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    上覆采空区和含水层叠加富水效应的工作面防治水技术

    时间：2023-06-29 08:55:06来源：百花范文网本文已影响人

    靳志龙

    （国家能源集团神华神东煤炭集团有限责任公司 布尔台煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

    随着综合机械化水平的提高，煤层采高不断加大，神东矿区综采工作面开采高度达到8.8 m，大幅提高了单面的生产效率[1-2]。煤层开采后引起上覆岩层移动与破坏，覆岩破坏发育的高度对矿井水灾害治理和水资源的保护具有重要意义[3-5]。伴随工作面采放高度的加大，诱导上覆顶板岩层垮落和断裂“两带”高度破坏范围非线性的递增，对于富水覆岩综放工作面来说，采空区上覆岩层导水断裂带一旦波及煤层上覆含水层，会诱发富水区水体异常涌入回采工作面，形成矿井水灾害[6-10]。

    神东矿区各大矿井开采强度逐渐加大，首采煤层已基本开采殆尽，煤炭资源的勘探和开采向下组煤层推进。上组煤开采形成的采空区富集了大量的采空区积水，尤其是下组煤层为厚或特厚煤层的综采或综放开采过程中，采场顶板覆岩产生裂隙和断裂范围促使基岩含水层与采空区积水沟通，大幅增加了突水灾害发生的概率和强度，同时，下组煤煤层顶板直接充水的巨厚层状河道沉积富水砂岩发育，在开采条件下上述2 个因素的叠加效应是威胁矿井安全的主要因素。

    针对上述致灾问题，多数矿采用常规的探放水钻孔施工，进行密集的富水区域的超前疏排治理，常常因为对富水区域探测精度较低，而造成疏放水工程布置方案偏差，难以有效疏放富水区域，甚至引发后续矿井突水水害，从而导致钻探投入工程量大而治理效果差，造成人力、物力投入的浪费，增加投入成本。针对上述问题，以典型矿井布尔台煤矿为研究对象开展研究，以保障矿井工作面的安全高效回采。

    1.1 矿井开采条件

    矿井采用斜井、立井综合开拓方式，分3 个水平开采，一水平标高+1 050.0 m，开采1-2上、1-2、2-2、2-2下4 层煤；
    二水平标高+1 016.0 m，开采3-1、4-2上、4-23 层煤；
    三水平标高+922.0 m，开采4-3、5-2、5-2下3 层煤，目前开采一水平二盘区2-2煤（3.4 m）、三盘区1-2上煤（2.98 m）和二水平二盘区4-2上煤（6.5 m）。矿井布置有2 个综放工作面和1 个综采工作面，6个掘进工作面，综放采用长壁式采煤方法，综合机械化放顶煤采煤工艺，全部垮落法管理顶板；
    综采采用长壁式采煤方法，综合机械化一次采全高采煤工艺，全部垮落法管理顶板；
    掘进工作面均采用掘锚机一次切割成巷，同时由掘锚机上4 个顶锚钻臂完成巷道顶支护，由2 个侧向钻臂配合两臂锚杆机完成巷道帮支护，切割煤炭通过掘锚机运输机运至梭车上，由履带式转载破碎机完成破碎、转载工序，经带式输送机运出。

    1.2 矿井水文地质特征

    布尔台煤矿含水层组划分如图1。

    图1 布尔台煤矿含水层组划分Fig.1 Division of aquifer groups in Buertai Coal Mine

    布尔台煤矿含水层主要有5 层，自上而下分别为：表层的松散岩类-半胶结岩类孔隙潜水含水层组、白垩系志丹群碎屑岩类裂隙潜水-微承压水含水层组、侏罗系直罗组碎屑岩类裂隙承压水含水层组、侏罗系延安组碎屑岩类裂隙承压水含水层组和三叠系延长组碎屑岩类裂隙承压水含水层组。

