工作面老空水形成原因分析及其防治

孔德璽

（華亭煤業(yè)集團(tuán)赤城煤礦有限責(zé)任公司，甘肅 平?jīng)?744000）

水害事故是煤礦井下開采過程中常見的重大災(zāi)害之一，其中老空區(qū)突水具有突水水量大、突發(fā)時間短、破壞能力大等特點[1-2]。在井下采掘過程中若發(fā)生老空區(qū)突水事故，容易造成設(shè)備損壞、巷道被沖毀，嚴(yán)重時會造成人員傷亡事故，給礦井安全生產(chǎn)帶來很大影響。因此，調(diào)查研究老空水來源、影響老空水突水因素，分析其形成機(jī)理，提前制定具有針對性的防治措施，對保障礦井安全生產(chǎn)顯得尤為重要。

1 工程概況

1.1 工作面概況

赤城煤礦設(shè)計生產(chǎn)能力為0.90 Mt/a，礦井主要開采煤層為2號煤層，煤層賦存較穩(wěn)定。2301綜采工作面位于礦井23采區(qū)西翼，東為21采區(qū)采空區(qū)，西鄰井田邊界保護(hù)煤柱，南鄰23采區(qū)皮帶運輸巷保護(hù)煤柱，北鄰吳莊逆斷層上盤斷煤交線。工作面煤層厚度1.8～4.6 m，平均厚度3.8 m，煤層局部有夾矸，煤層埋深280～360 m。2301工作面煤層頂?shù)装寰C合柱狀圖如圖1所示。

圖1 工作面煤層頂?shù)装寰C合柱狀圖

1.2 工作面水文地質(zhì)情況

2301綜采工作面開采的2號煤層頂?shù)装寰鶠樯皫r裂隙水弱含水層。預(yù)計回采初期王葦坑向斜軸部涌水稍大；工作面內(nèi)存在2411地質(zhì)鉆孔，封孔質(zhì)量合格，不存在鉆孔導(dǎo)水威脅；不存在相鄰工作面老空積水威脅；在徐莊背斜、王葦坑向斜軸部及斷裂小構(gòu)造發(fā)育密集地點采煤時，可能受周期來壓影響而揭露頂板較多的導(dǎo)水裂隙，頂板滴淋水會增大，導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)的涌水量增加。工作面煤層上覆巖層中黃土層覆蓋厚度為98～195 m，基巖厚度為282～368 m。工作面回采期間預(yù)測正常涌水量50 m3/h，最大涌水量100 m3/h。

2 老空水形成原因分析

工作面形成老空積水需要同時具備3個要素：分別為充水水源、充水通道和聚水空間[3-4]，其形成要素如圖2所示。

圖2 工作面形成老空水三要素

2.1 充水水源分析

工作面老空水充水水源主要有大氣降水和煤層頂?shù)装鍘r層含水層[5]。

（1）大氣降水

大氣降水是地下巖層中巖石空隙、裂隙和各類巖溶裂隙含水層的主要補(bǔ)給水源[6]。赤城煤礦地表以平原為主，地勢較為平坦，形成的溝渠數(shù)量較少，大氣降水后在地面不容易形成積水，部分積水作為補(bǔ)給水源滲入到地下含水層。根據(jù)近5年礦井涌水量與大氣降水量統(tǒng)計，兩者聯(lián)系不甚密切，大氣降水進(jìn)入礦井的水量較少。

（2）煤層頂板砂巖孔隙裂隙水

赤城煤礦開采的2號煤層頂板砂巖裂隙含水層是礦井直接充水水源。工作面回采時頂板斷裂形成的導(dǎo)水裂縫帶會導(dǎo)致工作面采空區(qū)涌水量增大；但頂板砂巖含水層富水性較弱，含水量較小，在工作面回采過程中容易被疏干，通常不會對工作面安全生產(chǎn)造成較大影響。

（3）煤層底板灰?guī)r巖溶裂隙水

礦井開采的2號煤層底板水主要由石炭系與奧陶系～寒武系灰?guī)r巖溶裂隙水組成，奧陶～寒武系灰?guī)r水為礦井間接充水水源，由于受導(dǎo)水?dāng)鄬雍土严兜挠绊?，在斷裂發(fā)育地段，垂向上可構(gòu)成含水層間的水力聯(lián)系。

