曹家灘煤礦頂板富水性分析及防治措施研究

呂 揚(yáng)，馬曉濤，王嗣桐，李 強(qiáng)

(陜西陜煤曹家灘礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000)

近年來，隨著西部現(xiàn)代化礦井的建設(shè)力度大幅度增加，特別是榆神府礦區(qū)各現(xiàn)代化礦井均為高強(qiáng)度回采礦井，各煤炭生產(chǎn)區(qū)的發(fā)展前景良好，但各礦井在高強(qiáng)度回采過程中面臨著諸多礦井水害問題[1-5]，例如開采引起地下水位大幅度下降、泉水消失、潰水潰砂等水害問題[6-12]。當(dāng)?shù)V井屬于聯(lián)合調(diào)試初次回采階段時(shí)，礦井水文地質(zhì)只停留在建井期間，且礦井的涌水量值和覆巖破壞高度值只停留在經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算階段，所以開采過程中礦井的動(dòng)態(tài)涌水量、覆巖導(dǎo)水裂隙發(fā)育情況無法獲取現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，因而極易引發(fā)井下水害事故。程香港等[13]分析了覆巖采動(dòng)滲透率的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，并根據(jù)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育趨勢分段預(yù)測了工作面礦井涌水量。趙兵朝等[14]理論分析了主關(guān)鍵層位置、基載比、基采比等開采參數(shù)對覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度的影響，通過理論分析和相似模擬實(shí)驗(yàn)對榆陽礦區(qū)覆巖導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育高度進(jìn)行準(zhǔn)確地預(yù)計(jì)。李艷飛等[15]分別采用微震監(jiān)測和數(shù)值模擬等手段對頂板導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度進(jìn)行研究，通過對微震系統(tǒng)臺網(wǎng)布置方式進(jìn)行誤差分析得知，工作面直接頂、老頂?shù)钠茐某潭冗h(yuǎn)大于其上覆巖層，頂板的連續(xù)破壞區(qū)域整體呈“鈍三角形”。

國內(nèi)外專家對相關(guān)問題進(jìn)行了大量的研究[16-18]，但現(xiàn)榆神礦區(qū)規(guī)劃區(qū)內(nèi)的礦井基本屬于回采初期，部分規(guī)劃區(qū)還未進(jìn)行回采仍屬于基建礦井。因此，對于榆神礦區(qū)受水害影響的礦井，需要充分了解礦井回采過程中水文動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，為其礦井防治水措施的改進(jìn)和完善提供理論基礎(chǔ)。本文以地表脆弱生態(tài)的曹家灘礦井的首采工作面為例，通過對煤層頂板富水性分區(qū)與煤層開采過程中覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律研究，提出防治水對策，為礦井及同類型礦區(qū)后期開采提供重要的理論與技術(shù)支撐。

1 礦井概況

1.1 首采區(qū)煤層賦存概況

曹家灘首采盤區(qū)為一水平12盤區(qū)，東西傾向?qū)?.8km，南北走向長12.5km，面積約35.0km2。首采煤層2-2煤全區(qū)可采，煤層結(jié)構(gòu)簡單，一般不含夾矸，局部頂部或底部有一至兩層夾矸，厚度0.04～0.26m。煤層傾角平緩，地質(zhì)構(gòu)造簡單，開采技術(shù)條件優(yōu)越，煤層埋藏深度在255～338m之間，煤層平均厚度為11.5m。首采工作面為位于一水平12盤區(qū)東翼的122106工作面，該工作面位于延安組第四段頂部，煤層近水平賦存，煤層厚度為6.29～12.7m，煤層開采采用分層開采，第一分層的采厚為7m。

1.2 水文地質(zhì)概況

122106工作面曹家灘井田內(nèi)大部分地區(qū)被風(fēng)積沙所覆蓋，部分地段有第四系黃土及新近系紅土出露。據(jù)鉆孔揭露及地質(zhì)填圖資料，區(qū)內(nèi)地層由老至新依次有：三疊系上統(tǒng)永坪組(T3y)、侏羅系下統(tǒng)富縣組(J1f)、中統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a)、新近系上新統(tǒng)保德組(N2b)、第四系中更新統(tǒng)離石組(Q2l)、上更新統(tǒng)薩拉烏素組(Q3s)、全新統(tǒng)風(fēng)積沙(Q4eol)。

1.3 工作面充水因素

1)充水水源。工作面主要充水水源包含大氣降水、地表水、地下水，其中由于存在穩(wěn)定的離石黃土保德紅土層等穩(wěn)定的隔水層的存在，所以大氣降水和地表水均為間接充水水源。導(dǎo)水裂隙帶高度和各巖層厚度的對比分析后，煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶波及范圍內(nèi)的延安組、直羅組和基巖風(fēng)化帶含水層的水為直接充水水源。

