河流老空复合水体影响区综放工作面开采安全保障技术研究

研发起止时间：2017年10月～2020年12月

完成单位：晋能控股煤业集团、中国矿业大学

获奖及评价：国际先进

1 立项背景

针对大同矿区双系煤层中侏罗纪已经开采、开采破坏带连接不同含水层甚至地表河流的现状提出了复合水体概念，通过各煤层导高分析、同位素测试等方法，分析地表水、含水层水、老空水的水力联系，研究了复合水体特征，综合采用理论分析、室内试验、数值模拟、现场实测等手段揭示了双系煤层导水裂隙带发育规律，构建了复合水体影响区综放工作面开采的安全性评价方法和防治措施。

2 主要研究内容

主要研究内容如下：

（1）通过研究得出了河流老空复合水体的特征，圈定了河床影响区，分析了多层老空水与地表水的联系

通过河流调查工作确定了马脊梁沟的平面特征、河床坡度、河床宽度等参数。圈定了马脊梁沟的河床影响区范围，如图1。据物探、钻探和开采资料，各层煤都存在一定范围的老空区，对多层老空水与河流水复合性关系进行分析。

图1 河床影响区

（2）通过研究得出了双系煤层开采条件下的导水裂隙发育高度和发育规律

根据工作面附近14个钻孔资料，对煤层覆岩岩性组成进行了统计分析。对马脊梁矿钻孔取得的岩芯进行力学性质试验，3号煤层覆岩各类岩石抗压强度范围为34.8 MPa~55.2 MPa。以8117工作面开采为研究对象，通过材料模拟导水裂隙随工作面开采的发育过程，设置3种开采方案进行数值模拟，得出了不同开采情况下覆岩裂隙发育高度与工作面推进距离的关系，如图2。通过数值模拟、材料模拟、现场的钻孔电视观测、注水试验方法，得到了导水裂隙带的高度。分别为：材料模拟为110 m~130 m;数值模拟为120~140m;钻孔电视观测导水裂缝带发育高度为145 m~150 m，注水试验导水裂缝带发育高度为140 m。综合确定以注水数据为最终依据，计算裂采比为24.27；

图2 覆岩裂隙高度与推进距离关系曲线

（3）通过研究评价了复合水体影响区开采安全性

石炭系3煤层开采虽然对河流有一定影响，但没有灾难性和破坏性影响；石炭系3煤开采对侏罗系已有采空区的渗透性影响不大；以较为可靠的裂采比法计算，石炭系3煤到侏罗系14煤老空间的防水安全岩柱厚度计算值局部大于实际防水安全岩柱厚度，局部防水煤柱不符合规范要求，要进行限采高开采；石炭系3煤层开采时，其直接充水水源为石炭系太原组含水层和二叠系山西组含水层，由于石炭系3煤至侏罗系14间主要发砂岩为主，同时有采动影响，侏罗系14煤老空水缓慢渗入石炭系3煤工作面，成为涌水量的一部分。

（4）通过研究提出了复合水体影响区开采的安全技术措施

根据以上复合水体的特点和其威胁程度，确定以下水害防治的总体思路（图3）：①建立两道防线：第一道防线的防范对象为地表水，第二道防线防范对象为侏罗系老空水；②进行两层次疏排工作：第一层次疏排为对侏罗系14煤老空区积水进行疏放；第二次疏排为对工作面顶板砂岩水进行必要的疏放；③两方面监测工作：一方面监测复合水体在开采影响下的变化情况和渗流规律；另一方面，对工作面出水点进行水质水量监测，及时采用相应防治措施。

图3 防治水总体思路图

3 创新成果

（1）通过各煤层导高分析、同位素测试等方法研究了河流与老空水及含水层水的水力联系，分析了河流老空复合水体的特征，提出了复合水体影响区水害防范体系；

（2）采用现场实测、数值模拟、材料模拟研究双系煤层上部煤层采空区的空间位置对下部煤层导水裂隙带高度的影响；

（3）采用地下水渗流理论计算注水试验岩体渗透系数，根据钻孔电视观测到的孔壁破坏情况，以总裂隙面积为主要依据，综合确定导水裂缝带上限。

4 应用效果

项目研究成果在马脊梁煤矿8117工作面进行了工业性试验，成功地指导了工作面安全生产，没有出现水害事故，采取的防范措施合理有效，提高了回采效率（推进度整体恢复至出水阶段的10倍左右）和矿井生产效益。该技术在主动治理复合水害方面具有良好的推广前景。

本项目于2021年4月通过了中国煤炭工业协会组织的鉴定，获国际先进水平。