L7-8灰?guī)r巖溶裂隙水位于石炭系太原組上部，厚度2.0～13.47 m，平均8 m，上距2號煤底板2.60～37.61 m，平均17.28 m。東部為富水性中等的巖溶裂隙承壓水，掘進(jìn)過程中已將該含水層的水疏放完。由于L7-8灰?guī)r與煤層底板之間有隔水層的存在，該隔水層主要由砂質(zhì)泥巖與泥巖組成，且層位穩(wěn)定，在自然條件下，該隔水層能夠阻止太原組巖溶水滲入到2號煤層。但在工作面開采過程中，受工作面采動影響，煤層底板巖層會遭到破壞，使隔水層失去隔水作用，L7-8灰?guī)r巖溶裂隙水進(jìn)入2號煤層，成為2號煤層底板直接充水水源。但該充水水源在無其它強(qiáng)含水層補(bǔ)給時，對礦井安全生產(chǎn)影響不大。

（4）奧灰含水層

奧陶～寒武系灰?guī)r巖溶裂隙水是礦井底板充水的主要間接充水水源。該含水層灰?guī)r巖層厚度較大，且?guī)r溶裂隙較為發(fā)育，總體上富水性極強(qiáng)，但其導(dǎo)、富水性差異較大。因受多層隔水層阻隔，正常情況下，在開采淺部煤層時，對礦井直接充水影響不大。但開采至斷層附近時，當(dāng)太原組上下段灰?guī)r水與奧陶～寒武系灰?guī)r含水層出現(xiàn)水力連通時，巖溶裂隙水將會通過斷層裂隙進(jìn)入到工作面，是工作面采空區(qū)的主要充水水源。

2.2 充水通道分析

老空區(qū)充水通道的類型主要有采動裂縫導(dǎo)水通道、斷裂構(gòu)造導(dǎo)水通道及封閉不良鉆孔通道。

（1）采動頂板裂縫充水通道

工作面開采過程中受采動影響而形成的頂板巖層裂縫，是造成頂板含水層水進(jìn)入到工作面的主要通道之一。該礦2號煤埋深280～360 m，煤厚1.8～4.6 m，平均厚3.3 m。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》，煤層回采垮落帶高度可按照公式(1)計算[7-8]：

式中：Hk為垮落帶高度，m；∑M為累計采厚，m。

該礦只開采2號煤層，計算時分別取2號煤層最小厚度1.8 m和最大厚度4.6 m代入進(jìn)行計算。

導(dǎo)水裂縫帶高度計算可以按照公式（2）進(jìn)行計算：

式中：Hli為導(dǎo)水裂縫帶高度，m；ΣM為累計采厚，m。

該礦只開采2號煤層，計算時分別取2號煤層最小厚度1.8 m和最大厚度4.6 m代入進(jìn)行計算。

經(jīng)計算，垮落帶高度Hk為8.75～13.52 m，導(dǎo)水裂縫帶高度Hli為33.38～47.57 m。2號煤層導(dǎo)水裂縫帶最大高度約為47.57 m。煤層開采后，受采動影響形成的導(dǎo)水裂縫帶將會導(dǎo)致2號煤層頂板隔水層巖層和直接充水含水層出現(xiàn)破壞，被破壞的含水層在重力作用影響下會出現(xiàn)水位下降，從而導(dǎo)致徑流場中水流滲流方向發(fā)生改變，同時其水力坡度也會增大，工作面開采后煤層頂板砂巖含水層中的裂隙水將會通過導(dǎo)水裂隙進(jìn)入到工作面。由于山西組頂板砂巖裂隙含水層的含水性較弱，補(bǔ)給量不大，在生產(chǎn)中頂板多為淋水、滴水狀態(tài)，對礦井安全生產(chǎn)影響不大。

（2）采動煤層底板裂縫導(dǎo)水通道

根據(jù)煤層底板巖性、厚度及力學(xué)性質(zhì)分析，煤層底板巖層發(fā)生破壞的情況主要有三種：軟巖底板底鼓，在其底鼓周圍產(chǎn)生裂隙；硬巖底板中的隔水層完整性被破壞，承壓能力降低，有效隔水層巖層厚度變??；在底板隔水層薄弱地帶，采動形成的底板巖層裂縫直接進(jìn)入到底板含水層。

