高承压野青工作面矿压显现与水压力变化关系研究

武文清

（冀中能源峰峰集团邯郸宝峰矿业有限公司 九龙矿，河北 邯郸 056200）

1 概 况

15449S 工作面为九龙矿2009 年恢复生产以来，开采的第二个野青工作面，也是开采标高最深的一个工作面。在回采过程中，工作面顶板来压频繁，造成回采进度缓慢。该工作面采前虽采取了地面区域治理工程，对工作面布置范围内煤层底板奥陶系灰岩含水层进行超前探查和注浆加固工作并进行钻探验证，但回采期间仍有出水现象。因此，在工作面回采过程中有待于通过各项水文数据监测，对区域治理后的工作面涌水量、观测孔水位及矿压之间的变化联系进行分析总结，找出矿压与水压之间的变化规律，为今后野青工作面顶板来压进行预警和安全回采提供重要技术依据。

2 工作面水文地质情况

2.1 工作面概况

15449S 工作面为九龙矿北翼4 号煤（野青）工作面，2005 年 11 月 21 日～12 月 12 日，河北省煤田物测队对九龙矿北翼深部进行了三维地震勘探工作，勘探面积为3.5 km2。共完成三维地震线束20 条，线束物理点2 916 个；试验点位3 个，试验物理点34 个，总物理点2 950 个。2006 年10 月提交了《峰峰集团有限公司九龙矿北翼二水平三维地震勘探报告》，初步查明了区内主要可采煤层的埋藏深度及构造形态，勘探区内未发现直径大于20 m×20 m 的陷落拄，共解释出17 条正断层，于2006 年11 月评审通过。

该工作面煤层赋存较稳定，煤层结构为单一煤层，上顺槽煤厚1.0～1.4 m，切眼煤厚1.0～1.1 m，下顺槽煤厚为1.0～1.4 m，平均煤厚1.2 m，煤层倾角16°～20°。煤层顶板为2.1 m 厚野青灰岩；直接底板为5.8 m 厚粉砂岩。15449S 工作面地面标高+115—+130 m，井下标高-820—-890 m。北部为北五采区轨道暗斜井，东部为井田边界，南部为工业广场保护煤柱，西部为待掘15447S 工作面。工作面走向长度586～618 m，倾斜长度124～126 m，开采面积71 290 m2，可采储量约11.9 万t。工作面构造简单，F35 断层在北五采区轨道下山暗斜井、北五采区风暗斜井已经揭露过，揭露时落差为25 m 左右，位置可靠，位于工作面东部，未进入工作面；f01 断层在工作面下巷揭露，揭露时落差为H=0.6 m∠70°；f02 断层在工作面下巷揭露，揭露时落差为H=0.2 m∠30°；f03 断层在工作面切眼揭露，揭露时落差为H=0.4 m∠35°；f04 断层在工作面切眼揭露，揭露时落差为H=0.7 m∠86°；f05 断层在工作面切眼揭露，揭露时落差为H=0.8 m∠65°。

2.2 工作面水文地质条件

根椐勘探情况及巷道掘进揭露分析，影响该工作面安全开采的含水层主要有4 号煤层顶部的石炭系野青灰岩、煤层底板的山伏青灰岩、大青灰岩等薄层灰岩含水层，威胁工作面开采的含水层为煤系基底的奥陶系厚层灰岩含水层。

（1） 野青灰岩含水层。野青灰岩为野青煤直接顶板，野青灰岩平均层厚2.1 m，经野青巷道实际揭露证实，该含水层水量较小，主要以滴、淋水形式涌入工作面，对工作面回采影响很小。

（2） 山伏青灰岩含水层。伏青灰岩上距4 号煤底板间距36 m 左右，山青灰岩平均层厚0.5 m，伏青灰岩平均层厚3 m 左右，该含水层富水性不均一，经工作面底板验证孔钻探揭露证实水量很小，对工作面回采影响很小。

（3） 大青灰岩含水层。大青灰岩为大青煤直接顶板，层位和厚度均稳定，厚度5 m 左右。根据各底板验证孔实际揭露情况比对分析，大青灰岩顶上距4 煤底板间距72 m 左右，属灰岩裂隙岩溶水中等含水层。经实际钻探揭露证实单孔涌水量为0.01（5-2 孔） ～0.16 m3/min（4-2 孔），水位标高为 -625.5 m（5-3 孔） —-407.4 m（6-1 孔）。富水性不均匀，局部富水性相对较强（表1）。

（4） 奥陶系灰岩含水层为煤系地层基底，奥灰含水层总厚度500～600 m，根据地面施工各分支水平孔和井下底板验证孔（5-1 孔和6-2 孔） 揭露情况，含水层顶面上距4 号煤底板层间距一般厚度在 105 m 左右，水质类型为 Cl·SO4-Ca·Na 型，近3 a 水位标高+95.62—+117.76 m。由于该含水层分布面积广、厚度大，具有巨大的动、静水储量，为该工作面煤层底板防治水的主要对象。

综上分析，工作面充水水源主要为顶板野青灰岩水和底板各薄层灰岩含水层水，充水通道为煤层顶、底板导水裂隙带。底板主要强含水层（奥灰含水层水） 在无垂向补给通道、陷落柱等破坏情况下，对上部4 号煤开采无影响。

