近距離煤層采空區(qū)下工作面防治水技術(shù)研究

摘 要：針對近距離煤層工作面上覆采空區(qū)積水問題，結(jié)合陜西匯森煤業(yè)涼水井礦431盤區(qū)實際開采條件，理論計算431盤區(qū)工作面開采導水裂隙及421盤區(qū)工作面底板裂隙發(fā)育高度，數(shù)值模擬43101工作面推進期間導水裂隙帶發(fā)育的時空演化進程，揭示工作面涌水分布特征，建立掘進期間物探與鉆探綜合探測及回采期間工作面超前探放水的綜合防治水技術(shù)體系。結(jié)果表明：431盤區(qū)工作面導水裂隙能夠發(fā)育至4-2煤層采空區(qū)，421盤區(qū)采空區(qū)積水通過導水裂隙涌入431盤區(qū)工作面;傾向?qū)严?、采空區(qū)深部、工作面?zhèn)茸呦驅(qū)严稙槭撞晒ぷ髅嬗克饕ǖ馈，F(xiàn)場工業(yè)性試驗表明，工作面超前探放水的方法可以有效解決工作面積水治理問題，研究結(jié)果可為近距離煤層采空區(qū)下防治水提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：近距離煤層;采空區(qū);導水裂隙;防治水

中圖分類號：TD821

文獻標志碼：A

采空區(qū)水一般積存量比較小，只有幾噸或幾 十噸[1]，但工作面采掘過程中一旦與采空區(qū)導通，將會對采掘活動造成一定的安全隱患。近年來，國內(nèi)外學者對采空區(qū)防治水機理及技術(shù)進行了大量研究與實踐。田世雄等在收集以往綜采工作面采空區(qū)積水量計算方法的基礎(chǔ)上，提出新的采空區(qū)積水量計算的方法，合理計算出礦井內(nèi)部以及周邊相鄰礦井采空區(qū)的積水量[2]。肖華等提出了綜合考慮采空區(qū)積水壓力和煤柱浸水衰減影響的礦井邊界煤柱留設計算新方法[3]。楊建敏等通過研究大巷下山煤柱應力分布，老空區(qū)積水賦存狀態(tài)，建立水力滲透模型，分析大面積老空水運移規(guī)律及周圍工作面水力聯(lián)系[4]。劉軍榮通過原位取芯、頂板窺視、礦物組分測試等方法對防治水技術(shù)措施進行了研究，并提出布置探放鉆孔的方法對采空區(qū)積水進行治理[5]。鄭磊等人提出了采前疏放與采后疏排相結(jié)合、留設防水防沙煤巖柱、引流工程與地表裂縫回填相結(jié)合的技術(shù)方案[6]。劉德旺提出了深部開采以疏水降壓為主、注漿為輔的底板防治水技術(shù)措施[7]。郭星星等采用定向鉆孔技術(shù)將上覆煤層采空區(qū)內(nèi)的積水疏放到下組煤巷道內(nèi)水倉或水窩中[8]。白玉峰通過分析煤層賦存情況，對水患分析情況進行了預計，依據(jù)煤礦防治水規(guī)程對探放水工程進行了設計，實踐應用效果表明該設計能有效地疏干采空區(qū)積水[9]。王革良等根據(jù)積水情況對工作面的影響程度進行了預判，并提出了探放水工作采用分區(qū)布置鉆場、垂直角度大孔徑鉆孔設計、鉆孔終孔位置布置在上部采空區(qū)巷道內(nèi)側(cè)等工藝，取得了較好的探放水效果[10]，另外，利用物探與鉆探相結(jié)合確定富水異常區(qū)及出水量[11]。

綜上，以涼水井431首采工作面作為研究對象，對近距離煤層下水文地質(zhì)進行探索和總結(jié)，從而形成符合生產(chǎn)實際的防治水技術(shù)，為相似條件下礦井提供技術(shù)參考。

1 工程概況

涼水井礦431盤區(qū)位于涼水井礦首采421盤區(qū)正下方，盤區(qū)東西長約2.8 km，南北長約5.73 km，可采儲量1 174萬t，煤層傾角為1°，底板巖層內(nèi)摩擦角為30°。目前，431盤區(qū)上覆9個工作面已回采完畢，并且工作面采空區(qū)均存在不同程度的積水現(xiàn)象，盤區(qū)內(nèi)4-2煤與4-3煤層平均間距為24.92 m，盤區(qū)開采時導水裂隙有可能導通上覆采空區(qū)，給工作面開采帶來安全隱患。