    1.2.1 含水层

    1）松散岩类孔隙含水层。由于矿井各可采煤层与该含水层间距较大，因此对矿井充水影响不大，含水层划分不作为矿井含水岩段考虑。

    2）碎屑岩类裂隙-孔隙水。①第I 含水岩段：主要是志丹群各种粒级的砂岩、含砾粗砂岩及砾岩夹粉砂岩，水位标高1 291.98～1 304.08 m，单位涌水量为0.005 3～0.055 2 L/（s·m），渗透系数为0.012 2～0.053 1 m/d，富水性和导水性均较差；
    ②第II 含水岩段：主要为直罗组碎屑岩，水位标高1 250～1 302 m，单位涌水量为0.008 0～0.016 2 L/（s·m），渗透系数为0.002 30～0.047 300 m/d，富水性和导水性均较差；
    ③第III 含水岩段：主要为延安组煤系地层，2-2煤平均厚度3.4 m，4-2煤平均厚度6.0 m，含水层水位标高1 258.85～1 324.68 m，单位涌水量为0.002 30～0.029 21 L/（s·m），渗透系数为0.001 10～0.036 10 m/d，为矿井直接充水层，富水性较弱；
    ④第IV 含水岩段：延安组底部到延长组上部中粗粒砂岩，地下水位标高1 293.28 m，单位涌水量为0.006 16 L/（s·m），渗透系数为0.024 9 m/d，富水性总体微弱。

    1.2.2 隔水层

    1）第1 隔水层。位于侏罗系直罗组顶部，厚度0～48.06 m，平均27 m 左右，分布范围广，隔水性好。

    2）第2 隔水层。位于延安组Ⅲ段顶部，即1 煤组顶部，厚度0～68.00 m，平均16.27 m，分布范围广，隔水性能较好。

    3）第3 隔水层。主要指延安组第1 岩段5-2煤层底部，厚度0～20.09 m，平均6.73 m，层位较稳定，分布较广，隔水性能较好。

    1.3 矿井涌水量特征

    通过对地面、井下建立的水文孔、大气降水以及井下巷道、采空区面积、水文动态观测系统和矿井涌水量的观测统计，自2018 年以后涌水量随采空区面积增加逐渐增大，由2018 年的530 m3/h 增长到2019 年的536 m3/h，以及2020 年的552 m3/h 和2021 年的559 m3/h，矿井的涌水量随着采空区面积和开拓巷道的增大以及原煤产量的增加而增大。近几年矿区降雨量相对减少，涌水量与降水量相互关系不明显，此外，含水层的补给能力等因素也对涌水量有一定影响。

    2.1 致灾机理现场探测

    为揭示富水叠加致灾机理，分析布尔台煤矿4-2煤顶板“三带”发育特征，采用地面地质钻探、钻井岩心精细编录、钻孔冲洗液消耗、水位变化观测和孔内窥视“三带”探测等方法确定导水断裂带高度[11-12]。综合井下-地面联合物探微震监测与井下实际矿井涌水量的变化情况，进行“三带”探测[13-16]。结合导水断裂带和垮落带计算公式，定量判识“两带”发育情况[17-18]。因探测钻孔穿过2-2煤采空区后，钻孔冲洗液漏失量和钻孔水位无法观测，利用彩色钻孔电视图像对4-2煤采动破坏高度进行分析。钻孔处22 煤底板距孔口344.10 m，4-2煤底板距孔口426.10 m。钻孔冲洗液漏失量及其水位变化观测如图2，微震探查的导水断裂带高度如图3。

    图2 钻孔冲洗液漏失量及其水位变化观测（煤层埋深426.93 m）Fig.2 Observation on the leakage of drilling fluid and its water level change

    图3 微震探查的导水断裂带高度Fig.3 The height of water - conducting fault zone detected by micro-seismic

