基于Surfer的采空区积水位置和范围预测研究

张博龙，姬 凡

(陕西有色榆林煤业有限公司，陕西 榆林 719000)

0 引言

陕北侏罗纪煤田煤层赋存稳定简单，面积广泛，储量丰富，特别是位于煤田腹地的榆神矿区具有煤质好、厚度大、倾角小，具有多个可采煤层等特点，开采技术条件十分优越，具备建设大型现代化矿井的条件[1-2]。该区大型矿井多煤层开采和分层开采的情况十分突出，煤层顶板大都被多个含水层覆盖，由于开采强度较大，矿井采空区涌水量普遍较大[3]，受煤层顶板起伏变化影响，工作面回采后，部分积水无法自然排出，在采空区内形成大大小小的积水区，虽然这些积水区不会对当前开采构成威胁，但是对今后下分层的开采留下了隐患[4-5]。采用分层开采和多煤层下行开采的矿井，如何准确地判定采空区积水的位置和范围成为亟待解决的问题。神东石圪台煤矿利用采空区底板等值线图，大致划定采空区积水的范围，科学有效地解决在煤层层间距较小的情况下，下层煤顶板采空区积水对采掘工作面的突水问题，极大地提高探放水的效率。

冯国瑞等[5]提出复合采动影响下层间隔水控制层的基本概念，分析6种不同条件下层间隔水控制层的稳定性，并给出合理有效的控制措施，避免上覆采空区积水对下部煤层开采的威胁；杨虎雄等[6]定量分析大阳泉煤矿导水裂隙带发育高度与煤层层间距之间的关系，论证采空区积水对下组煤开采的造成的影响；高有存[7]针对分层开采形成的采空区积水提出下分层掘进工作面探放水技术方案；刘治国[8]利用物探和钻探相结合的方式，查明上煤层采空区积水范围，有针对性地对上部采空区积水进行了疏放；张云峰[9]研究近距离煤层开采下层煤时，上覆采空区与下层煤层间隔水层的展布规律，提出“探掘分离、有掘必探、有采必探、先探后掘”的安全开采方案；张立其等[10]研究陕北浅埋煤层采空区积水下安全开采，提出安全技术措施；蒋泽泉等[11]分析评价神府矿区多煤层开采层间距较小的情况下，上覆采空区积水对下层煤开采突水危险性。

采空区以其隐蔽的分布、复杂的形态等特点，无法直接确定其空间形态和分布规律，随着计算机三维建模软件技术的发展，其在矿业领域的应用也越来越广泛。以陕北侏罗纪煤田榆神矿区某煤矿为例，在回采工作面底板观测数据的基础上，基于Sufer的三维绘图功能，引入“采空区底板三维地形图”这一概念，将采空区的起伏凹陷形态直观地反映出来，通过在凹陷处插入水平面，并调整水平面的高程，从而模拟采空区积水的位置和范围。

1 工程背景

以陕北榆神矿区某矿井30101回采工作面为研究对象，工作面走向长度4 250 m，倾向长度299.1 m，平均采厚达9.13 m，工作面采用分层限高开采的方式，开采3号煤层的上分层，采厚为4.5 m；整个回采工作面底板总体趋势为切眼高，回撤通道低，最大高差可达35～40 m，受煤层起伏变化的影响，工作面沿走向局部又呈现出波状起伏，起伏最大高差5 m。由于工作面起伏较大，回采后在采空区部分积水无法自然排出，在采空区后方汇集形成较大范围的积水区，对下分层开采构成巨大威胁。

因此，必须把采空区积水作为矿井水害防治工作的重点对象，并对采空区积水范围和位置加以确定，据此制定行之有效的治理措施，最大限度地降低采空区积水对矿井后期采掘工作的危害程度，确保安全生产。

2 模型建立

2.1 概念确立

尽管工作面回采后煤层顶板大面积冒落，采空区被少量顶煤和顶板冒落下来的矸石所充填，采空区储水空间被压缩，充水系数降低，但是采空区的低洼处，煤与矸石的空隙中，富水性依然很强。

