基于長(zhǎng)觀孔水位變化的壓架突水災(zāi)害預(yù)警

李　晉

(西山煤電集團(tuán)公司 官地礦，山西　太原　030022)

1　工程地質(zhì)條件

某礦首采工作面位于井田東翼三采區(qū)，該工作面起止標(biāo)高-393～-473 m，走向長(zhǎng)度1 686.6 m，傾斜長(zhǎng)度161～165.9 m，采用走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化采煤方法，頂板管理為垮落法。煤層開(kāi)采厚度1.9～4.0 m，平均3.0 m.該礦井首采工作面的煤層產(chǎn)狀變化不大，煤層傾向355°～ 35°，煤層傾角平均13°.工作面基本頂一般為淺灰色中砂巖，平均厚度為14.4 m；直接頂一般為深灰色泥巖，直接頂?shù)哪鄮r厚度不穩(wěn)定，平均厚度1.7 m；底板一般為灰～深灰色泥巖，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，致密、塊狀、含植物碎片。

該礦自2002年投產(chǎn)以來(lái)，就先后在3222、7114、7130、6130等8個(gè)綜采工作面發(fā)生了17次壓架突水事故，嚴(yán)重影響了礦井的安全生產(chǎn)和采掘正常接替，造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失。其中6130、7130兩個(gè)工作面在回采過(guò)程中均周期性的發(fā)生壓架突水事故，壓架損失程度和突水量也呈現(xiàn)逐次增大趨勢(shì)。為避免造成更大的損失，這兩個(gè)工作面均被迫中途停采、撤面。如何有效防治松散承壓含水層下采煤壓架突水災(zāi)害是煤礦面臨的重大技術(shù)難題之一。

2　長(zhǎng)觀孔水位變化與頂板來(lái)壓聯(lián)動(dòng)效應(yīng)的實(shí)測(cè)

由含水層水位變化特征的研究可知，含水層水位的變化與回采速度、來(lái)壓強(qiáng)度等因素有關(guān)，它們之間存在一定的關(guān)系?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，由于松散承壓含水層下采煤覆巖的特殊運(yùn)動(dòng)規(guī)律，使得地面水文觀測(cè)孔水位的變化由于覆巖破斷形式的不同，經(jīng)常表現(xiàn)出不同的變化形態(tài)。因此，研究地表長(zhǎng)觀孔水位變化與覆巖運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系，將有助于進(jìn)一步掌握松散承壓含水層下采煤覆巖的破壞運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)進(jìn)行壓架突水災(zāi)害的預(yù)警具有重要的意義。

研究發(fā)現(xiàn)，水位與采動(dòng)之間存在聯(lián)動(dòng)關(guān)系，即工作面回采便會(huì)引起長(zhǎng)觀孔水位的升降變化。

所謂微觀聯(lián)動(dòng)，即工作面每一刀煤的回采均會(huì)引起長(zhǎng)觀孔水位的升降變化，且與工作面開(kāi)采時(shí)間具有高度吻合的特點(diǎn)。工作面28號(hào)支架壓力曲線見(jiàn)圖1，圖1中數(shù)據(jù)點(diǎn)代表相同時(shí)間內(nèi)SQ8長(zhǎng)觀孔水位變化。在工作面處于檢修期間，沒(méi)有采動(dòng)影響，長(zhǎng)觀孔水位一直處于上升狀態(tài)，如圖1中虛線框中所指區(qū)域。當(dāng)工作面開(kāi)始回采，長(zhǎng)觀孔水位在半個(gè)小時(shí)之內(nèi)發(fā)生明顯下降，其下降幅度與工作面采動(dòng)速度有關(guān)，回采時(shí)間越長(zhǎng)，其下降量愈大。在相鄰回采的間隔時(shí)間內(nèi)，由于工作面暫時(shí)停采，水位又隨之出現(xiàn)回升現(xiàn)象，間隔時(shí)間越長(zhǎng)，回升的量越大，再次采動(dòng)后，水位將從回升的高度再次下降，直至本次回采停止。進(jìn)入下一次檢修期間時(shí)，水位同樣呈現(xiàn)持續(xù)的回升現(xiàn)象。水位變化的周期性與工作面采動(dòng)的周期性具有一致性。

