强富水含水层下综放开采水砂灾害防控关键技术

2020-09-16刘生优樊振丽尹希文赵会国温建忠刘海义

煤炭学报 2020年8期

刘生优，樊振丽,尹希文,贺鑫,赵会国,温建忠,刘海义

(1.神华国能集团公司，北京 100033; 2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京 100013; 3.煤炭科学研究总院开采研究分院，北京 100013)

在近距离强富水含水层下综放开采具有极大的危险性，弱胶结煤层覆岩含水体易发生突水溃砂事故，因此强富水含水层下综放开采的水砂灾害防控关键技术是煤矿防治水的一大技术难题。《煤矿防治水细则》规定:在基岩含水层(体)或含水断裂带下开采时，应采用留设防隔水煤(岩)柱或者采用疏干(降)等方法保证安全开采[1]。事实上，面对强富含水层下安全开采，国内学者做了大量实践和研究工作。控水采煤思想[2]把工作面涌水量控制在既能保证安全生产又能取得一定经济效益的水平上，并以此为前提最大限度地开采水体下压煤，在兖州、宿南、扎赉诺尔等矿区取得了成功。崔振涛[3]总结了扎赉诺尔煤矿通过采取超前疏放水、分段控制放煤、工作面快速推进以及顶板淋水控制等综合实践经验做法，实现了强含水层下安全综放开采。刘飞等[4]介绍了巴彦高勒煤矿高承压强富水含水层下采煤顶板水防控技术，主要通过综合勘查、动态监测、优化设计、可控疏放、减小扰动等技术途径实现强富水含水层下的开采回采。此外，武强、许延春、滕永海等对综放开采“两带”实测数据进行了统计、回归分析[5-9]，得出了综放开采覆岩破坏高度的预计公式，为强含水层下综放开采导水裂隙带的发育高度预计提供了指导。

神华国能敏东一矿采用强富水含水层下综放开采，2013年开始应用控水采煤思想进行试采，但是煤层沉积厚度不等，存在煤层厚度异常增大区段，无论是“只采不放、限制放煤”，还是“全厚综放”，都不能完全实现导水裂隙带不与强富水含水层导通。按传统的水砂灾害防控技术，留设防水安全煤岩柱，工作面回采率仅有75%左右，2012—2015年，回采的5个综放工作面，发生了5起不同规模的突水溃砂(泥)事故，造成1人死亡。为此，笔者基于蒙东伊敏煤田的含水层富水性强、上覆岩层松散弱胶结易形成溃水溃砂事故、煤层厚度变化大等基本特征，研究精细物探和精准钻探验证技术，导水裂隙带高度预测、实测与监测技术，煤层采放高度控制技术，实现综放开采水砂灾害安全精准防控。

1 技术路线框架与关键技术

1.1 技术路线框架

以突水溃砂动力现象的防治为研究对象，水砂灾害安全精准防控是研究目标，制定技术路线框架(图1)。分析区域地质构造、地层起伏、煤岩层工程地质特征，研发与目标体相适应的精细物探方法，探查出疑似富水区及地质构造，钻探验证裂隙带控制范围内的异常区与富水情况;用回归公式预计、模拟试验计算及注水法实测，研发应用实时动态监测装置对裂隙带高度纠偏，从而实现对覆岩破坏高度的静、动态特征的准确捕捉[10];预先设计工作面巷道，装备安全高效综放设备，开采过程的导水裂隙带的动态监测，实现综放开采的采放高度及时调控，从而实现水砂灾害安全精准防控。

图1 水砂灾害防控关键技术框架Fig.1 Technical framework for accurate prevention and control of water inrush and sand crushing

1.2 水砂灾害防控关键技术

1.2.1精细物探和钻探验证技术

不同矿区地层有不同的地球物理属性，强富水含水层下综放开采条件的精细探查是工作面形成以后进行的。巷道金属设施对物探干扰较大，常用的矿井瞬变电磁法和直流电法探测因外部干扰因素多，对上覆岩层地质体富水性的探查结果不准确。为了减小现场干扰，保证数据采集质量，获取全空间物性数据，为钻孔岩性与构造解释提供精细解释，从而确定地质异常体靶心与富水特征属性，创新应用了网络并行电法技术[11]、巷孔瞬变电磁技术进行煤层顶板富水性探测，实现精细探查工作面煤层顶板导水裂隙带范围内含水层的富水性特征的目的。新的地球物理勘探方法是先成孔后进行电极测线布设，进而采用网络并行电法对测线上电极进行多次三电极视电阻率采集，最终生成能够反映地质异常体空间分布特征的三维视电阻率分布图。它减小了人工干预，可以同步观测孔壁三维自然电位、钻孔围岩三维电流场和电位场信息，实时计算钻孔周边一定范围内三维电阻率、极化率等特征量随测量位置的变化信息，从而实现钻孔孔壁及其径向区域的三维电法信息。

