某礦區近水平煤層群上覆采空區水靶向探疏技術研究

李廣疆

（中天合創能源有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

0 引言

據不完全統計，2016—2021 年，全國煤礦山共發生水害事故37 起，其中，老空透水事故占比在65%左右。事故的教訓極其慘痛，老空透水依然是發生頻率最高、傷亡人數最多的水害事故，老空水害防治仍是礦井防治水工作的重中之重［1］。

呼吉爾特礦區位于鄂爾多斯盆地北部，屬新近開發的大型煤炭生產基地，礦區主要開采侏羅系延安組2#、3#煤組，煤層賦存穩定，層間距為30~50 m，傾角為2°～5°，埋藏深度較大，普遍在600 m 以上。雖然區內地質構造較為簡單，垂向導水構造不甚發育，含水層間水力聯系較弱。但是，由于其特殊的陸相沉積背景、多相變層疊的覆巖結構和錯綜復雜的地下水徑流系統，煤層頂板白堊系間接充水含水層富水性中等~強，導致礦井水文地質條件比較復雜［2］。門克慶煤礦3107工作面采掘期間受到上覆2-2中煤層采后形成的約24萬m2采空區積水的影響，采空水害威脅較為嚴重，該類水害是呼吉爾特礦區首次出現的水害類型。因此，如何更好地疏干放凈采空水，對工作面的安全生產有著至關重要的作用。早期的上覆采空水探疏手段多數情況未從采礦學角度考慮煤柱支撐垮落不充分區域形成的局部積水腔體以及頂板垮落形態對積水區分布變化的影響，且未針對近水平緩傾斜煤層進行具體分析，導致采空水探疏存在一定的盲目性。本研究通過對門克慶煤礦3107工作面上覆煤層采空區積水的探疏，形成了針對近距離煤層開采上覆采空區積水防治的“基于3D曲面流場分析的積水量預計、物探積水區圈定、積水靶向探放、過程記錄、效果驗證”五位一體的綜合探放技術，為后續同類型水害防治工作提供一定的借鑒。

1 研究區基本概況

1.1 水文地質概況

門克慶礦井水文地質類型復雜，2-2 中煤直接充水含水層為直羅組砂巖含水層，3-1 煤開采的含水層為頂板延安組砂巖含水層和直羅組砂巖含水層，直羅組砂巖含水層是礦井主要充水含水層，地層厚度為117.75～219.45 m，平均為157.18 m，含水層出水段累計厚度為11.74～110.69 m，平均為67.15 m，含水層厚度約占地層總厚度的21.57%，單位涌水量為0.060 8～0.206 8 L/（s·m），滲透系數為0.071 7～0.598 2 m/d［3］。

1.2 工作面基本概況

1.2.1 2201 工作面基本概況。其為礦井2-2中煤首個回采工作面，工作面寬300 m，回采長度808 m，煤層平均厚度約為2.2 m，傾角一般為3°~6°，共揭露各類斷層11 條，落差均小于3 m。回采期間工作面最大涌水量為276 m3/h，采后水量180 m3/h 左右，并不斷下降。下伏3-1 煤層設計布置3107、3109、3111 等3 個工作面，煤層間距約為30 m。

1.2.2 3107 工作面基本概況。該工作面寬為320 m，回采長度為2 922 m，煤層平均厚度為4.3 m，傾角一般為3°~5°，裂采比約為26.85［4］。工作面面臨的水害類型主要為鄰空小煤柱采空水害、頂板砂巖水害及上覆煤層采空水害，其中上覆煤層采空積水區距工作面切眼約561 m，2201 工作面與3107 工作面空間位置關系如圖1所示。

圖1 2201工作面與3107工作面空間位置關系

2 上覆煤層采空水探疏技術路線

2.1 “橫二縱三”積水區概念

劉天泉［5］提出了工作面開采覆巖的“橫三區、豎三帶”的分區，李楊等［6］提出了采空垮落頂板“正—倒置三角形”形態特征，根據上述兩個觀點，結合工作面回采期間及采后各類影響因素提出了采空區積水“橫二縱三”的概念，具體為：橫向上分為煤柱支撐垮落不充分積水區、壓實隔水區兩個部分，如圖2所示。

圖2 采空區跨落后縱向積水分區示意

縱向上分為底部壓實隔水區、中部儲水區和上部補給區3個部分，如圖3所示。這一概念的提出主要針對兩個容易造成盲點的地方：①底部壓實隔水區，采空區采后會產生大量的煤泥、巖粉等堆積壓實體，導致部分采空水探查鉆孔在進入采空區后受壓實區的影響，出水量較小甚至出現無水的情況，造成無積水的假象；②煤柱支撐垮落不充分積水區。該區域受煤柱支撐影響，形成的積水腔體易被采空水探疏設計遺漏，造成有水未放的情況發生。

圖3 采空區跨落后橫向積水分區示意

2.2 高精度采空區水流場圖及積水量預計

2201 工作面回采期間每30~50 m 利用測量儀器測定一組底板高程數據，本次共采集178 個數據，利用Surfer專業繪圖軟件，進一步對底板高程進行精密差值分析，繪制出地貌3D 曲面圖，并進行分水嶺的繪制和匯流區的圈定，更加直觀地反映采空區水流場變化、分析積水區分布情況，具體如圖4所示。同時根據工作面采后涌水量、底板高差等數據對采空區靜儲量及動態補給量進行初步的預計。

