基于Surfer的采空區(qū)積水位置和范圍預(yù)測研究

張博龍，姬 凡

(陜西有色榆林煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

陜北侏羅紀煤田煤層賦存穩(wěn)定簡單，面積廣泛，儲量豐富，特別是位于煤田腹地的榆神礦區(qū)具有煤質(zhì)好、厚度大、傾角小，具有多個可采煤層等特點，開采技術(shù)條件十分優(yōu)越，具備建設(shè)大型現(xiàn)代化礦井的條件[1-2]。該區(qū)大型礦井多煤層開采和分層開采的情況十分突出，煤層頂板大都被多個含水層覆蓋，由于開采強度較大，礦井采空區(qū)涌水量普遍較大[3]，受煤層頂板起伏變化影響，工作面回采后，部分積水無法自然排出，在采空區(qū)內(nèi)形成大大小小的積水區(qū)，雖然這些積水區(qū)不會對當前開采構(gòu)成威脅，但是對今后下分層的開采留下了隱患[4-5]。采用分層開采和多煤層下行開采的礦井，如何準確地判定采空區(qū)積水的位置和范圍成為亟待解決的問題。神東石圪臺煤礦利用采空區(qū)底板等值線圖，大致劃定采空區(qū)積水的范圍，科學(xué)有效地解決在煤層層間距較小的情況下，下層煤頂板采空區(qū)積水對采掘工作面的突水問題，極大地提高探放水的效率。

馮國瑞等[5]提出復(fù)合采動影響下層間隔水控制層的基本概念，分析6種不同條件下層間隔水控制層的穩(wěn)定性，并給出合理有效的控制措施，避免上覆采空區(qū)積水對下部煤層開采的威脅；楊虎雄等[6]定量分析大陽泉煤礦導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度與煤層層間距之間的關(guān)系，論證采空區(qū)積水對下組煤開采的造成的影響；高有存[7]針對分層開采形成的采空區(qū)積水提出下分層掘進工作面探放水技術(shù)方案；劉治國[8]利用物探和鉆探相結(jié)合的方式，查明上煤層采空區(qū)積水范圍，有針對性地對上部采空區(qū)積水進行了疏放；張云峰[9]研究近距離煤層開采下層煤時，上覆采空區(qū)與下層煤層間隔水層的展布規(guī)律，提出“探掘分離、有掘必探、有采必探、先探后掘”的安全開采方案；張立其等[10]研究陜北淺埋煤層采空區(qū)積水下安全開采，提出安全技術(shù)措施；蔣澤泉等[11]分析評價神府礦區(qū)多煤層開采層間距較小的情況下，上覆采空區(qū)積水對下層煤開采突水危險性。

采空區(qū)以其隱蔽的分布、復(fù)雜的形態(tài)等特點，無法直接確定其空間形態(tài)和分布規(guī)律，隨著計算機三維建模軟件技術(shù)的發(fā)展，其在礦業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。以陜北侏羅紀煤田榆神礦區(qū)某煤礦為例，在回采工作面底板觀測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，基于Sufer的三維繪圖功能，引入“采空區(qū)底板三維地形圖”這一概念，將采空區(qū)的起伏凹陷形態(tài)直觀地反映出來，通過在凹陷處插入水平面，并調(diào)整水平面的高程，從而模擬采空區(qū)積水的位置和范圍。

1 工程背景

以陜北榆神礦區(qū)某礦井30101回采工作面為研究對象，工作面走向長度4 250 m，傾向長度299.1 m，平均采厚達9.13 m，工作面采用分層限高開采的方式，開采3號煤層的上分層，采厚為4.5 m；整個回采工作面底板總體趨勢為切眼高，回撤通道低，最大高差可達35～40 m，受煤層起伏變化的影響，工作面沿走向局部又呈現(xiàn)出波狀起伏，起伏最大高差5 m。由于工作面起伏較大，回采后在采空區(qū)部分積水無法自然排出，在采空區(qū)后方匯集形成較大范圍的積水區(qū)，對下分層開采構(gòu)成巨大威脅。

因此，必須把采空區(qū)積水作為礦井水害防治工作的重點對象，并對采空區(qū)積水范圍和位置加以確定，據(jù)此制定行之有效的治理措施，最大限度地降低采空區(qū)積水對礦井后期采掘工作的危害程度，確保安全生產(chǎn)。

2 模型建立

2.1 概念確立

盡管工作面回采后煤層頂板大面積冒落，采空區(qū)被少量頂煤和頂板冒落下來的矸石所充填，采空區(qū)儲水空間被壓縮，充水系數(shù)降低，但是采空區(qū)的低洼處，煤與矸石的空隙中，富水性依然很強。