圖1　水位變化與采動(dòng)關(guān)系圖

水位與工作面采動(dòng)之間存在微觀聯(lián)動(dòng)效應(yīng)的主要原因在于，含水層的流動(dòng)補(bǔ)給性能較好，滲透性強(qiáng)，能夠很敏感地反應(yīng)到采動(dòng)所引起的擾動(dòng)，尤其是在工作面來(lái)壓期間，這種敏感性表現(xiàn)的更為突出。由于巖層整體性強(qiáng)，煤層采動(dòng)會(huì)引起采動(dòng)應(yīng)力的快速傳遞，直至基巖頂界面之后，導(dǎo)致水位發(fā)生相應(yīng)的反應(yīng)。微觀聯(lián)動(dòng)效用明顯程度還受長(zhǎng)觀孔水位與工作面距離的影響。長(zhǎng)觀孔距離開(kāi)采區(qū)域越近，反應(yīng)越敏感。

水位在不同來(lái)壓時(shí)期變化幅度的不同，與來(lái)壓的強(qiáng)度、來(lái)壓步距等因素有關(guān)，來(lái)壓強(qiáng)度越大，來(lái)壓步距越大，水位下降幅度也越大；來(lái)壓強(qiáng)度小、來(lái)壓步距越小，水位下降的幅度也越小。水位變化與頂板來(lái)壓的這種關(guān)系稱作水位與來(lái)壓的宏觀聯(lián)動(dòng)效應(yīng)，其表現(xiàn)形式與前面所述微觀聯(lián)動(dòng)效應(yīng)相比，宏觀聯(lián)動(dòng)是反應(yīng)整個(gè)來(lái)壓過(guò)程中水位變化的特點(diǎn)，微觀聯(lián)動(dòng)僅反應(yīng)來(lái)壓過(guò)程中每次采動(dòng)時(shí)水位的變化特征，屬于整體和局部的關(guān)系。利用水位宏觀聯(lián)動(dòng)與微觀聯(lián)動(dòng)的特征，可以判斷工作面來(lái)壓強(qiáng)度及其是否具有壓架的危險(xiǎn)性。

3　基于長(zhǎng)觀孔水位降速的壓架突水災(zāi)害預(yù)警方法

通過(guò)水位下降速度可以對(duì)工作面壓架突水災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警，預(yù)警的關(guān)鍵在于確定具體開(kāi)采條件下發(fā)生壓架突水的水位降速臨界值?？偨Y(jié)以往的壓架突水災(zāi)害案例，發(fā)現(xiàn)工作面發(fā)生壓架時(shí)，必然發(fā)生突水事故。因此，在進(jìn)行壓架突水災(zāi)害預(yù)警時(shí)，以工作面不發(fā)生壓架作為壓架突水災(zāi)害預(yù)警的目標(biāo)。

根據(jù)長(zhǎng)觀孔水位隨覆巖運(yùn)動(dòng)的變化規(guī)律，結(jié)合地下水動(dòng)力學(xué)的相關(guān)原理，建立含水層水位降速與工作面來(lái)壓強(qiáng)度(活柱下縮量)之間的關(guān)系，見(jiàn)式(1)：

(1)

式中：

h—工作面切頂高度，即活柱下縮量，m；

L—工作面面長(zhǎng)，m；

Lm—主關(guān)鍵層周期來(lái)壓步距，m；

S—巖塊在采空區(qū)的下沉量，m；

Q—采動(dòng)引起的水流流量，m3/h；

T—含水層導(dǎo)水系數(shù)，m2/d；

u—含水層流速，m/d，u=r2μ*/4Tt；

t—水位下降到最低點(diǎn)的所用的時(shí)間，d；

μ*—含水層的貯水系數(shù)，m2/d；

r—長(zhǎng)觀孔距采動(dòng)區(qū)域的距離，m.