根據(jù)421盤區(qū)積水區(qū)域，得到431盤區(qū)工作面上覆采空區(qū)積水分布，如圖1所示。為保障采空區(qū)下工作面的安全回采，對431盤區(qū)首采工作面（43101）的導水高度進行預測，分析涌水通道分布特征，并在工作面回采期間制定有效的上覆采空區(qū)涌水治理方案。

2 工作面導水高度發(fā)育特征

2.1 理論分析

431盤區(qū)工作面導水發(fā)育高度，分別為431盤區(qū)工作面開采導水裂隙發(fā)育及421盤區(qū)工作面底板裂隙發(fā)育。

2.1.1 431盤區(qū)工作面開采導水裂隙帶高度

431盤區(qū)煤層采用長壁開采方法，煤層為近水平煤層，覆巖為中硬巖層，近距離煤層開采時導水裂隙帶高度Hd為[12]：

Hd=20∑M+10（1）

式中，∑M為累計采高，為1.1～1.4 m。

計算得到，431盤區(qū)煤層開采時導水裂隙帶高度為30.6～33.7 m。

2.1.2 421盤區(qū)煤層采空區(qū)底板裂隙發(fā)育深度

421盤區(qū)煤層開采后引起底板破壞，其破壞深度與開采范圍及采空區(qū)周圍的支承壓力分布有關(guān)，其破壞深度計算公式[13]：

H′d=L cos θ2 cos （π4 + φ2）e（π4 + φ2）tan φ（2）

式中，H′d為421盤區(qū)工作面底板破壞深度，m;L為超前支承壓力峰值離煤壁距離，取5 m;θ為4-2煤層傾角，取1°;φ為底板巖層內(nèi)摩擦角，取30°。

計算得到：421盤區(qū)工作面采空區(qū)底板裂隙發(fā)育深度為9.2 m。因此，431盤區(qū)煤層工作面導水發(fā)育高度為：

H=H′d+Hd（3）

根據(jù)431盤區(qū)煤厚分布特征，以及導水裂隙發(fā)育特征，繪制431盤區(qū)工作面導水發(fā)育高度等值線圖，如圖2所示。

431盤區(qū)內(nèi)工作面導水發(fā)育高度在39.8～42.7 m。431盤區(qū)內(nèi)4-2與4-3煤間距為21.99 m～29.2 m，平均24.92 m，間距比較穩(wěn)定，東南部較大，間距最小點位于盤區(qū)中部，從北向南變化較小。4-2與4-3煤間距等值線圖如圖3所示。

431盤區(qū)工作面導水裂隙帶發(fā)育高度大于4-2與4-3煤層間距，即421盤區(qū)采空區(qū)積水能通過導水裂隙涌入431盤區(qū)工作面，造成工作面開采的安全隱患。

2.2 數(shù)值模擬

參照431工作面實際條件，建立工作面采掘的UDEC2D數(shù)值模型，模擬43101工作面采掘過程，揭示工作面裂隙發(fā)育特征。

2.2.1 模型建立

建立工作面采掘的UDEC2D數(shù)值模型，模型建至地表，模型尺寸為300 m×195 m（長度×高度），如圖4所示，模擬采用莫爾-庫倫屈服準則，模型側(cè)邊與底邊固定位移邊界，上部施加均布載荷q，可用q=γh表示[14]，其中γ為上覆巖層的平均體積力，h為模型上邊界埋深。煤巖體物理力學參數(shù)見表1。

2.2.2 首采工作面導水裂隙發(fā)育情況

基于涼水井礦431盤區(qū)實際生產(chǎn)條件，取43101工作面長度為160 m，分別研究沿工作面傾向、走向方向工作面導水裂隙發(fā)育規(guī)律。

（1）沿工作面傾向方向

為充分掌握工作面傾向方向的裂隙發(fā)育特征，數(shù)值計算中充分考慮4-2煤層工作面開采現(xiàn)狀，結(jié)果如圖5所示。

沿工作面傾向方向，42101工作面開采的底板裂隙發(fā)育范圍較小，不能導通43101工作面;43101工作面開采導水裂隙主要位于工作面兩端頭附近;由回風巷向工作面內(nèi)30 m及運輸巷向工作面內(nèi)35 m范圍。43101工作面回采期間輔運巷上方導水裂隙較少，未能溝通上覆采空區(qū)，輔運巷不會出現(xiàn)巷道涌水現(xiàn)象。

（2）沿工作面走向方向

在4-2煤層工作面開挖平衡后，沿43101工作面走向方向開挖，步距為5 m，工作面推進距離為100 m，43101工作面頂板導水裂隙發(fā)育情況，如圖6所示。