因此，模型建立前引入“采空區(qū)底板三維地形圖”這一概念，將回采工作面推進過后，采空區(qū)底板的高低起伏形態(tài)的三維地圖，稱為采空區(qū)底板三維地形圖。雖然工作面回采過后，采空區(qū)內(nèi)部狀況發(fā)生變化，但是采空區(qū)煤層底板的原始地形狀況并未發(fā)生根本性改變，“采空區(qū)底板三維地形圖”依然能夠反映頂板垮落后的地形狀況和積水范圍。

2.2 原始數(shù)據(jù)采集

工作面回采過程中，沿工作面傾向方向每間隔約10 m(大約6臺掩護式液壓支架的寬度，每架寬度約1.75 m)，以工作面順槽導(dǎo)線點為已知點，利用全站儀建站觀測工作面底板坐標和高程，如果遇到底板起伏較大地段可將間隔調(diào)整為3～5 m，以提高觀測精度；隨后工作面每推進30～50 m，利用相同方法進行重復(fù)觀測，依次循環(huán)直至工作面回采完成，然后將整個工作面觀測數(shù)據(jù)匯總整理備用。

2.3 模型建立

將整個回采工作面推進過程中，采集的底板坐標高程數(shù)據(jù)和順槽掘進過程中觀測的底板剖面數(shù)據(jù)匯總并轉(zhuǎn)換為dat文件；將dat文件導(dǎo)入Surfer中生成Grd回采工作面底板三維地圖網(wǎng)格文件如圖1所示。

圖1 30101工作面采空區(qū)底板等值線Fig.1 Contour line of goaf floor of 30101 working face

利用三維地圖網(wǎng)格文件和Surfer中的3D曲面功能，生成回采工作面“采空區(qū)底板三維地形圖”如圖2所示。

圖2 30101工作面采空區(qū)底板三維地形Fig.2 3D topography of the goaf floor of the 30101 working face

3 積水區(qū)范圍和位置的確定

在回采工作面“采空區(qū)底板三維地形圖”的基礎(chǔ)上，選擇底板高程起伏較大的區(qū)域，即有明顯凹陷的區(qū)域，以該區(qū)域的順槽剖面數(shù)據(jù)為邊界，生成dat文件，建立一個矩形水平面，根據(jù)底板起伏情況賦予該矩形水平面一個高程，然后通過多次調(diào)整矩形水平面的高程，使其正好不超出凹陷區(qū)，并與凹陷區(qū)形成一個閉合的曲面，從而在回采工作面底板三維地形圖凹陷區(qū)域模擬出積水區(qū)位置和范圍，如圖3所示。盡管這些區(qū)域被少量散落的頂煤和頂板冒落的矸石所充填，但仍然是采空區(qū)最主要的積水區(qū)域。

圖3 30101工作面采空區(qū)積水范圍及位置Fig.3 Scope and location of water accumulation in goaf of 30101 working face

從圖3中看出，30101工作面共有4處較大范圍的積水，分別位于回風(fēng)順槽里程1 600～1 700 m之間、膠運順槽2 450～2 630 m之間、回風(fēng)順槽里程3 030～3 900 m之間及回風(fēng)順槽與膠運順槽中部里程4 100～4 200 m處。其中2處范圍較大的積水與礦井充水性圖中的位置和范圍高度吻合。

4 研究意義

目前陜北侏羅紀煤田近距離多煤層開采和分層開采的大型礦井眾多，開采上層煤留下大面積的采空區(qū)，這些采空區(qū)大都存在積水，礦井開采下層煤時普遍受到上覆采空區(qū)積水的威脅；下層煤開采前，如何確定上覆采空區(qū)積水的位置和范圍，對采空區(qū)積水進行提前疏放，排除水害威脅，確保安全生產(chǎn)，是礦井未來面臨的一大難題。

該方法科學(xué)有效地解決了采空區(qū)積水位置和范圍劃定的難題，對分層開采和多煤層開采過程中，上覆采空區(qū)積水范圍的確定，提供了新的技術(shù)方案，同時也給下層煤開采前，上覆采空區(qū)積水的合理疏放提供了依據(jù)。

5 結(jié)論

(1)以Surfer的三維曲面圖為基礎(chǔ)，引入了“采空區(qū)底板三維地形圖”這一概念，將某礦井30101工作面回采期間收集的底板坐標和高程數(shù)據(jù)導(dǎo)入Surfer中，建立起反映采空區(qū)底板高低起伏和凹陷形態(tài)的三維地形圖，并在凹陷區(qū)域插入多個水平面，模擬采空區(qū)積水的位置和范圍。

(2)某礦井30101工作面共有4處較大范圍的積水，分別位于回風(fēng)順槽里程1 600～1 700 m之間、膠運順槽2 450～2 630 m之間、回風(fēng)順槽里程3 030～3 900 m之間及回風(fēng)順槽與膠運順槽中部里程4 100～4 200 m處。

(3)該方法為分層開采和多煤層開采的礦井，下分層采掘前對上覆采空區(qū)積水有針對性地探放提供了有力的技術(shù)支撐。