孤岛综放工作面水体探测及突水危险性研究

南 华，罗 明，王 帅，Syabilla Rachmadina Cardosh

（1.河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454000；2.哈密豫新能源产业研究院，新疆 哈密 839000）

由于煤矿开采历史悠久且水文地质条件复杂性，使得我国部分废弃采空区、老窑存有大量积水。当相邻未开采工作面进行回采时，对采空区积水区造成扰动后，极易导致不同程度水害事故发生。自20 世纪90 年代以来，我国煤矿80%以上水害事故是由老空区积水溃发引起[1-2]。以毗邻河南省的山西省为例，自2001 年发生较大、重大及特大水害事故比重分别为44.4%、20.0%、6.7%，其中重大事故以上水害事故比例分别为86.9%、91.7%，累计死亡人数高达464 人[3]。通过对英国煤矿突水事故水源分类表明，在1851—1970 年，176 起突水事故中因采空区积水诱发的灾害超过其它突出水源事故总和[4-5]，表明采空区积水所诱发的水害事故是重要突水事故水源。因此加强对矿区积水的精确探测和危险性评估具有重要理论和实际价值。

随着我国矿井开采深度不断加大及煤层开采地质条件的复杂性，对老空水精确探测提出更高要求，同时引起了更为广泛的关注。我国学者围绕老空水进行了大量研究，主要集中在以案例或地质特征进行分类的老空水水源、充水通道和积水空间等要素对老空水水害特征进行分析，尤其在探测积水和探防治理措施方面进行了深入研究[6-9]。虽然对当前煤矿老空水的预防和治理起到一定指导作用，但存在明显的不足和挑战：尚未从物探、化探、钻探及裂隙发育导水性等多方面构成完整的探测体系进行分析，难以对老空区水害事故做到精准探测。资料表明，济煤23101 南部相邻工作面原为小煤矿，资源整合后，现隶属于济煤三矿并于2017 年9 月关停，因小煤矿采掘资料缺乏及可能存在不规范开采现象，致使工作面相邻采空区积水量及范围难以确定。为确保23101 孤岛综放工作面顺利开采，避免发生突水事故，在回采23101 工作面前有必要明确该工作面和相邻采空区积水量及范围，才能制定与其地质水文情况相符的科学防突水治理和预防方案。

1 工程背景

济源煤业有限责任公司（下称济煤）部分矿区是该公司资源兼并重组，其中济煤二矿23101 工作面位于济源煤田克井井田范围内，井田面积为5.06 km2，核定生产能力为30 万t/a，主要开采二1 煤层，煤层平均厚度5.05 m，煤层平均倾角为15°，地势北高南低，顶底板均为炭质泥岩。工作面采用综采放顶煤工艺开采。无冲击地压，矿井水文地质条件中等，正常涌水量470 m3/h，最大涌水量560 m3/h。济煤23101 工作面运输巷位于-120 m 水平上山东部，东部与济联煤矿交界，北部与23001 采空区相邻，西南为太行斜井，南部为井田边界，济煤23101 孤岛工作面工况如图1。

图1 济煤23101 孤岛工作面工况Fig.1 The working condition of Jimei 23101 isolated working face

济煤23101 工作面走向长度为520 m，倾斜长度Lc为80 m，面积为4.16 m2，23101 相邻工作面已采掘完毕。由于23101 工作面南部为井田边界，原小煤窑，因缺乏小煤窑开采资料，无法明确其是否存在越界开采及采空区积水情况，这将威胁到23101 工作面的安全开采。

2 孤岛工作面覆岩裂隙发育规律及充水通道分析

济煤三矿地势为南高北地，三矿最大涌水量为500 m3/h，当前日排水量为380 m3/h，表明该老空区存有大量积水但积水量不详。为判定23101 工作面上覆岩层水体及相邻采空区不明积水对23101 工作面开采的影响程度，采用水文地质数据、力学模型、多种经验公式及数值模拟等方法对该工作面开采扰动前后煤层导水断裂带发育高度进行研究。