沿工作面走向方向，43101工作面推進過程中，頂板導水裂隙帶逐漸向4-2煤層采空區(qū)發(fā)育;工作面由開切眼至推進距離30 m范圍內(nèi)，頂板導水裂隙不能夠?qū)ㄉ细膊煽諈^(qū)，如圖5（a）所示;推進距離為35 m時，43101工作面采空區(qū)中部導水裂隙首先與42101工作面采空區(qū)導通，上覆采空區(qū)積水開始通過裂隙涌入43101采工作面采空區(qū);推進距離為40 m時，工作面處及采空區(qū)邊界處導水裂隙開始與上覆采空區(qū)導通，上覆采空區(qū)積水可以通過裂隙涌入43101工作面，工作面會產(chǎn)生積水現(xiàn)象，影響工作面的正常生產(chǎn)，如圖5（b）所示;隨著工作面的繼續(xù)推進，工作面?zhèn)葘严独^續(xù)發(fā)育，并保持持續(xù)貫通上覆采空區(qū)，如圖5（c）所示;同時沿工作面走向方向上，工作面采空區(qū)中部的裂隙逐漸被壓實，在推進距離為100 m時，采空區(qū)中部裂隙完全閉合，有效導水裂隙主要分布在工作面?zhèn)燃安煽諈^(qū)深部，如圖5（d）所示。

綜上，43101工作面導水裂隙通道分為傾向?qū)严锻ǖ?、走向?qū)严锻ǖ?。傾向?qū)严锻ǖ乐饕植荚?3101工作面兩端，回風巷側(cè)30 m、運輸巷側(cè)35 m范圍，在工作面推進過程中，傾向?qū)严栋l(fā)育范圍基本保持不變。走向?qū)严锻ǖ乐饕譃椴煽諈^(qū)深部邊界處、采空區(qū)中部、工作面?zhèn)?，工作面由開切眼推進距離為35 m時，采空區(qū)中部導水裂隙開始貫通上覆采空區(qū)，在工作面繼續(xù)推進的過程中，導水裂隙逐漸發(fā)育并最終閉合，在工作面推進距離為100 m時，導水裂隙閉合;工作面推進40 m時，采空區(qū)深部邊界處、工作面?zhèn)葘严妒状呜炌ㄉ细膊煽諈^(qū)，在工作面后續(xù)推進過程中，導水裂隙保持貫通上覆采空區(qū)，工作面?zhèn)葘严冻?-2煤層上覆采空區(qū)15～20 m，采空區(qū)邊界側(cè)導水裂隙在工作面推進至100 m左右開始趨于穩(wěn)定。

基于掌握工作面導水裂隙發(fā)育情況條件下，對43101工作面防治水體系的建立主要為明確涌水通道的分布特性，得到適和的探放水方案。

3 工作面涌水分布特征

根據(jù)現(xiàn)場實測，得到43101工作面開采上覆采空區(qū)積水分布，如圖7所示，采空區(qū)積水主要分布在A、B兩區(qū)域，其中B區(qū)域位于431盤區(qū)保護煤柱線以內(nèi)，根據(jù)涌水通道可以判斷B區(qū)域積水對于43101工作面的開采不會造成影響，為此工作面開采期間主要考慮A區(qū)域內(nèi)采空區(qū)積水。

根據(jù)43101工作面傾向及走向裂隙發(fā)育特征，繪制出43101工作面上覆采空區(qū)積水導通區(qū)域，如圖7（b）所示。

根據(jù)傾向方向裂隙發(fā)育特點，可以得出42101工作面采空區(qū)積水均能夠通過傾向涌水通道涌入43101工作面，受上覆殘留煤柱的影響，42102工作面采空區(qū)未導通43101工作面;根據(jù)走向工作面?zhèn)攘严栋l(fā)育超前上覆采空區(qū)的特點，得到43101工作面涌水區(qū)域為，由開切眼至回風巷側(cè)推進556 m，膠運巷側(cè)推進562 m范圍。

綜上，為確保43101工作面在掘進、回采期間的安全推進，考慮上覆采空區(qū)積水的威脅，針對43101工作面首先需進行巷道超前探放水工作，后在工作面巷道系統(tǒng)形成后，開展相應的工作面頂板疏放水工程，并提出合理的工作面排水實施方案。

4 探放水方案

43101工作面防治水工程主要包括回采巷道掘進期間、工作面回采前期及工作面回采期間三個階段。

受上覆4-2煤層工作面采空區(qū)積水的影響，43101工作面巷道掘進期間，采用物探與鉆探相結(jié)合的綜合探測技術(shù)，合理運用水文地質(zhì)物探技術(shù)，以物探指導鉆探，查清上覆采空區(qū)積水分布特征。

