高承壓野青工作面礦壓顯現(xiàn)與水壓力變化關(guān)系研究

武文清

（峰峰集團(tuán) 孫莊采礦有限公司，河北 邯鄲 056200）

1 概 況

15449S 工作面為九龍礦2009 年恢復(fù)生產(chǎn)以來，開采的第二個(gè)野青工作面，也是開采標(biāo)高最深的一個(gè)工作面。在回采過程中，工作面頂板來壓頻繁，造成回采進(jìn)度緩慢。該工作面采前雖采取了地面區(qū)域治理工程，對(duì)工作面布置范圍內(nèi)煤層底板奧陶系灰?guī)r含水層進(jìn)行超前探查和注漿加固工作并進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，但回采期間仍有出水現(xiàn)象。因此，在工作面回采過程中有待于通過各項(xiàng)水文數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，對(duì)區(qū)域治理后的工作面涌水量、觀測(cè)孔水位及礦壓之間的變化聯(lián)系進(jìn)行分析總結(jié)，找出礦壓與水壓之間的變化規(guī)律，為今后野青工作面頂板來壓進(jìn)行預(yù)警和安全回采提供重要技術(shù)依據(jù)。

2 工作面水文地質(zhì)情況

2.1 工作面概況

15449S 工作面為九龍礦北翼4 號(hào)煤（野青）工作面，2005 年11 月21 日～12 月12 日，河北省煤田物測(cè)隊(duì)對(duì)九龍礦北翼深部進(jìn)行了三維地震勘探工作，勘探面積為3.5 km2。共完成三維地震線束20 條，線束物理點(diǎn)2 916 個(gè)；試驗(yàn)點(diǎn)位3 個(gè)，試驗(yàn)物理點(diǎn)34 個(gè)，總物理點(diǎn)2 950 個(gè)。2006 年10 月提交的《峰峰集團(tuán)有限公司九龍礦北翼二水平三維地震勘探報(bào)告》，初步查明了區(qū)內(nèi)主要可采煤層的埋藏深度及構(gòu)造形態(tài)，勘探區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)直徑大于20 m×20 m 的陷落拄，共解釋出17 條正斷層，峰峰集團(tuán)有限公司于2006 年11 月評(píng)審?fù)ㄟ^。

該面煤層賦存較穩(wěn)定，煤層結(jié)構(gòu)為單一煤層，上順槽煤厚為1.0～1.4 m，切眼煤厚為1.0～1.1 m，下順槽煤厚為1.0～1.4 m，平均煤厚為1.2 m。煤層傾角16°～20°。煤層頂板為2.1 m 厚野青灰?guī)r；直接底板為5.8 m 厚粉砂巖。

15449S 工作面地面標(biāo)高+115—+130 m，井下標(biāo)高-820—-890 m。北部為北五采區(qū)軌道暗斜井，東部為井田邊界，南部為工業(yè)廣場(chǎng)保護(hù)煤柱，西部為待掘15447S 工作面。工作面走向長(zhǎng)度586～618 m，傾斜長(zhǎng)度124～126 m，開采面積71 290 m2，可采儲(chǔ)量約11.9 萬t。

該工作面構(gòu)造簡(jiǎn)單，F(xiàn)35 斷層在北五采區(qū)軌道下山暗斜井、北五采區(qū)風(fēng)暗斜井已經(jīng)揭露過，揭露時(shí)落差為25 m 左右，位置可靠，位于工作面東部，未進(jìn)入工作面；f01 斷層在工作面下巷揭露，揭露時(shí)落差為H=0.6 m∠70°；f02 斷層在工作面下巷揭露，揭露時(shí)落差為H=0.2 m∠30°；f03 斷層在工作面切眼揭露，揭露時(shí)落差為H=0.4 m∠35°；f04 斷層在工作面切眼揭露，揭露時(shí)落差為H=0.7 m∠86°；f05 斷層在工作面切眼揭露，揭露時(shí)落差為H=0.8 m∠65°。

2.2 工作面水文地質(zhì)條件

根椐勘探情況及巷道掘進(jìn)揭露分析，影響該工作面安全開采的含水層主要有4 號(hào)煤層頂部的石炭系野青灰?guī)r、煤層底板的山伏青灰?guī)r、大青灰?guī)r等薄層灰?guī)r含水層，威脅工作面開采的含水層為煤系基底的奧陶系厚層灰?guī)r含水層。

（1） 野青灰?guī)r含水層。野青灰?guī)r為野青煤直接頂板，野青灰?guī)r平均層厚2.1 m，經(jīng)野青巷道實(shí)際揭露證實(shí)，該含水層水量較小，主要以滴、淋水形式涌入工作面，對(duì)工作面回采影響很小。