2.1 工作面及相邻采空区积水形成机理

水文地质资料表明，矿井位于克井盆地，其东部沁、蟒河区域分水岭与矿井南北两侧东西向山脉构成完整地表水流域，蟒河从矿井西部通过，蟒河水沿河床下渗，但由于距该矿井距离较远，对矿井没有影响。含水层主要由冲击层、大煤顶板砂岩、石炭系灰岩及奥陶系灰岩组成，大煤顶板砂岩和石炭系灰岩水量小且径流较小。其冲击层含水层富水性强，虽距离大煤较远，但随采空区面积的增大，该含水层通过井筒、采空区导入井下，可能造成矿井涌水量增加。而奥陶系灰岩含水层依据河北峰峰矿务局井下水文观测数据表明，该含水层富水性强，目前水位标高为+143 m，位于构造破碎带附近。对于隔水层而言，虽然二1 煤层顶板岩石结构细腻、裂隙不发育，具有良好隔水效果，但位于煤层开采后的“三带”影响范围内，隔水层受到开采扰动影响，隔水层极易破坏，需加强对其探测。

充足水源补给是老空水形成的重要前提条件，老空水具有沟通天然充水水源并存储于采场缓存区的做且诱发水害的缓存区的作用[3]。依据井下调查，采空区的补给水源主要为第四系砂砾石孔隙潜水和基岩风化带裂隙水和煤层顶板大占砂岩裂隙水，而该含水层受到大气降水补给，其中前者钻孔单位涌水量最高可达1.51 L/s，由此可知济煤二矿二1 煤层开采受到相邻老空水影响较小。而后者补给水源由于顶板砂岩裂隙含水层地质结构破坏，其裂隙水将可能成为采空区直接充水水源。而采空区积水发生突水事故须具备联通充水区与工作面的充水通道，其中工作面和相邻采空区开扰动后所引起的顶板垮落导水断裂带则可能是主要的充水通道之一，23101孤岛综放工作面开采前后和相邻采空区顶板垮落导水裂缝带发育情况，应成为是否形成充水通道的重要研究内容。

2.1.1 孤岛工作面及相邻采空区覆岩断裂带计算

依据《三下采煤规程》对煤层开采导水断裂带高度计算，如下式[2]：

式中：Hli、Hlii为导水断裂带高度，m；ΣM 为累计采厚，m。

济煤二矿二1 煤层岩层分布及力学参数见表1，由此可得导水断裂带高度按照23101 综放工作面采高度5 m 计算。

表1 济煤二矿二1 煤层岩层分布及力学参数Table 1 Rock distribution and mechanical parameters of Ⅱ-1 coal seam in Jimei No.2 mine

2.1.2 孤岛工作面及相邻采空区覆岩断裂带理论分析

为确定覆岩顶板导水裂隙高度，我国学者对导水断裂带高度进行了丰富研究[10-12]，有学者利用板壳理论和关键层理论构建导水断裂带发育高度计算力学模型[13-14]，模型依据组合梁理论确定各坚硬岩层上覆荷载位置，应用板壳理论对坚硬岩层开采中所承受极限断裂情况进行分析，当临界载荷和极限位移超过坚硬岩层上覆载荷及自由空间高度时，断裂带停止发育，便可确定断裂带高度位置。

式中：Z 为岩层岩层垂直方向上自由空间距离，m；M 为采高，m；hj为该岩体第j 层岩层厚度，m；ηj为岩体第j 层岩层膨胀系数。

根据济煤二矿地质条件测得，其平均残余膨胀系数为1.526，以表1 济煤二矿二1 煤层实测岩层分布及力学参数进行计算，23101 工作面及相邻采空区导水断裂带高度计算见表2。

表2 23101 工作面及相邻采空区导水断裂带高度计算Table 2 Calculation of the height of water-conducting fissure zone in 23101 working face and adjacent mining area