2)充水通道。充水通道分為滲入性通道和潰入性通道兩種，根據(jù)工作面的實(shí)際礦井資料及相鄰礦井開采經(jīng)驗(yàn)可知，該工作面的主要充水通道主要是煤層開采造成的頂板的導(dǎo)水裂隙帶，其次是局部區(qū)域的斷裂破碎帶、封閉不良鉆孔及其他導(dǎo)水通道。

3)充水強(qiáng)度。通過對充水強(qiáng)度影響因素的具體分析可以得知，該工作面的充水強(qiáng)度主要決定于風(fēng)化基巖孔隙裂隙承壓含水層和沙層潛水含水層的富水性，而煤層上覆基巖厚度及導(dǎo)水裂隙帶溝通各含水層的程度；大氣降水特征；采動(dòng)后紅土隔水層的隔水性能；采煤方式和開采強(qiáng)度等因素在綜合分析后，對充水強(qiáng)度的影響相對較小。

2 煤層頂板富水性分區(qū)評價(jià)

本文采取物理探測和“三圖”法相結(jié)合的方法對曹家灘首采區(qū)煤層頂板富水性特征進(jìn)行綜合論證分析，從而指導(dǎo)礦井安全高效回采。

2.1 頂板含水層富水性物探分析

根據(jù)上述對礦井首采區(qū)的水文地質(zhì)分析可知，工作面采掘活動(dòng)主要受基巖風(fēng)化帶含水層、侏羅系中統(tǒng)直羅組及延安組承壓含水層等內(nèi)部地下水的威脅。為了進(jìn)一步分析頂板含水層的富水情況，本文采用地面瞬變電磁法對各個(gè)充水含水層的富水異常區(qū)的區(qū)域分布范圍、相對強(qiáng)弱等特征進(jìn)行探測分析。探測結(jié)果如圖1—圖3所示，其中，藍(lán)色區(qū)域(低電阻異常區(qū))代表富水范圍，且顏色越深富水程度越大。

圖1 風(fēng)化巖底界附近低阻異常區(qū)分布

圖2 直羅組底界附近低阻異常區(qū)分布

圖3 延安組2-2煤頂板上15m附近低阻異常區(qū)分布

根據(jù)圖1—圖3可知：風(fēng)化基巖含水層共發(fā)現(xiàn)低阻異常區(qū)4處，分別命名為F-1、F-2、F-3、F-4號低阻異常區(qū)，其中，F(xiàn)-1、F-2、F-3號低阻異常區(qū)范圍較大、幅值較強(qiáng)，為該層位主要異常區(qū)；直羅組底界共發(fā)現(xiàn)5個(gè)低阻異常區(qū)，且Z-2和Z-3低阻異常區(qū)出現(xiàn)了連同現(xiàn)象，異常區(qū)范圍大且幅值較強(qiáng)；延安組2-2煤頂板附近地層富水異常區(qū)共6處，但整體范圍較小。根據(jù)上述不同地層富水性分析可知，測區(qū)的主要含/富水層位為基巖風(fēng)化層和直羅組地層，且與鉆探實(shí)際揭露情況相吻合。

綜合分析三個(gè)平面低阻異常區(qū)分布情況，發(fā)現(xiàn)直羅組中部Z-3異常與其上下巖層的F-4和2M15-5位置大致相同，說明在此區(qū)域的巖層的富水性較其他區(qū)域更強(qiáng)，當(dāng)煤層采動(dòng)造成覆巖裂隙發(fā)育至該區(qū)域時(shí)，易造成覆巖含水層的連通，造成頂板涌水事故。

2.2 煤層頂板富水區(qū)域判定

為了進(jìn)一步分析煤層頂板涌突水的危險(xiǎn)性，應(yīng)用“三圖法”對2-2號煤頂板富水性進(jìn)行分區(qū)研究，2-2煤頂板直接充水含水層富水性分區(qū)如圖4所示。

從圖4中可以看出，2-2煤層頂板富水區(qū)域具有明顯的分布趨勢，總體上從東北向西南區(qū)域的富水性逐漸減弱，強(qiáng)富水區(qū)和較強(qiáng)富水區(qū)主要位于井田東北部，包括12盤區(qū)的北部，該預(yù)測結(jié)果也和地面物探結(jié)果、井下實(shí)際揭露情況保持一致；弱富水區(qū)和較弱富水區(qū)主要位于井南部和西北部，中部黃色區(qū)域?yàn)檫^渡區(qū)。將本次水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探鉆孔的單位涌水量標(biāo)注在圖上，可以看出單位涌水量較大的點(diǎn)均位于強(qiáng)富水區(qū)和較強(qiáng)富水區(qū)，在強(qiáng)或較強(qiáng)富水區(qū)煤層進(jìn)行開采時(shí)，需要預(yù)防礦井頂板突水。

