礦井采空區(qū)冒落結(jié)構(gòu)與充水性特征研究

靳 琦

(山西焦煤汾西礦業(yè)集團柳灣煤礦，山西 孝義 032300)

合理確定采空區(qū)內(nèi)積水量、水頭高度以及積水范圍，對礦井采取針對性探放水工作具有重要的指導(dǎo)意義[1～3]?，F(xiàn)階段對于水頭高度H≤5m且頂板巖性結(jié)構(gòu)較為單一的采空區(qū)內(nèi)積水預(yù)測積水較為成熟，預(yù)測結(jié)果較為準確。但是對于頂板結(jié)構(gòu)復(fù)雜的復(fù)合頂板、水頭高度≥5m采空區(qū)內(nèi)水量預(yù)測結(jié)果與現(xiàn)場實際排放水情況有較大差異[4～6]。該種頂板類型下采空區(qū)內(nèi)含水量與頂板冒落結(jié)構(gòu)及充水特性有密切關(guān)聯(lián)，文中就對采空區(qū)內(nèi)冒落結(jié)構(gòu)與充水性特征研究，以期能更好的促進采空區(qū)內(nèi)積水防治工作。

1 工程概況

山西某礦3226采面現(xiàn)已回采結(jié)束4a，根據(jù)采面開采起伏情況推測出該采面采空區(qū)積水內(nèi)約11.5萬m3，其中第三段采空區(qū)內(nèi)積水量約為10.2萬m3，占采空區(qū)內(nèi)積水量約92%，該段范圍內(nèi)水頭壓力最大為22.2m，走向影響距離610m。

圖1 探放水鉆孔布置及采空區(qū)頂板垮落結(jié)構(gòu)

在3226采面與3228采面間有約8m煤柱，為了確保3228回采巷道掘進安全，在3228上順槽內(nèi)共計進行7次排放水，排放采空區(qū)內(nèi)積水約5.6萬m3，實際排水量僅為預(yù)測排水量的52%，預(yù)測結(jié)果存在較大誤差，分析原因是對采空區(qū)內(nèi)積水估算時取值K過大造成，未考慮采空區(qū)頂板冒落結(jié)構(gòu)影響。

2 采空區(qū)冒落結(jié)構(gòu)分析

3226采面位于3224與3228采面間，現(xiàn)階段3224采面已回采完畢，3228采面回采巷道正處于掘進階段?；夭晒ぷ髅骈_采3號煤層平均厚度3.0m，傾角15°。根據(jù)3226采面開采以及3228采面回采巷道掘進揭露地質(zhì)資料顯示，3226采面直接頂為泥巖、局部為細砂巖，基本頂為粉砂巖，直接底為泥巖、煤線組成的復(fù)合頂板，具體煤層頂?shù)装鍘r性見圖2。

以及現(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn)，3226采面開采的3號煤層冒落帶、裂隙帶高度分別為9～15m、24～36m。若采面回采頂板冒落后采空區(qū)上覆巖層未發(fā)生膨脹作用(即巖石碎脹系數(shù)Kc=1)，則推測出采空區(qū)內(nèi)積水段高度為22m，采空區(qū)內(nèi)積水段水頭處于頂板裂隙帶內(nèi)。在3號煤層頂?shù)装鍘r性情況下，簡化下的采空區(qū)上覆巖層中的裂隙帶含水、導(dǎo)水結(jié)構(gòu)模型見圖3，其中煤層頂板中的泥巖、煤線，直接頂中的泥巖等共同構(gòu)成了厚度約為2.4m的底板隔水層。在采空區(qū)上覆細砂巖(基本頂)構(gòu)成了含水層(厚度在7.0m)，基本頂上覆的泥巖以及煤線構(gòu)成中部弱透含水層(厚度在3.0m)；由上覆砂質(zhì)泥巖構(gòu)成了上部弱含水層(厚度在17m)。