2.1.3 孤岛工作面及相邻采空区覆岩断裂带数值分析采用3DEC 数值模拟软件建立济煤23101 孤岛

工作面及相邻工作面模型，模拟获得孤岛工作面与相邻工作面导水断裂带发育高度。模型尺寸为：360 m×220 m×20 m，煤层倾角为14.5°，下方23001 工作面倾向长度为82 m，济煤三矿21051 小煤窑工作面倾向长度为85 m，且位于23101 回采工作面南部预留煤柱宽度Ld为30 m，由于各工作面回采高度差异较小，故各煤层模拟采高均采用5.0 m 进行模拟。对23001 工作面和21051 工作面进行回采，得到回采最大导水断裂带发育高度分别为61.12、59.09 m，由于23101 工作面回采受到23001 工作面采动影响，其裂隙发育高度为67.17 m。23101 孤岛工作面及相邻工作面回采前后顶板破坏范围如图2。

图2 23101 孤岛工作面及相邻工作面回采前后顶板破坏范围Fig.2 The range of roof damage before and after mining of 23101 isolated workings and adjacent working face

2.2 孤岛工作面及相邻采空区覆岩裂隙贯通性分析

明确相邻工作面与孤岛工作面覆岩导水裂隙是否贯通，是确定孤岛工作面是否存在补给水源的关键。因23101 工作面南高北低且21051 工作面已经确定存在大量老空水，若21051 工作面导水断裂带与受到采掘扰动影响下的23101 工作面导水断裂带进行贯通，则21051 工作面老空水将通过导水断裂带严重威胁到23101 工作面的开采。

为有效保障23101 孤岛工作面生产安全性，取理论、经验及数值模拟中最大断裂带高度进行计算，即23001 工作面为81.69 m，21051 工作面为80.08 m。23001 工作面与21051 工作面顶板导水裂隙扩展如图3。

图3 23001 工作面与21051 工作面顶板导水裂隙扩展Fig.3 23001 Working face and 21051 working face roof water conducting fissure expansion

依据式（6），可得到23001 工作面断裂带的影响半径RB为：

式中：Hq为23001 工作面导水断裂带高度，m；γ为上山移动角，（°），取70°。

RB、RC、RD分别为23001、21051 工作面断裂带的影响半径。计算得：RB=29.73 m，RD=24.33 m。由于RB+RD=54.06 m＜Lc+Ld，可知在21051 工作面积水区高度内，23001 工作面回采后顶板裂隙与21051 工作面采空区顶板导水裂隙并不贯通，因此23101 工作面未回采前，21051 工作面老空积水不会涌入到23101 工作面上下平巷。

当23101 工作面回采结束后，其顶板裂隙发育带将扩展至与21051 工作面老空区顶板断裂带发生交叉。据此可计算出Hf=49.5 m，He=46 m，Lf=18 m及Le=11.5 m，其中Hf为23101 回风巷上帮顶板到裂隙交叉处的垂直高度，He为老空区与煤柱边界顶板到裂隙交叉处垂直高度，Lf为裂隙交叉点到23101 回风巷上帮顶板的水平距离，Le为裂隙交叉点到老空区与隔水煤柱边界的水平距离。通过计算表明，由于Lf+Le=29.5 m，这与目前Ld预留最窄宽度30 m 距离相近，因此21051 工作面的老空水可能将在23101 工作面回采过程中产生的导水断裂带发生贯通后威胁到其安全回采。

3 孤岛综放工作面水体特征研究

3.1 瞬变电磁探测水体区间位置分布规律

瞬变电磁探测技术由于其对低阻体敏感特性，成为探测含水层及富水性、构造及含水情况、老空水及积水量的主要手段[15-18]。为准确探明23101 工作面及相邻采区的积水范围，通过查阅矿区相关资料及采用地表和井下物探相结合的方法，准确探明23101 工作面积水范围和积水量，尤其探明兼并前小煤窑21051 工作面是否存在越界开采现象，为进一步研究预留煤柱宽度范围合理性及保证23101 工作面安全回采提供准确的依据。

3.1.1 地表瞬变电磁探测布置及结果分析

依据《三下采煤规程》要求及23101 工作面现场涌水点情况，在23101 孤岛工作面上方倾向方向影响半径70 m 的范围确定为探测边界，为增强探测准确性，向外以延申30 m 范围对边界进行扩大探测，沿23101 工作面上巷为正方向，并以下巷为起点，同时以上巷100 m 以外为边界，以30 m×20 m的网度进行勘探，累计地表瞬变电磁探测勘察面积为0.13 km2。