3 煤層覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律研究

3.1 模型的設(shè)計(jì)和建立

為了進(jìn)一步分析開采過程中對覆巖含隔水巖層的破壞程度，研究煤層頂板覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律，選取FLAC數(shù)值模擬分析在開挖過程應(yīng)力與塑性區(qū)演化規(guī)律。根據(jù)曹家灘煤礦首采面的地質(zhì)概況，采用有限差分軟件FLAC3D建立三維數(shù)值模型，確定尺寸為長×寬×高=500m×550m×353m。煤巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

在模型左右兩側(cè)各留設(shè)100m區(qū)域以減輕邊界效應(yīng)。模型邊界條件：①力學(xué)邊界：模型的X方向約束左右邊界位移，Y方向約束前后邊界位移，Z方向約束下部邊界位移，用fix命令控制模型邊界速度，模型覆巖采用自身重力作為應(yīng)力條件；②滲流邊界條件：模型底板為隔水邊界，兩幫為定水壓邊界，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)在此施加一定水壓。采用莫爾-庫侖(Mohr-Coulomb)屈服準(zhǔn)則判斷不同采動(dòng)條件下覆巖變形破裂情況。

3.2 模擬結(jié)果分析

模型開挖步距30m，采厚6m，從左向右開挖。本文選取了開采過程中初次來壓和工作面開挖800步后，覆巖垮落和各測線下沉情況，如圖5所示。

圖5 數(shù)值模擬結(jié)果

根據(jù)圖5中塑性破壞區(qū)分布情況可以得知：工作面推進(jìn)時(shí)，覆巖主要破壞區(qū)域集中在工作面的兩邊，并且隨著工作面的不斷推進(jìn)，其破壞范圍不斷擴(kuò)大，并逐漸呈現(xiàn)“馬鞍”狀。當(dāng)工作面推進(jìn)至180m后，覆巖的破壞范圍增長速度開始加快，導(dǎo)水裂隙帶高度快速增加，此過程中當(dāng)裂隙帶溝通含水層時(shí)，易發(fā)生頂板突水事故。當(dāng)工作面推進(jìn)距離為240m時(shí)，塑性區(qū)判定的導(dǎo)水裂隙帶達(dá)到最大高度約159m，其主要塑性區(qū)的高度在發(fā)生明顯增長。之后隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，其主要的塑性區(qū)在橫向方向上擴(kuò)展，且主要向回采工作面方向集中分布，在覆巖內(nèi)依次形成拉伸破壞區(qū)、拉伸裂隙區(qū)、剪切破壞區(qū)等，最后通過模擬結(jié)果可以得到覆巖的裂采比為26.5。

根據(jù)圖5中應(yīng)力分布情況可以得知，在采空區(qū)上方形成應(yīng)力釋放區(qū)，并且隨著工作面的不但推進(jìn)，應(yīng)力釋放區(qū)不斷向上發(fā)育、擴(kuò)展，其發(fā)育規(guī)律與塑性區(qū)發(fā)育規(guī)律大致相同，在經(jīng)過180m后，整體應(yīng)力釋放區(qū)發(fā)育擴(kuò)展有位明顯。同時(shí)在工作面兩端，即煤壁前方和工作面后方會(huì)發(fā)生明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，隨著工作面的推進(jìn)其應(yīng)力集中區(qū)域緩慢增大。同時(shí)位于采空區(qū)兩端的應(yīng)力釋放區(qū)與集中區(qū)之間的區(qū)域存在拉壓應(yīng)力區(qū)，其易發(fā)生拉伸破壞，受采動(dòng)影響裂隙發(fā)育較為充分，成為主要的導(dǎo)水裂隙帶，溝通含水層與采空區(qū)后，易發(fā)生突水事故。

4 煤層開采防治水技術(shù)措施

根據(jù)上述對曹家灘首采工作面的頂板富水性分區(qū)特征以及煤層覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律分析可知，礦井在回采過程中，若采取不恰當(dāng)?shù)姆乐嗡胧ぷ髅鏄O有可能發(fā)生水害事故。為避免水害事故的發(fā)生，提出下述防治水技術(shù)措施。