受圍巖應(yīng)力作用，在工作面采掘過程中煤層底板巖層會遭到一定程度的破壞，其破壞深度可根據(jù)經(jīng)驗公式（3）進(jìn)行計算：

式中：h1為2號煤層底板破壞帶深度，m；L為工作面切巷傾斜長，m。

2301工作面切巷傾斜長L為150 m，代入公式，經(jīng)計算可得回采對底板破壞帶深度h1為15.95 m。根據(jù)地質(zhì)資料，2號煤底板隔水層厚度為5.60～37.61 m，平均17.28 m，由此可見此破壞厚度已基本使2號煤底板隔水層受到破壞。

（3）斷裂構(gòu)造導(dǎo)水通道

工作面存在的斷層將會導(dǎo)致煤層頂?shù)装搴畬又g的距離出現(xiàn)變化，減小有效隔水層的厚度。在工作面回采過程中，當(dāng)揭露斷層時，會使原處于封閉狀態(tài)下的承壓含水層沖破隔水層而突然涌出，造成工作面突水，如圖3所示。

圖3 斷層破壞形成導(dǎo)水通道

根據(jù)礦井精查報告和鉆探揭露資料及2301工作面上下兩巷巷道和切巷在掘進(jìn)施工期間揭露的地質(zhì)資料分析，工作面開采范圍內(nèi)會揭露8條斷層。斷層導(dǎo)水性弱，且形成的裂隙發(fā)育程度較低，對工作面安全回采影響較小。

綜上分析可知：2301工作面現(xiàn)開采階段還未出現(xiàn)明顯導(dǎo)通奧灰水和頂?shù)装逅耐ǖ?，但在工作面回采期間仍需加強(qiáng)水量變化觀測，當(dāng)出現(xiàn)涌水量變化異常時，立即停止生產(chǎn)，查明涌水來源和涌水量大小，消除工作面突水隱患后，才能繼續(xù)生產(chǎn)。

3 防治水措施

在臨近2301工作面采空區(qū)區(qū)域范圍內(nèi)劃分出積水線、探水線和警戒線。根據(jù)各區(qū)域的不同情況采用不同的防治水技術(shù)措施進(jìn)行治理，具體劃分如圖4所示。

圖4 采空區(qū)區(qū)域劃分

利用物探方法對采空區(qū)積水區(qū)域進(jìn)行探測，當(dāng)積水線區(qū)域范圍的邊界被確定以后，在其邊界范圍以外50 m作為探水線，在探水線區(qū)域范圍內(nèi)設(shè)計布置探查鉆孔進(jìn)行探水，在探水線以外40 m設(shè)定為警戒線。當(dāng)采空區(qū)進(jìn)入到警戒線區(qū)域范圍內(nèi)后，需要時刻觀察工作面是否有突水預(yù)兆，同時需采取防水措施，對工作面采空區(qū)積水提前進(jìn)行疏放。

2301工作面回采過程中，在工作面回風(fēng)巷布置觀測點，對工作面采空區(qū)積水變化情況進(jìn)行觀測，通過現(xiàn)場觀測，工作面自開始回采至推進(jìn)到停采線位置，未出現(xiàn)過突水現(xiàn)象，工作面實現(xiàn)安全回采。

4 結(jié)語

赤城煤礦2301工作面老空水主要水源為煤層底板太灰?guī)r溶裂隙水和奧灰含水層，其主要充水通道為煤層底板采動裂縫導(dǎo)水通道和斷裂構(gòu)造導(dǎo)水通道。為對工作面老空區(qū)積水進(jìn)行治理，采取在臨近2301工作面采空區(qū)區(qū)域范圍內(nèi)劃分出積水線、探水線和警戒線。在探水線區(qū)域范圍內(nèi)施工探放水鉆孔進(jìn)行探放水，在探水線以外40 m的警戒線區(qū)域范圍加強(qiáng)觀察等措施，對工作面老空區(qū)積水進(jìn)行了有效治理，工作面回采過程中未出現(xiàn)過突水現(xiàn)象，也沒有發(fā)生突水事故，保障了工作面回采期間的安全，可為類似條件下工作面采空區(qū)水害治理提供了技術(shù)參考。