瞬变电磁探测确定了7 个顶板富水区，分别是推测低阻异常区1～低阻异常区7，主要分布在勘查区的东部和东南部，推测低阻异常区3 主要受老采空区影响所致。从低阻异常区发育范围大小分析，低阻异常主要分布在距离煤层上10～30 m 范围内。煤层顶板上40 m 和50 m 低阻异常区面积减小或消失，低阻异常区6 在40 m 和50 m 位置基本消失。此外推测异常区1、低阻异常区2、低阻异常区3 的含水量大约为37 576、21 937、31 659 m3，通过积水量与异常区所处位置判断，低阻异常区1、低阻异常区2、低阻异常区3 可能将对23101 工作面安全回采产生较为严重影响。由低阻异常区3 可知推测原小煤窑的济煤三矿21051 工作面并未发现越界开采现象，预留最窄煤柱宽度可达30 m。勘查区二1 煤层顶板砂岩富水性分布示意图如图4。

图4 勘查区二1 煤层顶板砂岩富水性分布示意图Fig .4 Schematic diagram of the water-rich distribution of the roof sandstone of Ⅱ1 coal seam in exploration area

3.1.2 井下瞬变电磁探测验证

采用井下瞬变电磁探测技术在23101 运输巷开切眼处开始进行探测，累计完成侧线长度为2 080 m，同一位置上分别进行15°、30°、45°、60°倾角方向探测，探测距离间距为10 m。井下不同倾斜角瞬变电阻率探测结果剖面如图5。

图5 井下不同倾斜角瞬变电阻率探测结果剖面Fig.5 Transient resistivity detection results profile at different inclination angles of downhole

由图5 可知，该低阻区呈现零散分布状态，其中与济煤三矿21051 工作面边界呈现明显的平行线，由此表明23101 工作面南部防水煤柱对于21051 工作面老空区积水起到良好的阻隔作用，同时表明23101 工作面尚未回采前，23101 工作面与老空区21051 工作面采动裂隙并未发生贯通，这与上文研究贯通性结果相符。通过对井下与地表瞬变电磁探测结果对比，两者在23101 工作面上方所探测低阻区基本重合，由此验证地表瞬变电磁探测结果的真实性，即23101 工作面上方积水主要存在X1-1、X1-2、X1-3、X1-4 处低阻区，其中X1-1、X1-2、X1-3 低阻区与井下现场实际顶板滴淋水位置基本吻合。综上所述，通过井下瞬变电磁探测和现场观测结果对比地表瞬变电磁探测结果基本吻合，因此瞬变电磁探测结果具有较高的可信度，可成为钻探放水重要参考依据。

3.2 化学检验及分析

采用化学检验探测方法，判别23101 回风巷、运输巷与灰岩水等多处水样进行化验，确定当前23101 工作面顶板淋水点水质特征，为后期钻放水提供重要的设计依据。

采用全分析水质分析法[19-21]，对酸碱性，钙、镁、钠离子，硫酸根、碳酸根等离子及气味、浑浊度等进行分析。分析结果表明，其水质化验中不含有各种铁（Fe2+、Fe3+）离子，其pH 值均大于8.0；此外其中HCO3-含量高达428.42 mg/L, SO42-含量为125.26 mg/L，以上化验结果与酸性老空水特征为pH 值小于7，且呈现酸性，阴离子HCO3-大幅度减少，SO42-含量占绝对优势，阳离子中钙、镁离子含量特征与SO4、Ca·Mg 型酸性老空水特征不符。此外工作面下巷正常出水点和上巷涌水点同灰岩水取样化验结构分析，其相似度较高，3 处水样中均含有Ca2+、SO42-、Cl-、Mg2+、K+Na+及HCO3-等阴阳离子，且其中Ca2+、SO42-及HCO3-离子含量均较高。此外总硬度分别为464.16 mg/L（灰岩水）、449.65 mg/L（下巷正常出水点）、442.39 mg/L（上巷涌水点），上下巷水样同灰岩水总硬度极为接近。并且其pH 值分别为8.4（灰岩水）、8.5(下巷正常出水点）、8.4（上巷突水点），同样其pH 值极为接近。同灰岩水对比，水样澄清且无气味。综合可判定，23101 工作面下巷正常出水点和上巷涌水点均为顶板裂隙水的可能性较大，但目前无充分证据可以排除老空水的可能。