1)完善礦井水害監(jiān)測系統(tǒng)。首先采用物探和鉆探相結(jié)合的方法，通過井上下立體聯(lián)合探查等方式，對開采區(qū)進(jìn)行含水層富水性分區(qū)探測，結(jié)合探測結(jié)果對富水異常區(qū)進(jìn)行疏放水工作，并堅(jiān)持“先可控疏放、后漸進(jìn)回采”的原則，實(shí)現(xiàn)頂板水平穩(wěn)泄出；其次，根據(jù)礦井鉆探結(jié)果，安裝鉆孔水文動(dòng)態(tài)監(jiān)測儀進(jìn)行長期水文監(jiān)測，從而實(shí)現(xiàn)礦井水文動(dòng)態(tài)監(jiān)測；最后，建立井下涌水量動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，并將實(shí)時(shí)涌水量進(jìn)行傳輸至防治水工作站，進(jìn)行礦井水害動(dòng)態(tài)。

2)合理確定回采參數(shù)。依據(jù)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的經(jīng)驗(yàn)公式可知，煤層開采厚度越大，覆巖導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度越高，進(jìn)而對頂板覆巖含隔水巖層的破壞強(qiáng)度越大，當(dāng)含水層水體沿著導(dǎo)水裂隙進(jìn)入到工作面的瞬時(shí)涌水量大于礦井的排水能力時(shí)礦井將發(fā)生水害事故。因此，在工作面回采之前，應(yīng)根據(jù)防治水需求確定合理的回采方法及參數(shù)。特別是，西部生態(tài)脆弱礦區(qū)在回采煤層時(shí)，必須進(jìn)行采煤方法和采煤工藝的合理確定。

3)建設(shè)防排水系統(tǒng)。礦井應(yīng)嚴(yán)格按照《煤礦防治水規(guī)定》要求，建設(shè)采區(qū)水倉，特別是高強(qiáng)度回采礦井的采區(qū)水倉應(yīng)嚴(yán)格按照《煤礦防治水規(guī)定》要求進(jìn)行。另外，礦井應(yīng)以防排水系統(tǒng)建設(shè)為核心，適當(dāng)提高礦井抗災(zāi)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，提高采區(qū)和工作面臨排能力。同時(shí)，在礦井地面建設(shè)臨時(shí)蓄水池，緩解礦井排水壓力。

4)培訓(xùn)防治水專業(yè)人員。為進(jìn)一步滿足礦井防治水需求，必須提高工作人員的防治水的相關(guān)專業(yè)知識與意識水平，讓他們了解一些基本的判斷突水前兆的一些方法。例如，掘進(jìn)工作面或其它地點(diǎn)突水前，一般都有以下預(yù)兆：掛紅、掛汗、煤壁變冷、出現(xiàn)霧氣、水叫、頂板淋水加大、頂板來壓、底板鼓起、水色發(fā)深有異味、工作面有害氣體增加、裂隙出現(xiàn)滲水等。當(dāng)發(fā)現(xiàn)上述突水預(yù)兆時(shí)，必須停止作業(yè)，判斷情況，向礦有關(guān)部門或領(lǐng)導(dǎo)報(bào)告。如果情況緊急，必須立即發(fā)出警報(bào)，撤出所有受水威脅所在地的人員。同時(shí)，建立礦井防治水標(biāo)準(zhǔn)化，即對相同問題的處理過程、方法、依據(jù)等采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，明確工作責(zé)任和任務(wù)，工作不應(yīng)人員變動(dòng)而變動(dòng)。

5 結(jié) 論

1)通過對礦井水文地質(zhì)分析得出，大氣降水和地表水礦井的間接充水水源，風(fēng)化基巖裂隙承壓水和煤層頂板基巖裂隙承壓水是工作面的直接充水含水層；在回采過程中礦井充水強(qiáng)度主要決定于風(fēng)化基巖孔隙裂隙承壓含水層和沙層潛水含水層的富水性；采礦擾動(dòng)形成的頂板導(dǎo)水裂縫帶將是曹家灘井田的主要充水通道，其次為局部為斷裂破碎帶、封閉不良鉆孔及其他導(dǎo)水通道。

2)采用物理探測和“三圖”法對曹家灘首采區(qū)煤層頂板富水性特征進(jìn)行綜合論證分析得出，礦井風(fēng)化基巖含水層富水性較強(qiáng)；延安組為弱含水層，在沒有大的斷層或破碎帶的前提下，對掘進(jìn)影響不大，以靜儲(chǔ)量為主。

3)采用離散元FLAC數(shù)值模擬軟件對122106工作面開挖過程覆巖破壞發(fā)育規(guī)律進(jìn)行分析得出，工作面推進(jìn)至180m后，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育速度增加，推進(jìn)至240m后達(dá)到最大值約159m。采空區(qū)兩端的拉壓應(yīng)力區(qū)易發(fā)生拉伸破壞，發(fā)展成為主要的導(dǎo)水通道，誘發(fā)突水事故。