煤矿综采工作面防治水技术研究

宋亚亚，王 辉

(河南永锦能源有限公司 云盖山煤矿一矿，河南 禹州 461670)

防治综采工作面地表水危害是防治水处理施工问题的关键，防止和减少开采或地下水排水引起的地表沉降、裂缝和地表裂缝等降雨或地表水渗入地下工作面。水害防治可以保证地下采矿安全，降低采矿排水成本。因此，各种地表水危害需要进行具体分析。在不同条件下，只有适当的方案和措施才能有效地预防和控制地表水危害，确保综采工作面生产安全。煤炭开采后，工作面顶部塌裂与上部含水层，从地下水向矿井水变化连通，导致矿井流水量增加，甚至发生突水灾害。目前，我国顶部水灾害防治措施是流水断裂带范围内直接充水，含水层必须提前严格排水。补给水源充足的应主要进行帷幕灌浆或截堤等工程，然后在堵塞水源后提前进行排水[1]。为提前进行有效排水，应研究和确定以下内容：①富水含水层的补给源、边界条件和水丰度；②流水断裂带发育高度是否与主要充水含水层相连通；③突水危险的划分与评价；④矿井流水量和出水量预测[2]。上述主要任务是顶部水水文地质勘探、顶层水灾害勘探，必须严格完成上述内容。

1 工程特征

研究煤矿是中国北方石炭二叠纪煤田的典型代表。开采的煤层覆盖在奥陶系石灰岩之上，矿井综采工作的透水情况偶发，严重影响了开采的进行。 针对煤矿的研究技术路线如图1所示。

图1 综采工作面防治水研究技术路线

河南省大部分矿区被第四纪矿床覆盖。研究对象煤田位于云盖山矿区，井田断裂较为发育。根据地质勘探局的报告，共有144条断层被3D地震勘探所发现。在采矿过程中，综采工作面的32条断层实际暴露出来，为突水情况的出现埋下了伏笔。根据断层的走向，可以分为3组：近南北、东北和西北。许多断层影响了矿井的生产和安全。地层不同层级材质分布如图2所示。

图2 地层不同层级材质分布

如图2所示，自上而下的主要含水层为第四系砂砾含水层、顶底板砂岩含水层、第三系灰岩三维岩溶裂隙含水层、第十系灰岩岩溶裂隙含水层和奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层。综采工作面顶部的砂岩含水层是矿井开采期间的冲击含水层，正常流入速率约为1 316 m3/h，被迫停采。

根据综采工作面的钻孔数据，第四纪地层厚240.3 m，底部有厚15.9 m的砾岩。岩心样品显示，洞穴大小在10～40 mm，裂缝长度在10～40 mm。第四纪下部由灰白色钙质黏土、钙质黏土和钙质胶结层、灰绿色黏土和黏土砂砾组成。上部由硬质钙质砂组成，固结性差。在该地区南部和西部边缘的钻孔中，钙含量很高[3]。由于方解石胶结作用，底部的钙质层部分固结成钙质结核或砾岩。在沉积过程中，卵石和胶结矿物被固化并转化为伴随的胶结层通过溶解、胶结、黏附和巩固。

在第四纪地层下层的钙质层中观察到溶洞等岩溶特征。岩溶洞穴是方解石胶结物长期溶解的结果。该层的特征是黄锈色，最大厚度为17.55 m[4]。勘探钻孔暴露的岩溶洞穴直径为0。硬部顶层分布在10～40 mm。矿井周围喀斯特洞穴中存在不同大小的方解石晶体，岩溶率估计超过30%。角砾岩层的空洞孔隙度为15%～20%。抽水试验结果表明，钻孔的比产水量为4.427 L/(s·m)[5]，渗透系数为36.87 m/d。岩溶作用增加了地下水在含水层中的储量和流速，导致渗透系数和孔隙度增加。这也是矿井综采工作面容易发生突水的原因，应该对其防治水技术进行研究。

2 综采工作面及突水特性分析

2.1 基本情况

出现突水的工作面位于研究对象煤矿中段。砂层的标高为- 243～-367 m，平均深度为331 m。工作面煤层倾角约为20 °，煤层平均厚度为6.9 m[6]。采煤方法是综合机械化厚崩落法和短壁后退法。工作面的地质结构相对简单，有4条断层，位移范围在3～25 m。综采工作面是位于第2层理断层下盘的中部矿区第1个工作面，如图3所示。