3.3 水体位置钻探放水反演分析

煤矿防水钻探技术因具有准确性高的特点，是实现精准探测和探明不明采空区的重要手段[22-23]。为验证瞬变电磁探测水体位置、积水量预估的准确性，23101 工作面上方积水为顶板裂隙水而非老空补给水的可能性，采用井下现场钻探的方法进行复验，同时为保障生产安全性，消除隐患，并为后期超前疏排水提供依据。此外也为进一步确认济煤三矿小煤窑21051 工作面是否存在越界开采现象，据此采用地面钻探方法进行局部探查。

依据《煤矿安全规程》煤矿探放水作业要求，并针对上文23101 工作面上方探测积水情况，为准确探测水体位置及保障孤岛工作面安全回采。23101工作面超前探放水及煤柱边界钻探示意图如图6。

图6 23101 工作面超前探放水及煤柱边界钻探示意图Fig.6 Schematic diagram of advanced water detection and drainage and coal pillar boundary drilling at 23101 working face

将影响23101 工作面安全生产的预测低阻区，主要为低阻异常区1、异常区2、异常区5，因此分别在3 处异常区超前65 m 处布置超前探放水钻孔，仰角分别为9.5°、18.5°、26.5°，距水平垂直高度分别为10、20、30 m，其中钻孔水平夹角β 如图6 中的低阻异常区1、异常区2、异常区5。煤柱边界钻探以23101 工作面东部终采线为起始点以48 m 间距在预留煤柱地表进行钻孔，每处钻孔点向3 个不同方向角度钻探，其中1 处为测量孔，2 处为验证孔。钻探结果表明，低阻异常区1、异常区2、异常区5 存在积水，推测出瞬变电磁探测23101 工作面上方积水位置的准确性。同时对钻探排水进行取样化学检验分析，其成分同灰岩水的成分相似度达到91.3%，表明23101 工作面上方积水与上文化学检验测结果相似性较高，即积水为顶板裂隙水而非老空水补给。预留煤柱钻探结果显示钻探取心率为82%且岩心完整，表明23051 工作面老空水并未通过导水断裂带对23101 工作面顶板积水进行补给，并且再次验证济煤三矿小煤矿并未对其21051 工作面边界预留煤柱进行越界开采。

4 结 语

1）二1 煤覆岩中奥陶系含水层富水性强，在工作面回采扰动后受“三带”范围影响，原二1 煤隔水层良好的顶板极易受到破坏，可能对23101 孤岛工作面安全回采形成威胁。

2）23001 工作面、23051 老空水工作面及23101孤岛工作面最大导水断裂带发育高度平均值分别为58.43、57.31、60.94 m。此外，得出23101 孤岛工作面未回采前，其相邻采空区并未出现导水裂隙贯通，同时从理论、数值模拟角度证明当前23101 工作面顶板淋水并未相邻老空水采区进行补给；当23101 工作面回采后，其导水断裂带可与23051 工作面导水断裂带贯通，23051 工作面老空水可威胁到23101孤岛工作面正常回采。

3）23101 工作面顶板淋水为顶板裂隙水，无孤岛工作面相邻老空水进行补给并确定23101 工作面顶板裂隙水及相邻老空水工作面积水位置及积水量。此外，得出原济煤三矿小煤矿老空水积水区并该矿未越界回采，预留煤柱最窄处达到30 m，其符合《三下采煤规程》相关要求。但为保障23101 工作面安全回采及其回采过程中避免防水煤柱受到老空区高强度水压力，而发生涌水事故的可能性，要对顶板裂隙水及老空水进行超前疏放。

4）综合运用当前矿井积水探测的手段，实现对孤岛工作面及不明老空水采区进行精准探测，并构建地质水文质料-导水裂隙发育贯通性-物探-化探-钻探闭环型相互佐证探测分析思路，其研究结果可适用于同样复杂条件下的矿井突水危险性探测。