    导水断裂带高度计算公式为：

    式中：Hli为导水断裂带最大高度，m；
    H 为煤层顶板距离钻孔孔口垂深，m；
    h 为断裂带顶点距离钻孔孔口垂深，m；
    W 为打钻观测时断裂带岩层的压缩值，W=0.2M；
    M 为煤层采高，m。

    经计算，4-2煤回采期间重复采动下导水断裂带发育高度为154.4 m。

    分析可知，研究区重复采动条件下，厚煤层综放开采条件下（采高6.5 m 以上），煤层顶板导水断裂带高达100 m 以上，远超邻近煤层层间距（75 m 左右）。随着回采不断进行，易形成下组伏煤层顶板含水层与上覆采空区积水区的沟通叠加，造成工作面涌水量增大，对工作面安全生产构成威胁。

    2.2 致灾机理

    42106 工作面倾向长度309 m，走向长度5 073.8 m，4-2煤采深420 m 左右，煤厚6.5 m 左右，工作面沿煤层走向方向回采，4-2煤上覆约75 m 处为2-2煤采空区。采用FLAC3D进行数值模拟，本构模型为库伦-摩尔塑性模型[19]。

    工作面不同推进距离时上覆岩层破坏塑性区分布如图4。工作面不同推进距离覆岩破坏规律如图5。

    图4 工作面不同推进距离时上覆岩层破坏塑性区分布Fig.4 Distribution of plastic zone failure of overlying strata at different advancing distances of working face

    图5 工作面不同推进距离覆岩破坏规律Fig.5 Failure law of overlying strata at different advancing distances in working face

    由图4 可知：4-2煤工作面推进至100 m 时，4-2煤塑性区与2-2煤采空区相沟通，继续开挖，覆岩裂隙带继续扩展，与2-2煤采空区产生叠加效应，共同影响到上覆岩层的破坏及裂隙发育；
    重复开采覆岩破坏形态呈中间低、两侧高的“马鞍形”形态，且随工作面的持续推进，采空区的范围不断扩大，对采空区两侧拉伸应力增加，所以在采空区两侧向覆岩深处的纵向拉剪破坏区增高，向外侧发展的塑性区明显加大。

    由图5 可知：4-2煤开采时，上覆已形成2-2煤采空区，采空区内有不同程度积水；
    2-2煤与4-2煤层间距63～88 m，平均75 m，岩性主要为砂岩，局部富水性较强。因2-2煤导水断裂带高度为79.4 m，4-2煤开采期间重复采动下导水断裂带发育高度为158.52 m，说明4-2煤开采期间导水断裂带会发育至2-2煤导水断裂带顶端，充分印证了采掘扰动富水叠加灾害的存在，故4-2煤开采前须采取疏放水工程，疏放2-2 煤采空区积水和4-2煤顶板砂岩含水层水。

    以富水区域精准探测为对象，综合采用钻探、物探、地质资料综合分析，为超前区域疏排水害提供依据。布尔台煤矿42202 工作面富水危险区采用钻探、物探和2-2煤底板起伏及采空区返水综合研究回采煤层上覆富水区域。

    3.1 探测原理

    定向钻机通过随钻测量系统实时测出孔底钻具空间姿态参数，可实现钻探轨迹的精准控制，能够区域化、精确探测富水区域。瞬变电磁法（TEM）是一种人工源的时间域电磁法，通过在地表用接收线圈或接地电极观测该二次电磁场的空间和时间分布[20-22]。

    2-2煤工作面回采期间每隔50～70 m 测量1 次工作面底板标高，回采完毕后形成采空区底板等值线图，通过观察采空区密闭返水情况和密闭标高可知采空区内积水标高，结合采空区底板等值线可知采空区内积水面积、积水深度等参数，则积水量为：

    式中：W 为积水量，m3；
    K 为充水系数，取0.3；
    Hw为平均积水深度，m；
    S 为采空区淹没面积，m2；
    α 为煤层倾角，（°）。