基于矿井地质勘探钻孔和精细物探提供的地质体信息，制定井下探放水技术标准，在工作面开采前对导水裂隙带波及到的含水层进行钻探工程化处理措施，通过加密布置钻孔，疏放导水裂隙带范围的含水层水，探明更为详细的水文地质信息，并根据钻探结果对疑似富水区进行钻探验证，从而刻画了精细的三维水文地质体。

1.2.2覆岩破坏高度实测与电-震一体化监测技术

(1)覆岩破坏高度静态测试。导水裂隙带是强富水含水层水进入采掘空间的主要通道，应用钻孔注水法直接测量[12-13]其发育高度，对比回归公式、数值模拟和相似材料模拟等间接方法对覆岩破坏高度进行预测研究。

(2)覆岩破坏高度电-震一体化全空间动态监测技术。煤层开采后，上覆岩层地应力平衡遭到破坏，岩层的结构发生变化，天然电场和人工激励电场发生变化。微震事件与岩层断裂及采动微裂隙的产生有着紧密联系，直接反映了煤层顶板垮落带和裂隙带的发育情况。电-震一体化监测的优点主要体现在采动过程中的实时性、全空间数据获取的特性，并且随着工作面的推进实现连续性的动态监测，将地电场、应力场、渗流场、裂隙场进行多场耦合分析，评价微震事件密集发生带位置、视电阻率变化区域及其发展变化趋势，从而实时监测覆岩破坏高度与动态范围[14-15]。

通过钻孔内布置电法和微震传感器(图2)，对煤层开采过程中视电阻率、微震事件进行监测。回采工作面附近顶板岩层受拉剪作用，微震事件仅监测到直接顶板岩层发生变形、破坏，大部分微震事件的发生位置主要集中在导水裂隙带顶界以下层位，进入采空区区域，微震事件数量逐渐减小、能量等级也逐渐减小，反映了采空区上覆受破坏的岩层随时间的推移而压实，采动裂隙闭合、岩层移动逐渐稳定的过程;同时，受电法勘探的体积效应影响，当工作面继续回采至破坏影响区域进入电法测线下方时，视电阻率剖面才逐渐产生变化，最终在视电阻率剖面上逐渐形成垮落带、导水裂隙带形态。

1.2.3煤层采放高度的精准设计与动态调控技术

(1)综放开采的煤层采放高度对覆岩破坏高度的精准控制至关重要，放顶煤的放煤工艺中，全厚放煤，见矸石关门是保持覆岩破坏发育高度与允许破坏高度相一致的最简单方法。为防止导水裂隙带异常增高而导通强富水含水层，控制煤层采放高度，即根据允许的裂隙带高度反算并设计两巷底板以上煤层高度，必要时留底煤，进而实现裂隙带高度安全控制目标。

图2 电震监测系统现场布置Fig.2 Site layout of electrical-seismic monitoring systemmonitoring system

(2)通过微震-电法的远近、同步、连续的一体化监测方式，完整、准确的勾勒出覆岩破坏的动态过程(图3)。监测数据反映裂隙带变化趋势，进而反算开采煤层采放高度，为实时调整采放高度提供依据，对回采过程的煤层采放高度实施动态调控。

图3 电-震一体化监测采动裂隙的空间分布特征Fig.3 Spatial distribution characteristics of mining-induced fractures by integrated electroseismic monitoring

