.33 m。由于RB+RD=54.06 m＜Lc+Ld，可知在21051 工作面積水區高度內，23001 工作面回采后頂板裂隙與21051 工作面采空區頂板導水裂隙并不貫通，因此23101 工作面未回采前，21051 工作面老空積水不會涌入到23101 工作面上下平巷。

當23101 工作面回采結束后，其頂板裂隙發育帶將擴展至與21051 工作面老空區頂板斷裂帶發生交叉。據此可計算出Hf=49.5 m，He=46 m，Lf=18 m及Le=11.5 m，其中Hf為23101 回風巷上幫頂板到裂隙交叉處的垂直高度，He為老空區與煤柱邊界頂板到裂隙交叉處垂直高度，Lf為裂隙交叉點到23101 回風巷上幫頂板的水平距離，Le為裂隙交叉點到老空區與隔水煤柱邊界的水平距離。通過計算表明，由于Lf+Le=29.5 m，這與目前Ld預留最窄寬度30 m 距離相近，因此21051 工作面的老空水可能將在23101 工作面回采過程中產生的導水斷裂帶發生貫通后威脅到其安全回采。

3 孤島綜放工作面水體特征研究

3.1 瞬變電磁探測水體區間位置分布規律

瞬變電磁探測技術由于其對低阻體敏感特性，成為探測含水層及富水性、構造及含水情況、老空水及積水量的主要手段[15-18]。為準確探明23101 工作面及相鄰采區的積水范圍，通過查閱礦區相關資料及采用地表和井下物探相結合的方法，準確探明23101 工作面積水范圍和積水量，尤其探明兼并前小煤窯21051 工作面是否存在越界開采現象，為進一步研究預留煤柱寬度范圍合理性及保證23101 工作面安全回采提供準確的依據。

3.1.1 地表瞬變電磁探測布置及結果分析

依據《三下采煤規程》要求及23101 工作面現場涌水點情況，在23101 孤島工作面上方傾向方向影響半徑70 m 的范圍確定為探測邊界，為增強探測準確性，向外以延申30 m 范圍對邊界進行擴大探測，沿23101 工作面上巷為正方向，并以下巷為起點，同時以上巷100 m 以外為邊界，以30 m×20 m的網度進行勘探，累計地表瞬變電磁探測勘察面積為0.13 km2。

瞬變電磁探測確定了7 個頂板富水區，分別是推測低阻異常區1～低阻異常區7，主要分布在勘查區的東部和東南部，推測低阻異常區3 主要受老采空區影響所致。從低阻異常區發育范圍大小分析，低阻異常主要分布在距離煤層上10～30 m 范圍內。煤層頂板上40 m 和50 m 低阻異常區面積減小或消失，低阻異常區6 在40 m 和50 m 位置基本消失。此外推測異常區1、低阻異常區2、低阻異常區3 的含水量大約為37 576、21 937、31 659 m3，通過積水量與異常區所處位置判斷，低阻異常區1、低阻異常區2、低阻異常區3 可能將對23101 工作面安全回采產生較為嚴重影響。由低阻異常區3 可知推測原小煤窯的濟煤三礦21051 工作面并未發現越界開采現象，預留最窄煤柱寬度可達30 m。勘查區二1 煤層頂板砂巖富水性分布示意圖如圖4。

圖4 勘查區二1 煤層頂板砂巖富水性分布示意圖Fig .4 Schematic diagram of the water-rich distribution of the roof sandstone of Ⅱ1 coal seam in exploration area

3.1.2 井下瞬變電磁探測驗證

采用井下瞬變電磁探測技術在23101 運輸巷開切眼處開始進行探測，累計完成側線長度為2 080 m，同一位置上分別進行15°、30°、45°、60°傾角方向探測，探測距離間距為10 m。井下不同傾斜角瞬變電阻率探測結果剖面如圖5。

圖5 井下不同傾斜角瞬變電阻率探測結果剖面Fig.5 Transient resistivity detection results profile at different inclination angles of downhole

由圖5 可知，該低阻區呈現零散分布狀態，其中與濟煤三礦21051 工作面邊界呈現明顯的平行線，由此表明23101 工作面南部防水煤柱對于21051 工作面老空區積水起到良好的阻隔作用，同時表明23101 工作面尚未回采前，23101 工作面與老空區21051 工作面采動裂隙并未發生貫通，這與上文研究貫通性結果相符。通過對井下與地表瞬變電磁探測結果對比，兩者在23101 工作面上方所探測低阻區基本重合，由此驗證地表瞬變電磁探測結果的真實性，即23101 工作面上方積水主要存在X1-1、X1-2、X1-3、X1-4 處低阻區，其中X1-1、X1-2、X1-3 低阻區與井下現場實際頂板滴淋水位置基本吻合。綜上所述，通過井下瞬變電磁探測和現場觀測結果對比地表瞬變電磁探測結果基本吻合，因此瞬變電磁探測結果具有較高的可信度，可成為鉆探放水重要參考依據。

