采空區(qū)頂板動(dòng)態(tài)補(bǔ)給水預(yù)疏放設(shè)計(jì)

馮鵬崢

（山西沁和能源集團(tuán)南凹寺煤業(yè)有限公司，山西 沁水 048200）

隨著礦井開采深度不斷增加，礦井水文地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，帶壓開采煤層和受水害影響的緩采區(qū)、禁采區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，直接影響礦井可采儲(chǔ)量和產(chǎn)量效益[1]。南凹寺煤礦位于沁水煤田的南部，目前主3 號(hào)煤，屬于華北地區(qū)石炭二疊系煤田，井田范圍內(nèi)主要賦存有奧陶紀(jì)、寒武紀(jì)石灰?guī)r含水層，在工作面采掘活動(dòng)作業(yè)時(shí)，受到頂?shù)装宄袎汉畬拥耐{，如何采取有效防治水措施，加強(qiáng)對(duì)承壓含水層的注漿改造加固，具有重要安全指導(dǎo)意義。

1 水文地質(zhì)概況

南凹寺煤礦井田內(nèi)主采3 號(hào)煤層，屬山西組下部，其地層由石炭二疊系上統(tǒng)上石盒子組和二疊系下統(tǒng)下石盒子組以及第四系組成，煤層厚度在5.8～6.9 m，平均厚度6.25 m，賦存較穩(wěn)定。井田范圍內(nèi)無較大的地表河流，只有一條沿SN 方向的季節(jié)性溪流，雨季期間河流流量不大，且與井下裂隙無聯(lián)通關(guān)系。主井井口標(biāo)高為+644.17 m，風(fēng)井口標(biāo)高為+646.27 m，副斜井井口標(biāo)高為+622.37 m，工業(yè)廣場與主要井筒標(biāo)高均大于歷史最高洪水位。

第四系存在松散砂礫巖層的孔隙含水層，呈垂直分布發(fā)育，具有良好的透水性，經(jīng)過雨季大氣降水補(bǔ)給后能夠?qū)ΦV井水造成水源補(bǔ)給，導(dǎo)致含水層水量增多，水壓略有變化。

二疊系發(fā)育碎屑巖層裂隙含水層主要分為二疊系上、下石盒子組和山西組，以含砂巖為主，與下部泥頁巖之間不存在水力補(bǔ)給聯(lián)系，具有一定的隔水性，但存在富水區(qū)域，分布不均勻。

石炭統(tǒng)太原組砂巖、灰?guī)r間巖溶裂隙含水層主要為碎屑巖成分，伴有碳酸鹽巖巖溶水，在井田范圍內(nèi)埋藏較深，未見明顯出露，是礦井3 號(hào)煤層充水主要來源。

深部奧陶系石灰?guī)r含水層是礦井主要承壓水體，以巖溶水為主。為長期觀測主要含水層的水位、水壓等動(dòng)態(tài)信息，井田內(nèi)打設(shè)有水文觀察孔。通過抽水試驗(yàn)分析，觀察井單位水量q=1.43 L/s·m，水位標(biāo)高+485.19 m，滲透系數(shù)K=0.264 9 m/d，富水性較強(qiáng)，主要水質(zhì)陰離子含有SO4·HCO3，陽離子含有Ca·Mg，井田范圍內(nèi)徑流方向?yàn)樽员毕蚰习l(fā)育。

2 30405 工作面頂板裂隙帶模擬分析

南凹寺煤礦30405 工作面主要充水來源來自相鄰工作面的采空區(qū)積水、地表滲透裂隙水、頂板裂隙水等水體，尤其是在工作面回采過后，采空區(qū)頂板垮落，形成大量的頂板裂隙，會(huì)與主要含水體產(chǎn)生導(dǎo)水通道，從而致使采煤工作面涌水量增大，影響正常生產(chǎn)。根據(jù)30405 工作面實(shí)際煤厚與頂?shù)装鍘r性特征進(jìn)行分析計(jì)算，利用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬，建立工作面頂板上三帶的裂隙發(fā)育情況及成因機(jī)理分析[2]。將煤巖地層模型預(yù)設(shè)尺寸比例為長×寬×高分別是400 m×250 m×400 m，根據(jù)工作面實(shí)際煤層厚度和采高按照5.3 m 計(jì)算，平均埋藏深度400 m，假設(shè)采空區(qū)采取充填材料進(jìn)行填充管理，從而模擬冒落矸石高度。