2 水砂灾害防控关键技术应用实例与效果

2.1 应用工作面的水文地质参数

敏东一矿16-3煤层Ⅰ0116300回采工作面走向长度2 600 m，倾向长度240 m，16-3煤层厚度为25 m，倾角2°～6°，埋深348～434 m;巷道掘进过程中共揭露6条断层，断层落差3～6 m，均为阻水断层。由地勘钻孔绘制的该工作面地质剖面(图4)表明，Ⅲ号含水层位于16-3煤层直接顶板到16-1煤层之间，东部及西部较薄、局部缺失，中部较厚，16-3煤层距Ⅲ号含水层11.33～85.36 m。16-1煤层上部为16煤层顶板砾岩、砂砾岩含水岩组(Ⅱ号含水层)，该含水层在回采工作面顶板分布较广，厚度较大，两含水层之间的隔水层为16-1煤层顶底板泥岩、粉砂岩，厚度分布不均匀;回采工作面范围内煤层顶板距Ⅱ号含水层77～142 m，煤层与Ⅱ号含水层的间距自开切眼至终采线逐渐增大。

图4 Ⅰ0116300工作面地勘阶段地质剖面Fig.4 Geological section of geological exploration stage of Ⅰ0116300 working face

2.2 上覆岩层的精细探查与钻探验证

按照物探与钻探相结合的原则，采用物探手段对目标地质体形成面、体的探测，进而采用钻探方法在点、线尺度上对水文地质异常区进行验证，通过精细地球物理探查获取三维地质空间物性数据，钻探验证后，上覆含(隔)水层岩性、厚度变化、导水构造以及煤厚变化等要素均可实现透明化。精细勘探解决了地层结构细化、富水区圈定问题，为精准钻探验证、疏放Ⅲ号含水层、精准保护Ⅱ号含水层，为合理确定强含水层下综放开采水砂灾害精准防控方案提供依据。

2.2.1并行电法三维空间精细探查

为了解决强富水含水层突水溃砂问题，采用物探方法对含水层进行精细探查，获取全空间物性数据。应用网络并行电法进行煤层顶板富水性探测，目的是精细探查示范工作面煤层顶板150 m范围内Ⅲ，Ⅱ号含水层的富水性分布情况。通过数据处理，得到异常区平面分布(图5)，并获取了不同层位的数据可视化切面(图6)。根据图6，120～140 m深物探疑似富水区域(Ⅱ含水层)，钻探验证结果为：7号孔出水，钻探验证与物探结果基本相符。100～120 m深度钻探验证结果为未出水，钻探验证与物探结果相符。60～100 m深度物探疑似富水区域(Ⅲ含水层)，钻探验证结果为：E80，E83号孔出水，钻探验证与物探结果基本相符。煤层顶板60 m以内电阻率值分布均匀，且较小，分析判断岩性稳定，富水性较弱，钻探验证与物探结果相符。

图5 Ⅰ0116300回采工作面物探异常区Fig.5 Geophysical anomaly zone of Ⅰ0116300 working face

2.2.2钻探验证效果

(1)回采工作面物探异常区钻探验证如图6所示。回风巷和运输巷在距开切眼480 m和740 m处，煤层顶板70～100 m电阻率显示异常，该段地层属Ⅲ号含水层范围，施工E83，E81号验证钻孔，孔深分别为95.0 m和110.20 m，最终2个钻孔成功实现了有效疏放水;针对运输巷异常“疑似富水区域”，施工E80号验证钻孔，孔深87.4 m，钻孔无水，揭露的岩性为粉砂岩、粉砂质泥岩，判断不具备富水条件;超前探放水钻孔Ⅱ含7号孔，孔深144 m，验证了Ⅱ含底部“富水区”。

(2)对回采工作面两巷加密钻探。基于地质勘探钻孔和物探成果，在工作面开采前需要对导水裂隙带波及到的含水层进行精细探查和预处理。由于Ⅲ号含水层涌水量有限，处于导水裂隙带中下部的剧烈破坏区，含泥砂量大，若不进行预疏放，放顶煤开采过程中出现突水溃砂，造成抽冒，从而导致Ⅱ号含水层破断进而致灾。而Ⅱ号含水层位于导水裂隙带的上部，在开采过程中有2种情况与裂隙导通:① Ⅲ号含水层的抽冒，最终导通Ⅱ号含水层;② 煤层厚度不均，覆岩破坏高度异常增大，直接导通Ⅱ号含水层而导致突水。通过加密布置钻孔，疏放Ⅲ号含水层，探明Ⅱ号含水层更为详细的水文地质信息，并根据物探结果对疑似富水区进行钻探验证，钻孔以50 m间距沿工作面两巷布置，进一步探明了Ⅲ号含水层不连续透镜体的分布，获取了工作面不同区段煤层与Ⅱ、Ⅲ号含水层的空间地层结构，精准钻探修正后的地质剖面如图7所示。