圖4 2201工作面采后3D曲流場

2.2.1 采空區靜儲量的計算。根據經驗公式，采空區積水量可采用式（1）進行初步計算。

式中：Q為采空區積水量，m3；K為采空區充水系數，取0.25~0.5；M為采空區采高，m；F為采空區水平投影面積，m2；α為煤層傾角，°。

由于實際積水空間形態與理想假設形態存在一定差別，應根據積水區底板起伏對計算積水量進行修正，根據經驗，底板起伏較大的積水區計算積水量與實際積水量差別較大，一般取修正系數0.5，底板起伏較小的積水區計算積水量與實際積水量差別較小，一般取修正系數0.8。

利用采空區3D 曲面流場模型，基于底板標高數據庫和積水位高度值，借用Surfer 軟件的體積計算模塊進行積水標高范圍內體積的精細測算，采用式（2）進一步開展采空區靜儲量的計算。

式中：V為儲水空間大小，m3；Vm為冒落區體積，m3；K為儲水系數。經計算得出，2201 采空區總計積水量約為13.5萬m3。

2.2.2 動態補給量的測算。因為2201 工作面已停采31 個月，根據采空區閉墻出水點測量情況，工作面涌水量已穩定在40 m3/h 左右，因此后期探放的動態補給量可定義為式（3）。

式中：Q為動態補給量，m3；d為采空水疏放時間，天，從采空區液面下降至閉墻無法出水之日開始算起。

2.3 物探積水區圈定

在現行開采條件下，下層煤掘進經過上層煤工作面采空區附近時，遵照“物探先行、鉆探驗證、有掘必探、先探后掘、先治后采”的原則［7］，針對上覆采空區積水情況，利用瞬變電磁法，同時采用25 Hz和50 Hz兩種頻率探測老空積水情況。

2.4 采空區積水靶區探放及過程

根據圈定的積水區以及對煤柱支撐垮落不充分區域的分析，組織實施采空水探疏工程，在2201采空區“馬鞍”兩側施工了8 個鉆孔，初始水量合計582 m3/h；中部區域施工了8 個鉆孔，初始水量合計143.5 m3/h；煤柱垮落不充分區域施工了2 個鉆孔，初始水量合計85 m3/h，鉆孔探查及出水情況良好，但受排水系統制約各疏放鉆孔前期均未進行滿負荷放水。

自2023 年1 月初開始施工采空水探疏鉆孔到2023 年4 月底，礦井防治水專業技術人員對采空水疏放情況進行了全流程的監測管控，各鉆孔總涌水量最大時達329 m3/h（受排水系統影響，未全部打開疏放），到2023年4月底，各疏放水鉆孔總涌水量已降至40 m3/h，11-2201 采空區疏放總水量變化曲線如圖5 所示，通過電子流量計及防治水專業技術人員測定，采空區累計疏放水量為228 802 m3。

圖5 11-2201采空區疏放總水量變化曲線

2.5 效果驗證

在各疏放水鉆孔總出水量與疏放前采空區涌水量、采空水總疏放量與預測積水量接近時，初步判斷采空區積水已徹底疏干放凈，但為保險起見，再次開展物探、鉆探工程對疏放效果進行進一步的驗證［8］。

2.5.1 物探驗證。通過對比不同深度視電阻率平面等值線圖中視電阻率變化情況，選取各個深度相對低電阻率作為本次探測異常區，具體如圖6所示，共劃分1個異常區，命名為YC-1。YC-1異常區在平面上位于11-3107 工作面主運巷北側SN 方向40~100 m、Z6 導線點EEW 方向140~200 m 范圍。該位置3-1 煤距上部2-2 中煤層間距約32.14 m，推斷YC-1異常區主要為11-2201采空積水區。

圖6 11-2201采空區瞬變電磁探測頂板10~50 m立體圖

2.5.2 鉆探驗證。基于瞬變電磁物探成果，再次施工了6 個疏放水驗證鉆孔進行采空區積水疏放效果探查。探查表明，除Y4 鉆孔終孔水量為15 m3/h 以外，其他5 個鉆孔基本無水，物探、鉆探成果驗證效果較好，同時進一步證明了采空區積水已基本被疏干放凈。

3 結論

①采空水的探查與疏放必須全面考慮，采取綜合性的防范手段，通過上覆采空區積水防治的“基于3D 曲面流場分析的積水量預計、物探積水區圈定、積水靶向探放、過程記錄、效果驗證”五位一體綜合探放技術，有效地將上覆煤層采空區積水疏凈，保障了下伏工作面的安全回采。

②提出的“橫二縱三”概念，在雙向上解釋了積水區分布的特征，為解決底部壓實區及煤柱支撐垮落不充分區域采空積水提供了一定參考。

③采空水作為近年來發生頻率最高、傷亡人數最多的水害事故［9］，在礦井水害防治工作中有著重要意義，礦井應牢固樹立采空區“零積水”的安全管理理念，多手段相結合開展采空水探疏工程。