式(1)反映了含水層水位降速與工作面來(lái)壓強(qiáng)度(活柱下縮量)之間的關(guān)系，KH為一段時(shí)間內(nèi)的平均水位降速，h為支架活柱下縮量。

根據(jù)7131工作面第II塊段的開(kāi)采條件，煤層平均采高取3.5 m，假設(shè)發(fā)生壓架危險(xiǎn)，工作面采煤機(jī)最小不可通過(guò)采高為2.7 m，即活柱下縮量最大為0.8 m；工作面面長(zhǎng)為161 m；主關(guān)鍵層周期來(lái)壓步距取23 m；巖塊在采空區(qū)的下沉量為3.07 m；含水層導(dǎo)水系數(shù)137.8 m2/d；根據(jù)以往SQ8的水文數(shù)據(jù)資料，水位從開(kāi)始下降到最低點(diǎn)所用的時(shí)間為6天左右；含水層的貯水系數(shù)1.5×10-5m2/d；長(zhǎng)觀孔距采動(dòng)區(qū)域的距離757.96 m；含水層流速u取值為0.002 6 m/d；函數(shù)f[r2μ*/(4Tt)]取值為140，代入公式(1)后，計(jì)算得出針對(duì)7131工作面的臨界水位降速預(yù)警值為315 mm/d，即在7131工作面第II塊段的開(kāi)采過(guò)程中，若發(fā)現(xiàn)SQ8水位降速超過(guò)315 mm/d時(shí)，便需要及時(shí)提出預(yù)警。

根據(jù)7131工作面第III塊段的開(kāi)采條件，煤層平均采高取3.6 m，假設(shè)發(fā)生壓架危險(xiǎn)，工作面采煤機(jī)最小不可通過(guò)采高為2.7 m，即活柱下縮量最大為0.9 m；工作面面長(zhǎng)為161 m；平均周期來(lái)壓步距取24.6 m；巖塊在采空區(qū)的下沉量為3.25 m；含水層導(dǎo)水系數(shù)137.8 m2/d；根據(jù)以往SQ8的水文數(shù)據(jù)資料，水位從開(kāi)始下降到最低點(diǎn)所用的時(shí)間為8天左右；含水層的貯水系數(shù)1.5×10-5m2/d；長(zhǎng)觀孔距采動(dòng)區(qū)域中心的距離547.8 m；含水層流速u取值為0.002 6 m/d；函數(shù)f[r2μ*/(4Tt)]取值為140，代入公式(1)后，計(jì)算得出針對(duì)7131工作面的臨界水位降速預(yù)警值為507 mm/d，即在7131工作面第III塊段初采區(qū)域的開(kāi)采過(guò)程中，若發(fā)現(xiàn)SQ8水位降速超過(guò)507 mm/d時(shí)，便需要及時(shí)提出壓架突水災(zāi)害預(yù)警。值得說(shuō)明，該預(yù)警值適用于工作面距離SQ8長(zhǎng)觀孔較近的區(qū)域，初步確定為第III塊段開(kāi)采初期的前300 m，后期的預(yù)警需要根據(jù)工作面來(lái)壓情況進(jìn)行計(jì)算。

由于長(zhǎng)觀孔水位變化與采動(dòng)存在著微觀聯(lián)動(dòng)與宏觀聯(lián)動(dòng)效應(yīng)，有時(shí)當(dāng)天的水位下降量可能已經(jīng)達(dá)到了預(yù)警值，但是水位由于回采的結(jié)束而發(fā)生明顯、快速的上升，并沒(méi)有出現(xiàn)持續(xù)的大幅度下降，這種情況下的壓架突水災(zāi)害預(yù)警則應(yīng)按照以下步驟進(jìn)行：首先當(dāng)單日降速超過(guò)預(yù)警值時(shí)，需要對(duì)前2～3天的水位下降特點(diǎn)進(jìn)行綜合分析。通過(guò)計(jì)算近2～3天的平均降速，并與預(yù)警值對(duì)比，若發(fā)現(xiàn)水位呈連續(xù)下降現(xiàn)象，水位降深累計(jì)超過(guò)1 m，再結(jié)合工作面壓力情況，如果工作面普遍劇烈來(lái)壓并發(fā)生活柱大量下縮 的情況，那么需要發(fā)布?jí)杭芡凰疄?zāi)害預(yù)警。

4　建立壓架突水災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)

通過(guò)采集分析水位原始數(shù)據(jù)并進(jìn)行后期的處理分析，可以形成一套完整的基于長(zhǎng)觀孔水位降速的壓架突水災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)時(shí)記錄、采集水位數(shù)據(jù)，利用軟件進(jìn)行自動(dòng)分析后，計(jì)算得出實(shí)測(cè)的水位降速值。將實(shí)測(cè)水位降速值與理論計(jì)算所得的臨界水位降速預(yù)警值相比，確定是否需要進(jìn)行壓架突水預(yù)警。該方法能夠利用實(shí)時(shí)采集的水位數(shù)據(jù)，結(jié)合采動(dòng)覆巖破壞特征，提高突水預(yù)警的時(shí)效性和準(zhǔn)確性。