2.3 覆岩破坏高度获取与动态监测

2.3.1钻孔注水法实测覆岩破坏高度

导水裂隙带是强富水含水层水进入采掘空间的主要通道，其发育高度主要通过钻孔注水法直接测量[16-18]。为了进一步掌握敏东一矿16-3煤层煤层开采后的覆岩破坏高度，在地面布设采后垮落带、导水裂隙带的“两带”实测钻孔，主要通过记录钻孔水位埋深变化曲线(图8)、钻孔循环液漏失量(图9)来判断垮落带和导水裂隙带顶界[19-21]。

根据采后孔观测结果，在孔深293.35 m处，冲洗液漏失量突然增加，水位急剧下降，孔内水位未降至孔底的原因是软弱岩层破坏后经长期稳定下部裂隙闭合，孔内水位与采空区未沟通，推测此处为垮落带顶点，距离16-3煤层顶板为36.65 m，垮采比为4.76。根据采后孔冲洗液漏失量及水位观测结果，推测孔深246.22 m处为导水裂隙带顶点，此处距离16-3煤层顶板为83.78 m，裂采比为10.88。钻孔注水法实测，采用钻孔电视窥视法以可视化方式验证采动裂隙发育程度和高度。

2.3.2覆岩破坏高度数值间接预测

分别采用回归公式、数值模拟和相似材料模拟等方法，对覆岩破坏高度发育高度进行预测研究。

(1)经验回归公式预测。根据华北矿区40余个综放开采工作面覆岩“两带”高度实测值，采用数理统计回归分析的方法得出软弱覆岩导水裂隙带最大高度Hli常用经验公式[15]:

(1)

其中，M为采放高度。式(1)适用M=3.5～12.0 m。取煤层开采厚度12 m，裂采比为12.09，比实测裂采比10.88偏大。

(2)数值模拟方法预测。选取煤层厚度8，12，16 m和相应的岩石力学参数，FLAC3D数值模拟结果见表1，比实际偏大。

表1 覆岩破坏高度数值模拟计算结果Table 1 Numerical simulation results of overburden failure height

(3)相似材料模拟方法预测。以“两带”高度实测工作面为原型建立相似材料模型并模拟综放开采过程。导水裂隙带发育高度变化稳定时，裂采比约为10.79，接近实测裂采比。

基于现场实测、数值模拟、相似材料模拟、经验回归公式等方法确定的导水裂隙带高度及裂采比统计见表1，2。现场放煤试验按裂采比10.88，另外增加10 m安全高度，设计采放煤厚。经工作面回采验证，实测的导水裂隙带高度是安全、精准可靠的。

表2 覆岩破坏高度综合研究成果Table 2 Comprehensive research results of overburden failure height

2.3.3覆岩破坏高度的动态监测

工作面回采过程中，采用电-震一体化监测方法对覆岩破坏高度进行全过程实时监测，通过微震事件分布特征和覆岩电阻率变化特征，监测并分析垮落带和导水裂隙带高度垂向发育特征(图3)。动态监测结果显示工作面在钻孔实测区段的裂采比接近实测值10.88，覆岩破坏高度的动、静态测试结果基本一致。

2.4 煤层采放高度设计与修正技术应用

结合应用工作面实际，应用裂采比10.88计算煤层采放高度，以探查的上覆岩层安全高度设计工作面两巷在特厚煤层中的位置。本工作面原回风联络巷往东220 m的位置，Ⅱ号含水层底部属富水异常区，煤层顶板距离Ⅱ号含水层底板只有132 m，设计并留设工作面底煤以控制放顶高度，工作面采厚控制在12 m以内，导水裂隙带高度小于132 m;在工作面靠近运输巷600 m的位置，煤层顶板上120～140 m范围内，出现电阻值逐步增大且变化较大现象，电阻率显示异常，该段地层属Ⅱ号含水层底部异常区，因运输巷胶带影响，无法在该位置施工验证孔，工作面在该区域回采时，参考电法、微震的监测数值，采煤厚度在12 m上下实时调控，安全通过物探的“疑似富水区域”。试验工作面通过预疏放Ⅲ号含水层，精准放煤以控制覆岩破坏高度不导通Ⅱ号含水层等措施，在工作面回采过程中实现了复合含水层水砂灾害的安全精准控制，如图10所示。