圖2 煤層頂?shù)装鍘r性

圖3 采空區(qū)冒落后含水、導(dǎo)水簡化模型

3 采空區(qū)充水特征分析

在回采工作面頂板冒落帶范圍內(nèi)，采空區(qū)內(nèi)空間充填體積(V)由頂板冒落的煤、巖石體積(V1)，煤、巖石間水(V2)以及氣體(V3)構(gòu)成，其中水(V2)占體積比可以通過充水系數(shù)K表示。根據(jù)《礦井地質(zhì)工作手冊》有關(guān)規(guī)定，充水系數(shù)K與石碎脹系數(shù)Kc間關(guān)系為：

K=1-1/Kc

其中Kc取值一般為1.3～1.5。

設(shè)定3226采面回采完畢后，頂板7m厚細砂巖Kc取值1.0，即采面采空區(qū)頂板冒落后不發(fā)生碎脹。從現(xiàn)場探放水可知，在進行第七次探放水時采空區(qū)內(nèi)的水頭高度H7=5.0M，對應(yīng)高度為煤層上覆細砂巖冒落帶，此時的充水系數(shù)K=0.35，通過公式(1)可以反算出Kc=1.5，表示工作面上覆砂巖冒落后體積為原體積1.5倍，冒落后的頂板細砂巖發(fā)育高度為10.5m。

在第六、第七次探放水時采面采空區(qū)內(nèi)積水水頭高度在8.8m，因此可以斷定兩輪內(nèi)采空區(qū)積水上限均位于采空區(qū)上覆細砂巖冒落帶內(nèi)；第二到第五次探放水時，采空區(qū)內(nèi)水頭高度在細砂巖冒落帶內(nèi)高度逐漸降低。根據(jù)現(xiàn)場探放水結(jié)果，并結(jié)合公式(1)可以對頂板冒落結(jié)構(gòu)與巖石破脹系數(shù)Kc、充水細砂K間關(guān)系，具體見表1。

表1 頂板巖層破脹系數(shù)Kc、充水細砂K間關(guān)系

從上述分析結(jié)果及表1可以綜合得出，3226采面上覆細砂巖垮落后碎脹系數(shù)Kc在1.35～1.55間，整體比較大；充水系數(shù)K在0.26～0.35間，冒落后可以在采空區(qū)內(nèi)形成的空間具有較強的充水性，因此可以簡化認為是采空區(qū)內(nèi)的強透水層，發(fā)育厚度在10m左右；煤線、泥巖垮落碎脹細砂Kc在小于1.18，整體較小；充水系數(shù)K小于0.15，冒落之后形成的空間導(dǎo)水性差，可以簡化認為是采空區(qū)內(nèi)的弱透水層，發(fā)育厚度在3.3m左右；砂質(zhì)泥巖垮落后的碎脹系數(shù)Kc在1.18～1.35間，中等；充水系數(shù)K在0.14～0.26間，冒落后巖層在水平方向上裂隙不發(fā)育，垂向方向(縱向方向)裂隙高度發(fā)育且隨著高度增加垂向裂隙發(fā)育逐漸減弱，含水性以及導(dǎo)水性均較弱，冒落后可以在采空區(qū)內(nèi)形成的相對較弱的導(dǎo)水層，發(fā)育厚度在20m左右。通過上述分析，可以將3226采空區(qū)內(nèi)上覆巖層冒落后的充水模型簡化，具體見圖4。

圖4 采空區(qū)內(nèi)上覆巖層冒落后的充水簡化模型

4 總結(jié)

1)由于煤層上覆巖層結(jié)構(gòu)差異，頂板垮落后的形成的冒落結(jié)構(gòu)不盡相同。為了準確對采空區(qū)內(nèi)積水量進行預(yù)測，應(yīng)首先對采空區(qū)上覆巖層垮落后的冒落結(jié)構(gòu)特性進行分析，分析不同巖性巖層的K及Kc，以便構(gòu)建更為合理的采空區(qū)積水量預(yù)測模型。

2)從理論及現(xiàn)場實踐兩方面對3226頂板結(jié)構(gòu)下的冒落巖層的碎脹系數(shù)Kc、充水系數(shù)K間關(guān)系進行分析，可以在一定程度上指導(dǎo)礦井3號煤層開采后形成的采空區(qū)積水量預(yù)測，便于有針對性開展采空區(qū)防治水工作。