南凹寺30405 工作面設(shè)定切眼寬度為220 m，共向前回采推進(jìn)350 m，每回采5 m 作為一個(gè)小循環(huán)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。30405 工作面采空區(qū)塑性范圍變化漸變?nèi)鐖D1。

圖1 30405 工作面采空區(qū)塑性范圍變化漸變圖

隨著工作面向前回采，采空區(qū)頂板巖層隨回采距離越遠(yuǎn)，采空區(qū)面積越大，巖層出現(xiàn)下沉和垮落的塑性變形范圍也增大，垮落帶高度也增大。如圖1（a）所示，工作面回采24 m 時(shí)，頂板破壞范圍約7 m；當(dāng)回采到56 m 時(shí)，如圖1（b）所示，頂板巖層塑性破壞范圍已影響到28 m；如圖1（c）所示，當(dāng)回采范圍繼續(xù)擴(kuò)大到80 m，頂板塑性變化范圍達(dá)到66 m。

3 30405 工作面采空區(qū)積水動(dòng)壓平衡分析

工作面在回采期間和回采之后，采空區(qū)內(nèi)留下巨大空間可儲(chǔ)存涌水，其中主要水源可由靜態(tài)水和動(dòng)態(tài)水進(jìn)行充填補(bǔ)給，而且儲(chǔ)水條件是由采空區(qū)內(nèi)底板坡度和隔水性決定。在相對(duì)封閉空間內(nèi)，采空區(qū)除原有采動(dòng)過程中積存的涌水無法排出外，還會(huì)因?yàn)轫敯蹇迓洚a(chǎn)生裂隙，導(dǎo)通含水層，從而引發(fā)新的水源向采空區(qū)補(bǔ)給，形成動(dòng)態(tài)水源補(bǔ)給。當(dāng)采空區(qū)無新增排水通道的條件下，會(huì)造成積水面積不斷擴(kuò)大，直到充斥滿整個(gè)采空區(qū)，形成一定的反向水壓對(duì)補(bǔ)給水源水壓形成阻擋狀態(tài)后，趨于水壓平衡，則不再進(jìn)行充填補(bǔ)給[3]。30405 工作面采空區(qū)積水動(dòng)壓平衡演示圖如圖2。

圖2 30405 工作面采空區(qū)積水動(dòng)壓平衡演示圖

4 采空區(qū)積水涌水量估算

4.1 靜態(tài)水量計(jì)算

在工作面煤層回采前，將頂板含水層和裂隙含水體視為完整的靜態(tài)水體，當(dāng)回采后采空區(qū)形成頂板裂隙與含水體產(chǎn)生水力聯(lián)系通道后，打破原有的水力平衡，使得靜態(tài)水在重力的作用下進(jìn)行釋放，形成流動(dòng)的活水狀態(tài)，源源不斷充填涌入采空區(qū)，其彈性能得到釋放[4]。根據(jù)公式（1）計(jì)算可得靜態(tài)釋水量：

根據(jù)公式（2）計(jì)算可得動(dòng)態(tài)釋水量：

式中：Qz為動(dòng)態(tài)釋水量，m3；μ為含水層動(dòng)態(tài)補(bǔ)給系數(shù)，μ=0.05；M為含水層厚度，m；F為采空區(qū)面積，m2。

根據(jù)南凹寺煤礦3 號(hào)煤層頂板隔水層巖性和巖層厚度等資料，主要充水層為砂巖含水層，按照30405 工作面切眼長度220 m，回采范圍1100 m，△H為砂巖含水層降深水位70 m，下部砂巖裂隙含水層水位降深為150 m。經(jīng)過公式計(jì)算，上覆兩層含水層的靜態(tài)水量約為0.8 萬m3、1.46 萬m3，形成動(dòng)態(tài)補(bǔ)給水之后水量分別為35.2 萬m3、46.7 萬m3，合計(jì)水量為84.3 萬m3。