3.2 化學檢驗及分析

采用化學檢驗探測方法，判別23101 回風巷、運輸巷與灰巖水等多處水樣進行化驗，確定當前23101 工作面頂板淋水點水質特征，為后期鉆放水提供重要的設計依據。

采用全分析水質分析法[19-21]，對酸堿性，鈣、鎂、鈉離子，硫酸根、碳酸根等離子及氣味、渾濁度等進行分析。分析結果表明，其水質化驗中不含有各種鐵（Fe2+、Fe3+）離子，其pH 值均大于8.0；此外其中HCO3-含量高達428.42 mg/L, SO42-含量為125.26 mg/L，以上化驗結果與酸性老空水特征為pH 值小于7，且呈現酸性，陰離子HCO3-大幅度減少，SO42-含量占絕對優勢，陽離子中鈣、鎂離子含量特征與SO4、Ca·Mg 型酸性老空水特征不符。此外工作面下巷正常出水點和上巷涌水點同灰巖水取樣化驗結構分析，其相似度較高，3 處水樣中均含有Ca2+、SO42-、Cl-、Mg2+、K+Na+及HCO3-等陰陽離子，且其中Ca2+、SO42-及HCO3-離子含量均較高。此外總硬度分別為464.16 mg/L（灰巖水）、449.65 mg/L（下巷正常出水點）、442.39 mg/L（上巷涌水點），上下巷水樣同灰巖水總硬度極為接近。并且其pH 值分別為8.4（灰巖水）、8.5(下巷正常出水點）、8.4（上巷突水點），同樣其pH 值極為接近。同灰巖水對比，水樣澄清且無氣味。綜合可判定，23101 工作面下巷正常出水點和上巷涌水點均為頂板裂隙水的可能性較大，但目前無充分證據可以排除老空水的可能。

3.3 水體位置鉆探放水反演分析

煤礦防水鉆探技術因具有準確性高的特點，是實現精準探測和探明不明采空區的重要手段[22-23]。為驗證瞬變電磁探測水體位置、積水量預估的準確性，23101 工作面上方積水為頂板裂隙水而非老空補給水的可能性，采用井下現場鉆探的方法進行復驗，同時為保障生產安全性，消除隱患，并為后期超前疏排水提供依據。此外也為進一步確認濟煤三礦小煤窯21051 工作面是否存在越界開采現象，據此采用地面鉆探方法進行局部探查。

依據《煤礦安全規程》煤礦探放水作業要求，并針對上文23101 工作面上方探測積水情況，為準確探測水體位置及保障孤島工作面安全回采。23101工作面超前探放水及煤柱邊界鉆探示意圖如圖6。

圖6 23101 工作面超前探放水及煤柱邊界鉆探示意圖Fig.6 Schematic diagram of advanced water detection and drainage and coal pillar boundary drilling at 23101 working face

將影響23101 工作面安全生產的預測低阻區，主要為低阻異常區1、異常區2、異常區5，因此分別在3 處異常區超前65 m 處布置超前探放水鉆孔，仰角分別為9.5°、18.5°、26.5°，距水平垂直高度分別為10、20、30 m，其中鉆孔水平夾角β 如圖6 中的低阻異常區1、異常區2、異常區5。煤柱邊界鉆探以23101 工作面東部終采線為起始點以48 m 間距在預留煤柱地表進行鉆孔，每處鉆孔點向3 個不同方向角度鉆探，其中1 處為測量孔，2 處為驗證孔。鉆探結果表明，低阻異常區1、異常區2、異常區5 存在積水，推測出瞬變電磁探測23101 工作面上方積水位置的準確性。同時對鉆探排水進行取樣化學檢驗分析，其成分同灰巖水的成分相似度達到91.3%，表明23101 工作面上方積水與上文化學檢驗測結果相似性較高，即積水為頂板裂隙水而非老空水補給。預留煤柱鉆探結果顯示鉆探取心率為82%且巖心完整，表明23051 工作面老空水并未通過導水斷裂帶對23101 工作面頂板積水進行補給，并且再次驗證濟煤三礦小煤礦并未對其21051 工作面邊界預留煤柱進行越界開采。

4 結 語

1）二1 煤覆巖中奧陶系含水層富水性強，在工作面回采擾動后受“三帶”范圍影響，原二1 煤隔水層良好的頂板極易受到破壞，可能對23101 孤島工作面安全回采形成威脅。

2）23001 工作面、23051 老空水工作面及23101孤島工作面最大導水斷裂帶發育高度平均值分別為58.43、57.31、60.94 m。此外，得出23101 孤島工作面未回采前，其相鄰采空區并未出現導水裂隙貫通，同時從理論、數值模擬角度證明當前23101 工作面頂板淋水并未相鄰老空水采區進行補給；當23101 工作面回采后，其導水斷裂帶可與23051 工作面導水斷裂帶貫通，23051 工作面老空水可威脅到23101孤島工作面正常回采。

3）23101 工作面頂板淋水為頂板裂隙水，無孤島工作面相鄰老空水進行補給并確定23101 工作面頂板裂隙水及相鄰老空水工作面積水位置及積水量。此外，得出原濟煤三礦小煤礦老空水積水區并該礦未越界回采，預留煤柱最窄處達到30 m，其符合《三下采煤規程》相關要求。但為保障23101 工作面安全回采及其回采過程中避免防水煤柱受到老空區高強度水壓力，而發生涌水事故的可能性，要對頂板裂隙水及老空水進行超前疏放。

4）綜合運用當前礦井積水探測的手段，實現對孤島工作面及不明老空水采區進行精準探測，并構建地質水文質料-導水裂隙發育貫通性-物探-化探-鉆探閉環型相互佐證探測分析思路，其研究結果可適用于同樣復雜條件下的礦井突水危險性探測。