图3 矿井开采工作面综合柱状

2.2 突水过程描述

2020年10月14日6：30，综采工作面在第1次主顶压力过后发生顶板突水，将整个支架压碎。矿井水流量从最初的18 m3/h迅速增加，到10：00时最高达到115m3/h，然后逐渐减少。水质测试结果表明，水来自顶部的砂岩含水层。到10月25日，水流速度下降到40 m3/h。2020年12月23日，工作面继续开采，顶板压力基本稳定。2020年12月27日13：30，矿井水从综采工作面顶板沿着滑道排出，总排放量为45.7 m3/h，并于56 h后保持稳定。2021年1月2日，当工作面向前推进23 m时，排水量上升至53 m3/h。从1月3日到6日，矿井水量从60 m3/h到121 m3/h。水质测试结果证实，水仍然来自顶部的砂岩含水层。1月7日17：00，矿井水量从1 254 m3/h急剧上升到1 254 m3/h。1月8日12：00，最大流量为1 316 m3/h。此后，入水流量迅速下降。1月17日流量170～200 m3/h，24日水流速度下降到150 m3/h。

2.3 突水机理及原因分析

突水分析中最关键的因素是确定矿井突水水源和突水路径，以便了解地下水的突水情况，保证矿井长期安全运行，才能达到防治水的目的。综采工作面的富水区确认有5个含水层。

(3)奥陶纪形成的石灰石岩溶裂隙含水层。TDS为1 052～5 366 mg/L，水质类型为Cl-·Ca2+·Na+·Mg2+。突水后，观察到综采工作面附近地表沉降区的水位没有显著变化，排除了地表水回灌的可能性。综采工作面附近农田水井的水位没有显著下降，第四纪沉积物上层含水层补给水的可能性基本上也被排除了。第四纪沉积物下组含水层的水位与突水量的变化相对应，表明突水水源与第四纪沉积物下组含水层的钙质层和砾石层密切相关[9]，如图4所示。

图4 砾石层泥岩电镜扫描图

除了水位数据之外，水质检测数据还提供了另一项证据来确定矿井突水的来源。矿井水质数据表明，矿井突水的来源是顶部的砂岩含水层。工作面水量突然增加后，水质类似于第四系钙质层。所有的测试数据表明，矿井突水来自第四纪地层的下部钙质层。

总之，突水中的大水流量是由第四系下层石灰质含水层支撑和提供的。含水层是不均匀的，在综采工作面上方有丰富的地下水。在第四纪地层底部的石灰层或砾石层中，可能存在强烈的岩溶裂隙水通道或古河床水通道。

2.4 低角度正断层响应下盘开采的断层激活机制

断层是在岩体形成后的地质运动过程中沿断裂面发生重大位移的一种地质构造。断层周围的构造被称为断裂带，其横断面可划分为2个带：构造岩带和断层影响带[10]。断层影响带是受断层影响的断裂带，分布在构造岩带的两侧，其宽度取决于断层的大小和两岩的力学性质。图5中间位置显示了断层和导水断裂带其他因素。在采矿活动的影响下，断层将被重新激活。断层活化后，断层带的应力和断裂发生变化。原来的无水地层被导水断裂带取代，即使在水层和采场之间形成了崩落带导水通道，也会造成突水事故。

图5 断层和导水断裂带结构示意

3 开采推进过程的数值模拟分析

由于实验室应用的局限性，采用FLAC3D数值模拟软件对突水机理进行了研究。FLAC3D能直观反映煤层开采工作面的应力分布，能较好地揭示综采工作面的破坏过程和断层附近开采时对断层的扰动，对煤柱合理留设有重要的指导意义。FLAC3D数值模拟不仅有助于研究已发生的突水事故机理，且有助于指导今后工作面的安全开采，预测导水裂隙带的高度。输入资料包括勘探井的地层、岩层和三维地震勘探的断层资料及力学性质。