    3.2 综合探测结果

    4-2煤顶板富水区探查成果如图6。

    图6 4-2 煤顶板富水区探查成果Fig.6 Exploration results of water-rich areas in 4-2 coal roof

    使用ZDY3500JD 型胶轮式定向钻机在42202工作面顶板开孔向2-2煤采空区低洼处施工9 个定向钻孔，其中6 个钻孔具有较大涌水量特征，证明2-2煤采空区内有积水。通过前期对42202 工作面上覆2-2煤采空区的观测可知，上覆采空区内有16 处富水区域，预计积水量6.23 万m3。使用V8 电法仪器，采用瞬变电磁法勘察42202 工作面水文地质条件，发现3 个较大的富水异常区域。综上可知，4-2煤上覆富水叠加区较多，工作面回采前必须提前采取防治水措施。。

    4.1 超前疏排防治原理及方法

    从42202 工作面两巷道顶板向2-2煤采空区低洼处和4-2煤顶板富水区施工钻孔，所有钻孔终孔位置均为2-2煤采空区，钻孔与2-2煤采空区贯通后疏放2-2煤采空区积水或4-2煤顶板富水区积水。钻孔布置示意图如图7。

    图7 钻孔布置示意图Fig.7 Schematic diagram of drilling arrangement

    疏放水工程以4-2煤顶板富水异常区和2-2煤采空区积水情况为依据，从4-2煤巷道顶板按设计开孔位置、仰角及方位角向2-2煤采空区低洼积水区或富水区施工。所有钻孔由4-2煤巷道顶板向2-2煤采空区底板最低处施工，最后打透2-2煤采空区底板1 m。

    4.2 现场应用

    布尔台煤矿井田内含煤地层为侏罗系延安组，共有可采煤层10 层，现回采2-2煤和4-2煤。42202工作面位于已采的42201 工作面东北方向，42203工作面西南方向，工作面推进长度4 485.2 m，工作面长320 m，上覆有22202、22203 工作面采空区，此处2-2煤与4-2煤间层间距平均70 m。

    42202 工作面疏放水工程在42202 切眼、42202辅运巷、42202 运输巷、42203 辅运巷设计疏放水钻孔33 个，为保证疏放水效果，预留7 个钻孔根据施工情况进行补孔。

    42202 工作面疏放水工程施工过程中严格按规定进行了详细记录，全孔质量要求达到设计要求，累计施工钻孔44 个（后期补充设计4 个钻孔），累计进尺6 285.5 m，初始涌水量177 m3/h，现涌水量0 m3/h，累计疏放水量5.28 万m3，与预计积水量接近，由于已施工的钻孔涌水量逐渐减小，且经过二次疏通涌水量仍无明显变化，故认为2-2煤采空区水和4-2煤上覆富水区积水得到了有效疏放。

    1）4-2煤回采形成的导水裂隙带发育至2-2煤导水断裂带的顶部，因此，2-2煤采空区积水为4-2煤回采期间的直接充水含水层。

    2）通过地面“三带”探查孔的地质钻探、岩心精细编录、钻孔冲洗液漏失量统计、钻孔窥视以及数值模拟和相似材料物理模拟综合研究，揭示了下组煤层回采过程中采掘扰动上组煤采空区与煤层顶板富水相叠加的矿井水害致灾机理。

    3）形成了井下-地面联合地质勘查+区域超前瞬变电磁勘探圈定富水异常区，井下针对异常区采用定向钻探与常规钻探相结合的技术，实现对顶板富水异常区与采空区积水区的精准钻探和超前疏放的区域治理模式。

    4）通过应用该模式对布尔台煤矿典型工作面进行了超前探查，圈定了16 处上覆采空区富水区和3处4-2煤顶板基岩富水异常区。通过定向钻探与常规钻探相结合的方式实现了对富水异常区的精准超前疏放水治理，累计疏放水量5.28 万m3，实现了4-2煤典型工作面的安全高效回采。

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