2.3 工作面构造及导水通道分析

在15449S 工作面及外围范围内，施工注浆主孔1 个，分支水平孔9 个，孔间距为40 m，控制层位在奥灰顶面以下35 m 左右，合计钻探进尺9 381.8 m。结合地面区域注浆漏失点位置和采前综合物探成果报告，有针对性的设计施工完成了底板验证孔12 个，依据工作面底板验证孔实际揭露各含水层观测，山伏青灰岩含水层最大涌水量为0.06 m3/min，大青灰岩含水层最大涌水量为0.16 m3/min。根据工作面区域治理分支水平孔和底板验证孔探查资料分析，工作面内未发现隐伏（含） 导水构造，揭露的断层均为小断层，正常情况下不富水、不导水。

2.4 工作面地面区域治理工程

通过水平钻进探查到明显漏失点21 个，并对漏失点进行注浆加固，合计注水泥及粉煤灰27 346 t。通过地面区域治理工程，采取即漏即注的技术措施，对导（含） 水构造进行注浆、加固，切断了奥灰含水层垂向补给上覆岩层的通道，增强了工作面煤层底板岩层的阻隔水性能。

表1 15449S 工作面底板验证孔水文数据一览Table 1 Hydrologic data list of verification holes in 15449S working face bottom plate

3 矿压显现与水压力变化关系

3.1 工作面顶板来压与水位变化情况

为了找出矿压与水压之间的变化规律，工作面回采前，在停采线附近底板设计施工了山伏青观测孔，山伏青含水层距工作面底板间距36 m 左右。观测孔初始水量0.15 m3/min，水压5.51 MPa。为方便观测，在观测孔上安装了压力传感器，实时在线观测。15449S 工作面自2016 年6 月开采至2017年10 月，上巷已推进189.79 m，下巷已推进213.61 m，平均推进201.7 m。工作面老顶初次来压步距平距为69.8 m，周期来压步距在3.42～17.4 m，平均为9.84 m。工作面每次顶板来压时，水量、微震事件个数、观测孔水压情况如图1、表2所示。

图1 工作面矿压显现与水压力变化关系Fig.1 Relationship between ore pressure development and water pressure change in working face

表2 工作面顶板来压与水位变化情况一览Table 2 Roof pressure and water level variation of working face

可以看出，工作面顶板来压前工作面涌水量呈下降趋势，工作面山伏青观测孔水位上升；顶板来压期间，观测孔水位已上升到最大值，涌水量开始增加。工作面顶板来压结束后，观测孔水位开始下降，涌水量趋于平缓后缓慢下降。工作面顶板来压前后，涌水量与观测孔水压（位） 呈规律性变化。

3.2 矿压显现与水压力变化关系分析

通过工作面微震监测系统分析，工作面顶板来压前事件较集中在野青灰岩以上20 m，2 煤底板以下20 m 的砂岩中，来压后大煤顶板事件增多，采空区顶板也出现大煤顶板事件，说明大煤顶板至4煤处有裂隙产生。底板事件相对较少，主要发育在山伏青含水层以上层位，工作面来压时微震事件数量也呈规律性变化。因此，由于工作面底板破坏深度刚好到山伏青含水层，也为其水位变化与矿压之间的响应关系提供了技术保障。

工作面顶板来压时，根据支架框压监测显示承受压力高达25～100 MPa，证实随着工作面开采深度和回采面积的不断增加，当覆岩发生断裂将要跨落时，底板承受着巨大的支承压力，对底板岩体造成破坏。随着应力集中区的逐渐增大，致使底板岩体发生破坏，底板岩层的隔水性能降低，造成底板薄层灰岩承压水的涌入。

综上所述，工作面顶板来压前底板裂隙处于闭合状态，涌水量呈下降趋势。由于出水量减小，补给量不变，山伏青观测孔水位呈上升趋势。顶板来压期间，工作面底板裂隙处于张开状态，涌水量开始增大，观测孔水位已上升到最大值开始下降。来压过后，观测孔压力持续下降，水量趋于平缓后缓慢下降，直至到下次工作面来压前开始下个循环。工作面顶板来压前后，涌水量与观测孔水压（位）均呈规律变化。

4 结 论

（1） 通过分析工作面矿压与水压力之间的关系，总结出了高承压野青工作面矿压显现与水压力变化关系响应规律，解决了高承压野青工作面来压时间和步距不规律，难以准确预测的难题。

（2） 成功应用高承压野青工作面矿压显现与水压力变化关系响应规律，进行采动应力、水压力、涌水量的预警预报，确保了工作面安全带压开采。

（3） 工作面底板以下27 m 有微震事件，说明底板已破坏至山伏青层位。工作面每次顶板来压时，底板裂隙被压开，工作面涌水量开始变大，钻孔水位急剧下降。随着工作面回采，顶板逐渐垮落压实采空区底板，导水裂隙通道被压实，涌水量开始减小，钻孔水位开始上升。当观测孔水位上升到一定值后（3 MPa 左右），预示着工作面下次顶板来压开始。

（4） 工作面经过地面区域治理后，工作面水文地质条件得到了改造，有效降低了奥灰含水层大水量突水的风险，达到了保水开采的目的。