（2） 山伏青灰?guī)r含水層。伏青灰?guī)r上距4 號(hào)煤底板間距36 m 左右，山青灰?guī)r平均層厚0.5 m，伏青灰?guī)r平均層厚3 m 左右，該含水層富水性不均一，經(jīng)工作面底板驗(yàn)證孔鉆探揭露證實(shí)水量很小，對(duì)工作面回采影響很小。

（3） 大青灰?guī)r含水層。大青灰?guī)r為大青煤直接頂板，層位和厚度均穩(wěn)定，厚度5 m 左右。根據(jù)各底板驗(yàn)證孔實(shí)際揭露情況比對(duì)分析，大青灰?guī)r頂上距4 煤底板間距72 m 左右，屬灰?guī)r裂隙巖溶水中等含水層。經(jīng)實(shí)際鉆探揭露證實(shí)單孔涌水量為0.01（5-2 孔） ～0.16 m3/min（4-2 孔），水位標(biāo)高為-625.5（5-3 孔） —-407.4 m（6-1 孔）。富水性不均勻，局部富水性相對(duì)較強(qiáng)，工作面底板驗(yàn)證孔揭露大青灰?guī)r情況見表1。

表1 15449S 工作面底板驗(yàn)證孔水文數(shù)據(jù)一覽Table 1 Hydrologic data list of verification holes in 15449S working face floor

（4） 奧陶系灰?guī)r含水層。該層為煤系地層基底，奧灰含水層總厚度500～600 m，根據(jù)地面施工各分支水平孔和井下底板驗(yàn)證孔（5-1 孔和6-2孔） 揭露情況，含水層頂面上距4 號(hào)煤底板層間距一般厚度在105 m 左右，水質(zhì)類型為Cl·SO4-Ca·Na 型，近3 a 水位標(biāo)高+95.62—+117.76 m。由于該含水層其分布面積廣、厚度大，具有巨大的動(dòng)、靜水儲(chǔ)量，為該工作面煤層底板防治水主要對(duì)象。

綜上分析，工作面充水水源主要為頂板野青灰?guī)r水和底板各薄層灰?guī)r含水層水，充水通道為煤層頂、底板導(dǎo)水裂隙帶。底板主要強(qiáng)含水層（奧灰含水層水） 在無垂向補(bǔ)給通道、陷落柱等破壞情況下，對(duì)上部4 號(hào)煤開采無影響。

2.3 工作面構(gòu)造及導(dǎo)水通道分析

結(jié)合地面區(qū)域注漿漏失點(diǎn)位置和采前綜合物探成果報(bào)告，針對(duì)性的設(shè)計(jì)施工完成了底板驗(yàn)證孔12個(gè)，依據(jù)工作面底板驗(yàn)證孔實(shí)際揭露各含水層觀測(cè)，山伏青灰?guī)r含水層最大涌水量為0.06 m3/min；大青灰?guī)r含水層最大涌水量為0.16 m3/min。根據(jù)工作面區(qū)域治理分支水平孔和底板驗(yàn)證孔探查資料分析，工作面內(nèi)未發(fā)現(xiàn)隱伏（含） 導(dǎo)水構(gòu)造，揭露的斷層均為小斷層，正常情況下不富水、不導(dǎo)水。

2.4 工作面地面區(qū)域治理工程

在15449S 工作面及外圍范圍內(nèi)，施工注漿主孔1 個(gè)，分支水平孔9 個(gè)，孔間距為40 m，控制層位在奧灰頂面以下35 m 左右，合計(jì)鉆探進(jìn)尺9 381.8 m，通過水平鉆進(jìn)探查到明顯漏失點(diǎn)21 個(gè)，并對(duì)漏失點(diǎn)進(jìn)行注漿加固，合計(jì)注水泥及粉煤灰27 346 t。通過地面區(qū)域治理工程，采取即漏即注的技術(shù)措施，對(duì)導(dǎo)含水構(gòu)造進(jìn)行注漿、加固，切斷了奧灰含水層垂向補(bǔ)給上覆巖層的通道，增強(qiáng)了工作面煤層底板巖層的阻隔水性能。

3 礦壓顯現(xiàn)與水壓力變化關(guān)系

3.1 工作面頂板來壓與水位變化情況

為找出礦壓與水壓之間變化規(guī)律，工作面回采前，在停采線附近底板設(shè)計(jì)施工山伏青觀測(cè)孔，山伏青含水層距工作面底板間距36 m 左右。觀測(cè)孔初始水量0.15 m3/min，水壓5.51 MPa。為方便觀測(cè)，在觀測(cè)孔上安裝壓力傳感器，進(jìn)行實(shí)時(shí)在線觀測(cè)。