4.2 動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量

根據(jù)前期數(shù)據(jù)建模分析，當(dāng)工作面回采范圍達(dá)到350 m 范圍時(shí)，頂板含水體由于裂隙帶發(fā)育高度和涌水量動(dòng)壓達(dá)到平衡等多方面因素影響，此時(shí)頂板巖石破壞塑性趨于穩(wěn)定，水壓達(dá)到新的平衡，因此，根據(jù)回采期間頂板裂隙充水量的計(jì)算公式如下：

式中：Q為采空區(qū)涌水量，m3/d；K為頂板巖層滲透系數(shù)，山西組砂巖為0.063 m/d，下石盒子組為0.142 m/d；M為含水層厚度，m；H為水頭高度，m；R為水量補(bǔ)給影響半徑，m。經(jīng)過計(jì)算可得30405 工作面采空區(qū)頂板涌水量為387 m3/h。

4.3 采空區(qū)涌水量綜合分析

經(jīng)過對(duì)30405 工作面采空區(qū)頂板靜壓、動(dòng)壓水對(duì)空間補(bǔ)給量的計(jì)算可得預(yù)計(jì)涌水量可達(dá)387 m3/h。此外，考慮到工作面整體設(shè)計(jì)布局，周邊無合理巷道進(jìn)行疏放水鉆孔的施工，對(duì)采空區(qū)積水不能有效進(jìn)行疏導(dǎo)排放，且采空區(qū)底板具有較好的隔水性，不會(huì)產(chǎn)生積水的外流滲漏影響，因此，綜合考慮多種因素進(jìn)行分析，30405 工作面采空區(qū)回采期間的最大涌水量應(yīng)達(dá)到790 m3/h。30405 工作面回采期間涌水量預(yù)測圖如圖3。

圖3 30405 工作面回采期間涌水量預(yù)測圖

5 工作面回采期間防排水規(guī)劃與建議

鑒于以上涌水量預(yù)測，工作面回采期間采空區(qū)頂板涌水量最大可達(dá)790 m3/h，正常補(bǔ)給水量為387 m3/h，且頂板含水層預(yù)測儲(chǔ)水量為84.3 萬m3，正常情況下，隨著工作面回采排完所有儲(chǔ)水量預(yù)算需要2 178.3 h，約為90.7 d，其中不包含有新增水源補(bǔ)給的條件。因此，為緩解工作面采空區(qū)后期積水壓力過大，對(duì)回采造成影響，可根據(jù)數(shù)值模擬預(yù)測圖顯示規(guī)律，提前采取預(yù)防措施。在工作面回采期間，通過兩巷向頂板提前施工鉆孔，按照回采范圍對(duì)應(yīng)的預(yù)測裂隙帶導(dǎo)水深度進(jìn)行施鉆，設(shè)計(jì)終孔層位在裂隙帶影響最大深度處，鉆孔呈相對(duì)均勻的扇形布置，可實(shí)現(xiàn)隨工作面回采，同時(shí)對(duì)頂板含水層和含水體進(jìn)行預(yù)疏放，在不影響回采進(jìn)度的條件下，盡量縮短放水周期和時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)平行作業(yè)的效果。為確保放水期間的兩巷文明衛(wèi)生與巷修安全，在兩巷放水地點(diǎn)施工鉆場水倉，并在外段巷道低洼處的“V”型巷道施工水倉，安裝滿足不小于600 m3/h 排水能力的電泵和電泵組（按照正常涌水量的1.4 倍設(shè)計(jì)），確保巷道的安全回采。兩巷頂板疏放鉆孔布置示意圖如圖4，放水量與推進(jìn)度波動(dòng)關(guān)系示意圖如圖5。

圖4 兩巷頂板疏放鉆孔布置示意圖

圖5 放水量與推進(jìn)度波動(dòng)關(guān)系示意圖

6 結(jié)語

通過對(duì)30405 工作面采空區(qū)涌水量的不同充水條件和充水量進(jìn)行預(yù)測分析，建立數(shù)值模擬的分析模型，找到涌水量與回采推進(jìn)度的內(nèi)在聯(lián)系與相關(guān)規(guī)律，采取兩巷提前施工放水鉆孔的方式，有效控制疏放頂板靜態(tài)積水，減少對(duì)采空區(qū)的積水量補(bǔ)給，對(duì)確保工作面的安全回采，消除回采期間的水患威脅，具有深遠(yuǎn)的實(shí)用價(jià)值意義。