運(yùn)用該方法進(jìn)行突水災(zāi)害預(yù)警時(shí)可按下述步驟進(jìn)行：

1) 建立長(zhǎng)觀孔水位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。建立含水層水位變化的長(zhǎng)觀孔水位觀測(cè)系統(tǒng)，包括地面觀測(cè)子站、水位數(shù)據(jù)的遙測(cè)系統(tǒng)、本地和遠(yuǎn)程用戶管理終端。

2) 選擇進(jìn)行水位預(yù)警數(shù)據(jù)來(lái)源的地面長(zhǎng)觀孔。水位預(yù)警需要采集一個(gè)或是多個(gè)長(zhǎng)觀孔的水位變化數(shù)據(jù)，所選用的長(zhǎng)觀孔應(yīng)位于要預(yù)警的工作面附近，且對(duì)采動(dòng)的敏感性較強(qiáng)。

3) 確定含水層及所對(duì)應(yīng)長(zhǎng)觀孔的相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)。包括含水層水流流速、貯水系數(shù)、導(dǎo)水系數(shù)、水文觀測(cè)孔與采動(dòng)區(qū)域間的距離等。

4) 確定所要預(yù)測(cè)工作面的基本參數(shù)和存在突水危險(xiǎn)的臨界頂板下沉數(shù)據(jù)。工作面基本參數(shù)包括：煤層采高、主關(guān)鍵層來(lái)壓步距、工作面面長(zhǎng)、煤層頂板與主關(guān)鍵層間基巖厚度、主關(guān)鍵層以下巖層的碎脹系數(shù)；假定存在突水危險(xiǎn)時(shí)的臨界頂板下沉數(shù)據(jù)：工作面具有突水危險(xiǎn)時(shí)關(guān)鍵層破斷塊體在端面和采空區(qū)的頂板下沉量等。

5) 計(jì)算突水危險(xiǎn)臨界水位降速預(yù)警值。根據(jù)引起水位下降的基巖頂界面下沉漏斗體積等于采空區(qū)最大上傳空間體積的關(guān)系，反算當(dāng)工作面發(fā)生大面積切頂導(dǎo)致突水時(shí)能夠引起的最小水位降速值，作為防治突水災(zāi)害發(fā)生的臨界水位降速預(yù)警值。

6) 進(jìn)行工作面突水災(zāi)害預(yù)警。根據(jù)以上步驟所計(jì)算得到的臨界水位降速預(yù)警值，與長(zhǎng)觀孔水位遙測(cè)系統(tǒng)所采集的實(shí)際水位降速值對(duì)比，若實(shí)測(cè)水位降速值小于理論計(jì)算的臨界水位降速預(yù)警值，則無(wú)突水危險(xiǎn)；若實(shí)測(cè)水位降速值大于理論計(jì)算的臨界水位降速預(yù)警值，則存在突水危險(xiǎn)。

7) 指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)采實(shí)踐。根據(jù)水位降速預(yù)警結(jié)果，對(duì)本礦的開(kāi)采實(shí)踐進(jìn)行指導(dǎo)，在具有突水危險(xiǎn)的工作面，需要及時(shí)采取防范措施；對(duì)于集團(tuán)級(jí)的用戶終端，可以及時(shí)了解、掌握工作面所面臨的危險(xiǎn)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)與礦級(jí)用戶的共同指揮。

5　總　結(jié)

通過(guò)以上研究發(fā)現(xiàn)，水位與采動(dòng)之間存在聯(lián)動(dòng)關(guān)系，即工作面回采便會(huì)引起長(zhǎng)觀孔水位的升降變化。通過(guò)計(jì)算近2～3天的平均降速，并與預(yù)警值對(duì)比，若發(fā)現(xiàn)水位呈連續(xù)下降現(xiàn)象，水位降深累計(jì)超過(guò)1 m，再結(jié)合工作面壓力情況，如果工作面普遍劇烈來(lái)壓并發(fā)生活柱大量下縮的情況，那么需要發(fā)布?jí)杭芡凰疄?zāi)害預(yù)警，同時(shí)依據(jù)地質(zhì)條件建立了基于長(zhǎng)觀孔水位降速的壓架突水災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)。

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