因此，模型建立前引入“采空区底板三维地形图”这一概念，将回采工作面推进过后，采空区底板的高低起伏形态的三维地图，称为采空区底板三维地形图。虽然工作面回采过后，采空区内部状况发生变化，但是采空区煤层底板的原始地形状况并未发生根本性改变，“采空区底板三维地形图”依然能够反映顶板垮落后的地形状况和积水范围。

2.2 原始数据采集

工作面回采过程中，沿工作面倾向方向每间隔约10 m(大约6台掩护式液压支架的宽度，每架宽度约1.75 m)，以工作面顺槽导线点为已知点，利用全站仪建站观测工作面底板坐标和高程，如果遇到底板起伏较大地段可将间隔调整为3～5 m，以提高观测精度；随后工作面每推进30～50 m，利用相同方法进行重复观测，依次循环直至工作面回采完成，然后将整个工作面观测数据汇总整理备用。

2.3 模型建立

将整个回采工作面推进过程中，采集的底板坐标高程数据和顺槽掘进过程中观测的底板剖面数据汇总并转换为dat文件；将dat文件导入Surfer中生成Grd回采工作面底板三维地图网格文件如图1所示。

图1 30101工作面采空区底板等值线Fig.1 Contour line of goaf floor of 30101 working face

利用三维地图网格文件和Surfer中的3D曲面功能，生成回采工作面“采空区底板三维地形图”如图2所示。

图2 30101工作面采空区底板三维地形Fig.2 3D topography of the goaf floor of the 30101 working face

3 积水区范围和位置的确定

在回采工作面“采空区底板三维地形图”的基础上，选择底板高程起伏较大的区域，即有明显凹陷的区域，以该区域的顺槽剖面数据为边界，生成dat文件，建立一个矩形水平面，根据底板起伏情况赋予该矩形水平面一个高程，然后通过多次调整矩形水平面的高程，使其正好不超出凹陷区，并与凹陷区形成一个闭合的曲面，从而在回采工作面底板三维地形图凹陷区域模拟出积水区位置和范围，如图3所示。尽管这些区域被少量散落的顶煤和顶板冒落的矸石所充填，但仍然是采空区最主要的积水区域。

图3 30101工作面采空区积水范围及位置Fig.3 Scope and location of water accumulation in goaf of 30101 working face

从图3中看出，30101工作面共有4处较大范围的积水，分别位于回风顺槽里程1 600～1 700 m之间、胶运顺槽2 450～2 630 m之间、回风顺槽里程3 030～3 900 m之间及回风顺槽与胶运顺槽中部里程4 100～4 200 m处。其中2处范围较大的积水与矿井充水性图中的位置和范围高度吻合。

4 研究意义

目前陕北侏罗纪煤田近距离多煤层开采和分层开采的大型矿井众多，开采上层煤留下大面积的采空区，这些采空区大都存在积水，矿井开采下层煤时普遍受到上覆采空区积水的威胁；下层煤开采前，如何确定上覆采空区积水的位置和范围，对采空区积水进行提前疏放，排除水害威胁，确保安全生产，是矿井未来面临的一大难题。

该方法科学有效地解决了采空区积水位置和范围划定的难题，对分层开采和多煤层开采过程中，上覆采空区积水范围的确定，提供了新的技术方案，同时也给下层煤开采前，上覆采空区积水的合理疏放提供了依据。

5 结论

(1)以Surfer的三维曲面图为基础，引入了“采空区底板三维地形图”这一概念，将某矿井30101工作面回采期间收集的底板坐标和高程数据导入Surfer中，建立起反映采空区底板高低起伏和凹陷形态的三维地形图，并在凹陷区域插入多个水平面，模拟采空区积水的位置和范围。

(2)某矿井30101工作面共有4处较大范围的积水，分别位于回风顺槽里程1 600～1 700 m之间、胶运顺槽2 450～2 630 m之间、回风顺槽里程3 030～3 900 m之间及回风顺槽与胶运顺槽中部里程4 100～4 200 m处。

(3)该方法为分层开采和多煤层开采的矿井，下分层采掘前对上覆采空区积水有针对性地探放提供了有力的技术支撑。