近距离煤层采空区水害探测与防治

刘治国

(1.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

近距离煤层采空区水害探测与防治

刘治国1，2

(1.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

近距离煤层开采时采空区积水是下煤层开采的安全隐患。通过突水水源、采动裂隙发育特征及其与采空区的连通性分析，以地质条件综合分析为基础，采用物探与钻探相结合的探放水方法，查明了上煤层采空区积水范围，疏放了采空区静储量积水，排除了下煤层开采的安全隐患。

采空区积水，采动裂隙，矿井瞬变电磁，疏放水

煤矿水害事故是我国煤矿主要灾害之一，而采空区突水事故占85%左右，是煤矿企业重点防范的透水灾害。采空区水害多分布于小窑、多水平开采矿井以及改制和部分新建矿井，具有瞬时突发性、冲击力强、破坏性大等特点，突水点作业人员避灾困难，往往造成重大人员伤亡和经济损失[1]。

近距离煤层下行开采时，往往面临上部采空区积水的威胁，并且由于煤层间距小，上层煤采空区积水极易通过构造破碎带、采动裂隙、封孔不良钻孔等导水通道进入下层煤掘进、回采工作面[2-7]。下层煤掘、采前，应全面分析矿井或采区的水文地质以及开采条件，分析矿井地测资料，结合地球物理探测、钻探等手段，分析可能的积水区分布情况，划分积水线，预计积水量，最终通过探放水钻孔验证、排除隐患。以榆神矿区黑龙沟煤矿防治采空区积水为例，证明基于水文地质条件分析、水情综合探测、水情信息监测的系统性防治采空区水害方法的有效性。

1 地质采矿条件

黑龙沟煤矿主要开采侏罗系延安组2-2煤和3-1煤层，属近水平煤层，倾角1°，其中2-2煤埋深约150m，厚4.11～6.85m，平均5.36m，3-1煤厚2.59～3.12m，平均2.84m。2-2煤与3-1煤间距为27.51～40.04m，平均32.94m，属近距离煤层开采。矿井采用综采一次采全高开采方法，全部垮落法控制顶板。

21301工作面为3-1煤层首采工作面，工作面长300m，推进长度1470m，该面上部为2-2煤层11201和11202采空区，工作面长240m，与3-1煤工作面重叠布置(图1)。

2 煤层开采充水水源

2-2煤层顶板赋存的含水层主要有侏罗系延安组孔隙裂隙承压水含水层、直罗组基岩风化带含水层和新生界松散层孔隙潜水含水层，其中煤层顶板延安组含水层富水性弱，虽然为矿井的直接充水含水层，但涌水强度不大，不对矿井构成威胁；直罗组风化带含水层富水性中等，间接补给煤层直接顶板延安组含水层，是矿井主要防范的富水含水层；新生界孔隙潜水含水层具有垂向分带性，下部含水层富水性略弱，上部萨拉乌苏组含水层富水中等，矿井开采实践证明，该含水层水未曾进入矿井，是矿井的间接充水水源。

图1 21301，11201，11202工作面叠置关系

煤层开采后，覆岩发生破断失稳，采动裂缝向上发展，形成垮落带和裂缝带，合称导水裂缝带，位于导水裂缝带范围内的含水层将通过采动裂缝向采掘空间充水，成为采空区积水的直接补给水源，同时，与直接充水含水层有水力联系的其他含水层也将对采掘空间形成间接补给。2-2煤层开采后，导水裂缝带将导通煤层顶板含水层，含水层对采空区的动态补给量为260m3/h，2-2煤层顶板水积聚在采空区形成3-1煤层开采的安全隐患。

3 采动裂隙发育特征及其与采空区的连通性

3.1 导水通道与采动裂隙发育特征分析

矿井水害的充水通道主要分为天然导水通道和人为导水通道，天然导水通道有地层原生的孔隙裂隙、冲蚀带、地下溶洞以及断层、陷落柱等构造破碎带；人为导水通道主要有封闭不良钻孔、采动裂隙、老井筒和巷道等[8]。该区域含煤地层产状近于水平，沿走向、倾向的产状变化不大，无较大的波状起伏、褶皱及断层，无岩浆活动，构造简单，基本排除了构造导水的可能性。矿井不存在封闭不良的钻孔、废弃井巷。因此，3-1煤层回采后，采动裂隙是2-2煤层采空区积水进入下层煤的主要过水通道。