15449S 工作面自2016 年6 月開采至2017 年10 月，上巷已推進(jìn)189.79 m，下巷已推進(jìn)213.61 m，平均推進(jìn)201.7 m。工作面老頂初次來壓步距平距為69.8 m，周期來壓步距在3.42～17.4 m，平均為9.84 m。工作面每次頂板來壓時(shí)，水量、微震事件個(gè)數(shù)、觀測(cè)孔水壓情況見表2。

表2 工作面頂板來壓與水位變化情況Table 2 Roof pressure and water level variation of working face

根據(jù)表2 數(shù)據(jù)，繪制工作面頂板來壓與水位變化關(guān)系，如圖1 所示。

圖1 工作面礦壓顯現(xiàn)與水壓力變化關(guān)系Fig.1 Relation between ore pressure development and water pressure change in working face

根據(jù)圖1 可以看出，工作面頂板來壓前工作面涌水量呈下降趨勢(shì)，工作面山伏青觀測(cè)孔水位上升；頂板來壓期間，觀測(cè)孔水位已上升到最大值開始下降，涌水量開始增加。工作面頂板來壓結(jié)束后，觀測(cè)孔水位開始下降，涌水量趨于平緩后緩慢下降。工作面頂板來壓前后，涌水量與觀測(cè)孔水壓（位） 呈規(guī)律性變化。

3.2 礦壓顯現(xiàn)與水壓力變化關(guān)系分析

通過工作面微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析，工作面頂板來壓前事件較集中在野青灰?guī)r以上20 m，2 煤底板以下20 m 的砂巖中，來壓后大煤頂板事件增多，采空區(qū)頂板也出現(xiàn)大煤頂板事件，說明大煤頂板至4煤處有裂隙產(chǎn)生。底板事件相對(duì)較少，主要發(fā)育在山伏青含水層以上層位，工作面來壓時(shí)微震事件數(shù)量也呈規(guī)律性變化。因此，由于工作面底板破壞深度剛好到山伏青含水層，也為其水位變化與礦壓之間的響應(yīng)關(guān)系，提供了技術(shù)保障。

工作面頂板來壓時(shí)根據(jù)支架礦壓監(jiān)測(cè)顯示承受壓力高達(dá)25～100 MPa，證實(shí)隨著工作面開采深度和回采面積的不斷增加，當(dāng)覆巖發(fā)生斷裂將要跨落時(shí)，底板承受著巨大的支承壓力，對(duì)底板巖體造成破壞。隨著應(yīng)力集中區(qū)的逐漸增大，致使底板巖體發(fā)生破壞，底板巖層的隔水性能降低，造成底板薄層灰?guī)r承壓水的涌入。

綜上所述，工作面頂板來壓前底板裂隙處于閉合狀態(tài)，涌水量呈下降趨勢(shì)。由于出水量減小，補(bǔ)給量不變，故山伏青觀測(cè)孔水位呈上升趨勢(shì)；頂板來壓期間，工作面底板裂隙處于張開狀態(tài)，涌水量開始增大，觀測(cè)孔水位已上升到最大值開始下降；來壓過后，觀測(cè)孔壓力持續(xù)下降，水量趨于平緩后緩慢下降，直至到下次工作面來壓前開始下個(gè)循環(huán)。工作面頂板來壓前后，涌水量與觀測(cè)孔水壓（位） 均呈規(guī)律變化。

4 結(jié) 論

（1） 通過分析工作面礦壓與水壓力之間的關(guān)系，總結(jié)出了高承壓野青工作面礦壓顯現(xiàn)與水壓力變化關(guān)系響應(yīng)規(guī)律，解決了高承壓野青工作面來壓時(shí)間和步距不規(guī)律，難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的難題。

（2） 成功應(yīng)用高承壓野青工作面礦壓顯現(xiàn)與水壓力變化關(guān)系響應(yīng)規(guī)律，進(jìn)行采動(dòng)應(yīng)力、水壓力、涌水量的預(yù)警預(yù)報(bào)，確保了工作面安全帶壓開采。

（3） 工作面底板以下27 m 有微震事件，說明底板已破壞至山伏青層位。工作面每次頂板來壓時(shí)，底板裂隙被壓開，工作面涌水量開始變大，鉆孔水位急劇下降。隨著工作面回采，頂板逐漸垮落壓實(shí)采空區(qū)底板，導(dǎo)水裂隙通道被壓實(shí)，涌水量開始減小，鉆孔水位開始上升。當(dāng)觀測(cè)孔水位上升到一定值后（3 MPa 左右），預(yù)示著工作面下次頂板來壓開始。

（4） 工作面經(jīng)過地面區(qū)域治理后，工作面水文地質(zhì)條件得到了改造，有效降低了奧灰含水層大水量突水的風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到了保水開采的目的。