工作面準備完畢后，在工作面開始回采前期，利用直流電法與瞬變電磁法相結(jié)合的方法對工作面疑似含水區(qū)進行超前勘探，確定首采工作面積水區(qū)位置。

本次瞬變電磁的勘探網(wǎng)格為40 m（線距）×20 m（點距），在疑似含水區(qū)上東西向布置直流電測深勘探線1條，點距100 m，如圖8所示。

針對地面直流電法和瞬變電磁物探結(jié)果，繪制工作面疑似含水區(qū)分布圖，對工作面上覆采空區(qū)積水區(qū)進行二次探放水作業(yè)，對于小區(qū)域內(nèi)的上覆采空區(qū)積水按照掘進期間的疏放水原則進行疏放，對于大面積積水區(qū)域，采取施工疏放水鉆場的方法進行疏放上覆采空區(qū)積水，如圖9所示。根據(jù)43101工作面上覆4-2煤層底板等高線，使疏水鉆孔終孔位置應盡量處在上覆采空區(qū)低洼區(qū)，在膠運巷和回風巷同時施工，合理布置打鉆方向及位置，確保最大程度的對上覆采空區(qū)積水進行疏放。

43101工作面未實施準備工程量以前，上覆42101工作面采空區(qū)涌水量穩(wěn)定在20 m3/h，經(jīng)回采巷道超前探放水、工作面超前探放水作業(yè)后，上覆采空區(qū)積水大部分得到疏放，有效地解決工作面內(nèi)部積水治理問題。

5 結(jié)論

（1）理論計算中431盤區(qū)工作面導水發(fā)育高度在39～43 m，盤區(qū)內(nèi)4-2與4-3煤間距為21.99～29.2 m，則421盤區(qū)采空區(qū)積水通過導水裂隙涌入431盤區(qū)工作面。

（2）數(shù)值模擬中傾向涌水通道主要位于工作面兩端，回風巷側(cè)30 m、運輸巷側(cè)35 m范圍;走向?qū)严栋ú煽諈^(qū)深部邊界處、采空區(qū)中部、工作面?zhèn)龋煽諈^(qū)中部導水裂隙經(jīng)歷“閉合-導通-閉合”的發(fā)育過程，走向涌水通道主要分布在采空區(qū)深部邊界及工作面?zhèn)?，工作面?zhèn)瘸?-2煤層上覆采空區(qū)15～20 m，采空區(qū)邊界側(cè)導水裂隙在工作面推進至100 m左右開始趨于穩(wěn)定。

（3）針對431上覆采空區(qū)涌水危險區(qū)域，建立掘進期間物探與鉆探相結(jié)合的綜合探測技術(shù)及回采期間工作面超前探放水的近距離煤層采空區(qū)下綜采工作面防治水技術(shù)體系，能有效解決工作面積水問題。

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（責任編輯：于慧梅）

Research on Water Prevention and Control Technology of Lower

Working Face in Short Distance Coal Seam Goaf

YANG Shuai1，WANG Chen*1，2，GAO Yuwen1，ZHU Huotian1

（1.School of Mining， GuizhouUniversity， Guiyang 550025， China;2.Chongqing Energy Investment Group Co.， Ltd.， Chongqing 400060， China）

Abstract：

For close distance coal seam working face under goaf water problems， combining with the Shaanxi Hui sen Coal Liangshuijing Mine 431 panel actual mining conditions， The development height of mining water-conducting fractures of working face in 431 plate and floor fractures of working face in 421 plate are calculated theoretically. The spatial and temporal evolution process of the development of water conducting fractures zone during the driving period of 43101 working face was simulated to reveal the distribution characteristics of water gushing at the working face， and the comprehensive water prevention and control technology system of geophysical exploration and drilling comprehensive exploration during the driving period and advanced exploration and drainage during the mining period was established. The results show that the water conduction fractures of 431 working face can develop to 4-2 coal seam goaf， and the water of 421 working face floods into 431 working face through the water conduction fractures.The water-conducting fractures， deep goaf and sideway working face conducting water fractures are the main water gushing channel of the first working face. The field industrial test shows that the method of advance exploration and drainage of working face can effectively solve the problem of water control in working face， and the research results can provide technical support for water control in the near coal seam goaf.

Key words：

proximal coal seam; mined-out area; water-conducting cracks; prevention and control of water

收稿日期：2021-03-02

基金項目：國家自然科學基金資助項目（51904081）;貴州省科技計劃資助項目（黔科合支撐[2020]4Y042號）

作者簡介：楊 帥（1994—），男，在讀碩士，研究方向：巖層控制與采煤方法，E-mail：1052645021@qq.com.

通訊作者：王 沉，E-mail：cwang@gzu.edu.cn.