我国陕北侏罗系煤田煤层厚、开采强度大，加之地层时代新，多分布有弱胶结岩层，形成了原生裂隙发育，抵抗采动影响能力弱的地质特征[9-10]。通过对该区隆德煤矿覆岩破坏高度的实测，发现该区中硬覆岩条件下采动破坏高度数值相较于东部矿区大，即当采厚4m时，实测垮采比3.83～6.88，裂采比18.1～19.41；采动裂隙在弱胶结岩层中发育更充分(图2)，裂隙连通性好，垮落带向上发育延展性好，垮落带中上部形成较多大的裂隙、孔洞(图3)。因此，该区采动裂隙发育，且具有良好的导水能力。

图3 垮落带中上部分布的裂隙-孔洞

3.2 下层煤开采与上覆采空区连通性分析

黑龙沟3-1煤层平均采高为2.8m，依照实测的垮采比和裂采比计算，下层煤开采形成的垮落带为10.72～19.26m，导水裂缝带为50.68～54.35m。由于2-2煤采空区与3-1煤平均间距仅32.94m，故3-1煤开采形成的导水裂缝带直接连通了2-2煤层采空区，且垮落充分、裂隙过水能力强。

4 采空积水区综合探测与疏放

4.1 矿井瞬变电磁富水区探测

针对21301工作面与上覆采空区的空间布置关系，在21301工作面回风巷布置2个探测方向(竖直方向、向工作面内仰角45°方向)、运输巷布置3个探测方向(竖直方向、向工作面内仰角45°方向、向工作面外仰角45°方向)，在切眼处布置2个探测方向(竖直方向、向工作面内仰角45°方向)，测点间距10m，控制巷道及工作面顶板岩层富水范围。21301工作面矿井瞬变电磁顶板探测范围如图4所示。

图4 21301工作面矿井瞬变电磁探测示意

根据低阻区的圈定范围，把各方向相对富水区按不同层位投影到2-2煤采掘平面图上，以高度40m视电阻率水平切片为主进行解释，地质解释成果如图5所示。探测成果显示，21301工作面顶板上覆2-2煤采空区富水性相对较强，回风巷上方富水性较运输巷上方富水性强，回风巷上方距切眼0～89，220～391，720～970，1230～1330m区段富水性相对较强。探测结果与2-2煤底板起伏形态基本一致，从异常空间位置来看，连通性较好。

4.2 钻孔探放水

煤矿探放水工作是矿井防治水工作的重要环节，而钻探方法是验证物探成果的最直接、有效的方法，最终利用钻孔将水体安全放出。为彻底消除2-2煤采空区积水对21301工作面开采的安全威胁，必须将顶板采空区积水静储量基本疏干后方可确保21301工作面的安全开采。根据21301工作面与上覆采空区积水的空间位置关系，在井下施工仰上钻孔对采空区积水进行探放是最有效的疏干方法。为此，在21301工作面两巷、切眼对疑似积水区施工了29个仰上探放水钻孔，累计进尺1743m，查明了21301工作面上部采空区的主要积水区位置，通过钻孔的初始涌水量和持续时间的监测，分析了积水区的富水程度。

图5 21301工作面顶板2-2煤层采空区含水性矿井瞬变电磁法探测成果平面

5 采空区水害治理效果

5.1 采空区积水量预计

根据2-2煤综采工作面采空区出水情况，采空区积水疏放时需要考虑积水的静储量和动态补给量，动态补给量的存在要求有足够高的疏降强度，静储量基本疏干后方可开采。根据2-2煤层专用排水巷的区段联巷出水情况和2-2煤底板标高，预计4号联巷位置积水深度3m，8号联巷位置积水深度5m，考虑最不利情况，可认为工作面范围均有积水，据此分2段计算2-2煤层采空区积水量。

式中，K为采空区充水系数，一般取0.3～0.5，本次计算取0.3；S为采空区积水面积，经测量积水面积分别为145000m2和71000m2；H为采空区积水水头高度，分别取最大值5m和3m；α为煤层倾角(°)，本区煤层倾角0～1°，取1°。

带入公式，求得5m积水区域积水量为65260 m3，3m积水区域积水量为32000m3，采空区总积水静储量W=97260m3。因此，采空区积水静储量约1×105m3。