3.1 三维模型的建立

在数值模拟过程中，由于地质条件的影响，不可能充分反映实际情况和地层构造组成。为了满足研究的需要，使数值模拟结果尽可能地反映实际情况，需要对实际情况进行合理简化。 数值模拟基于以下假设[11]：具有相似岩性和力学参数的地层被划分为一组，而没有考虑相邻地层之间的影响。 模型上部采用竖向荷载代替覆盖层所受重力。首先，根据煤层开采过程建立机械概念挖掘模型。水平移动在模型的一侧受到限制，垂直移动在模型的底部受到限制。在模型的上半部分施加垂直荷载，以根据需要模拟上覆岩石所受重力。对于正常岩体，煤层开采前的应力处于相对平衡状态。模型必须在变化前先达到初始力的平衡状态，设定初始条件和边界条件，进行初始平衡计算，并以最大不平衡力接近零的收敛状态判断模型是否平衡。 本模拟所建立的模型是以中段综采工作面剖面的实际构造和地层为基础的。工作面距离断层0～25 m，属于近断层煤层开采。在概念模型的基础上，建立了长 200 m、宽 138 m、高120 m的板下断层开采模型。三维模型分为568 080 个三维单元，共有587 736 个节点。模型和工程参数都经过了偏差的校准，如图6所示。

图6 矿井围岩模型示意

3.2 数值模拟结果分析

综采工作面基本沿横向断层走向布置，模型剖面垂直于断层和工作面，根据实际开采情况设置宽32 m、长100 m的工作面，进行模拟开采。通过31 m预采，遇突水问题便停止开采作业，留下23 m煤柱，继续开采34 m。以下分析选取的应力图和塑性区图是垂直于工作面走向的工作面位于采区中部的断面图。在10、20、35 m开采的塑性破坏区如图7所示。

图7 不同开采进度条件下围岩塑性破坏

工作面周围出现应力拱，工作面两侧存在应力增高区，断层顶板与巷道端部接触处的应力增大尤为明显。图7(a)表明，塑性破坏发生在工作面顶部3～7 m范围内，破坏区接近断层，但断层尚未塑化；图7(b)表明，顶板和底板破坏加剧，顶板破坏范围扩大。塑性破坏区的最大高度为35 m，塑性破坏区出现在断层面上。特别是，在塑性破坏区上方有一个单独的塑性破坏区，表明断层具有部分活化现象。高度如图7(c)所示，塑性破坏带增加到56 m，断层面塑性破坏带面积扩大，塑性破坏带出现在断层上部至第四纪底部，表明断层上部活化，局部破坏带与第四纪下含水层相连，因此形成了突水通道，第四纪钙质胶结含水层释放了大量矿井水。因此，确定了事故中的矿井突水水源和突水通道，有助于制定精细的防治对策，如注浆突水通道。

4 综采工作面开采技术条件评价分析

(1)对于防砂安全防水煤柱高度的计算，采取了相似材料模拟、计算机数值计算和实测确定，分别得出了煤柱高度值。 依照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》的规定，确定综采工作面需要留设的防砂安全煤(岩)柱高度为 25.7 m；通过数值模拟进行实验，确定的一采区需要留设的防砂安全煤(岩)柱高度为25.7 m；由计算机数值计算成果确定的一采区浅部工作面需要留设的安全保护煤(岩)柱高度为 29.7 m；根据实测确定的采区浅部工作面需要留设的防砂安全煤(岩)柱高度为32.30 m，均小于实际留设煤(岩)柱35.23 m。因此，开采是安全可行的。

(2)对综采工作面顶板进行研究可知，顶板“四含”发生突水溃砂危险性较小，顶板砂岩裂隙水影响较小。

(3)综采工作面底板突水系数为0.041～0.048 MPa/m，突水系数均小于规程规定的0.06 MPa/m。因此，工作面开采不易发生突水现象。

(4)工作面煤层底板隔水层各处厚度最小值比临界厚度还要大，工作面开采存在较小的突水危险性。从钻探成果可以看出，验证孔单孔涌水量均不大，说明工作面底板阻隔水性能良好。

5 结语

以某矿井综采工作面突水为例，探讨了矿井工作面突水的来源和途径。多种证据表明，突水的源头为第四系多孔含水层。观察到溶洞增加了含水层的渗透性和孔隙度，岩溶作用极大地增加了这个源含水层的可用水量。采用FLAC3D数值模拟方法研究了工作面顶部断层下盘开采时的断层再活化的机理。当上顶层处于正常断层下时，煤炭开采使断裂带向断层位置延伸，导致断层应力状态、断层面及周围裂隙扩展和连通性发生变化。另一方面，在断层顶部的第四纪地层中存在着丰富的含水层，渗流时代集中在断层面下的水—岩相互作用。当顶部渗流区、断层面和裂隙带在水力上相连时，水就进入了第四系含水层沿断层和裂隙流入采空区，造成综采工作面突水事故。研究可为其他煤矿综采工作面其他突水事故提供参考，对煤矿防治突水具有重要的现实意义。