5.2 疏放效果

施工的29个探放水钻孔中，17个钻孔成功捕捉到采空积水区，出水量较大，其他钻孔出水量极小或无水，从而排除了疑似积水区。疏放水1个月，钻孔放水量近1.4×105m3，疏放了采空区主要的静储量积水。以21301工作面主运巷ZY1-1钻孔为例，初始涌水量和水压分别为48m3/h和0.38MPa，疏放30d后，涌水量最小仅5m3/h，水压表显示处于无压状态(图6)。

图6 ZY1-1钻孔疏放水效果动态曲线

ZY1-1钻孔疏放水效果的动态曲线反映了处理采空区积水的阶段性：第一阶段(第1～7d)为降压阶段，将初始水压0.38MPa降至0.34MPa，孔口水头压力基本上等于煤层垂直间距，即采空区水位基本上降至2-2煤层底板，基本上疏排了该积水区的静储量；第二阶段(第8～30d)为无压疏排阶段，该阶段钻孔涌水未达到满管状态，压力表显示为无压疏放状态，该阶段疏排的积水大部分为采空区的动补给量。在钻孔疏排过程中，钻孔涌水量呈现逐渐减少的趋势，最终稳定在5～8m3/h。

通过钻孔的有效疏放，消除了21301工作面上部采空区积水的威胁，工作面实现了采空区水体下的安全回采。

6 结 论

(1)采空区水源一般来自于顶板水体，顶板水体的富水特征决定了采空区水量，特别是动态补给量的大小。榆神矿区黑龙沟煤矿采空区主要补给水源为顶板砂岩、基岩风化带孔隙-裂隙含水层，补给量稳定。

(2)该区煤层开采后实测裂采比18.1～19.41，3-1煤层开采形成的导水裂缝带高度为50.68～54.35m，导通了上覆2-2煤层采空区，采动裂隙发育充分，裂隙连通性较好。

(3)实践证明，近距离煤层采空区水害可通过“水文地质条件分析+物探先行+钻孔探放”综合防治方法进行有效防治。

[1]刘国林，潘 懋，尹尚先.煤矿采空区水害特征及其防治技术[J].中国煤炭，2009，35(1)：78-80.

[2]煤炭科学研究院北京开采研究所.煤矿地表移动与覆岩破坏规律及其应用[M].北京：煤炭工业出版社，1981.

[3]刘治国.中硬覆岩导水裂缝带发育高度与条带开采尺寸的关系研究[D].北京：煤炭科学研究总院，2004.

[4]樊振丽.纳林河复合水体下厚煤层安全可采性研究[D].北京：中国矿业大学(北京)，2013.

[5]朱现民，刘聚友.煤矿采空区积水探放技术与方法[J].煤炭技术，2009，28(11)：87-88.

[6]轩大洋，许家林.煤矿老采空区水害防治技术分析[J].煤炭科技，2008(4)：38-41.

[7]李银柱.综采工作面上覆采空区含水预测及水害防治[J].山西煤炭，2013，33(6)：63-67.

[8]樊振丽.煤矿陷落柱水害特征与防治技术研究[J].煤炭工程，2011(8)：93-95.

[9]叶贵钧，张 莱，李文平，等.陕北榆神府矿区煤炭资源开发主要水工环问题及防治对策[J].工程地质学报，2000，8(4)：447-455.

[10]张玉军，康永华.覆岩破坏规律探测技术的发展及评价[J].煤矿开采，2005，10(2)：10-12.

[责任编辑：张玉军]

Exploration and Prevention of Goaf Water of Contiguous Coal Seams

LIU Zhi-guo1.2

(1.Mining Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China；2.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

Goaf water was potential safety hazard of lower coal seam mining in contiguous coal seams，and connectivity between water inrush resource，mining fractures development character and goaf was analyzed，it taking geological situation synthesis analysis as base，water detection and release method with geophysical prospecting and drilling was applied，goaf water scope of upper coal seam was identified,goaf water was drained，and potential safety hazard of lower coal seam mining was excluded.

goaf water；mining fractures；mine transient electromagnetic method；water draining

2017-02-16

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.04.023

国家科技重大专项大型油气田开发项目(2016ZX05045007-003)；中国煤炭科工集团科技创新基金面上项目(2016MS011)；天地科技“公司研发项目”开采生产力转化基金(KJ-2015-TDKC-04)

刘治国(1978-)，男，河北来源人，博士，副研究员，主要从事“三下一上”采煤研究工作。

刘治国.近距离煤层采空区水害探测与防治[J].煤矿开采，2017，22(4)：90-93.

TD745

A

1006-6225(2017)04-0090-04