门克庆矿31201 工作面复合水体下安全开采技术研究

姚依林

（中天合创能源有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

当前我国煤炭供给已逐步向西北地区集中，且西北矿区开采也正逐步向深部发展[1-3]。蒙陕深部矿区采矿地质条件较为特殊，煤层埋深普遍大于500 m，煤系地层被含水丰富且胶结程度差的白垩系地层覆盖，无稳定隔水层，煤层顶底板较软且遇水崩解，因此矿区内多为近距离煤层群开采，为企业安全高效生产带来极大影响。门克庆矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市乌审旗的呼吉尔特矿区，矿井设计生产能力为12 Mt/a。矿井首采区回采煤层有3 层，自上而下依次为2-1 煤、2-2 中煤和3-1 煤，煤层平均层间距约为30 m，煤层顶板赋存有多层富水性较强的高水压含水层，对下伏多煤层的安全开采构成了威胁，属于典型的复合水体下煤层群开采问题。因此分析门克庆矿工作面充水规律，进一步研究其工作面顶板复合水体开采疏降技术，对有效解决矿井水害威胁问题，指导矿井安全生产有重要意义。

1 概 况

门克庆煤矿31201 工作面为3-1 煤首采工作面，工作面位于井田南部的二盘区西侧，位置邻近井田西侧边界。工作面设计倾斜长度260 m，推进长度5 680 m，上下顺槽均设计为双巷布置，如图1 所示。工作面范围内3-1 煤厚4.00～6.17 m，平均煤厚4.95 m。

图1 31201 工作面布置示意Fig.1 Layout of No.31201 Face

2 工作面充水规律分析

2.1 覆岩结构与类型

井田内覆岩岩性构成分为砂岩类岩层和泥岩类岩层两大类，其中砂岩类岩层包括粉砂岩、细砂岩、中砂岩和粗砂岩，泥岩类岩层包括砂质泥岩和泥岩两种。对煤层顶板以上40 m 和100 m 范围内的覆岩岩性构成进行对比分析，结果见表1。结合上述统计结果，对门克庆矿井检孔所取岩样进行岩石力学测试，测定3-1 煤层覆岩属于中硬型顶板。

表1 井田内覆岩岩性构成Table 1 Lithology composition of overlying rocks in the well field

2.2 覆岩破坏高度预计

2.2.1 经验公式预计

31201 工作面范围内及周边区域3-1 煤层的钻孔揭露厚度为4.00～6.17 m，平均煤厚4.95 m，均大于3 m，因此将采用类似条件矿井实测数据类比分析法，预计首采区3-1 煤层覆岩破坏高度。据国内类似开采条件下的覆岩破坏高度实测结果[4-7]，本着稳妥安全的原则，选取门克庆矿首采区3-1 煤层综采的裂采比为15，垮采比为6，预计结果如图2所示。类比分析结果与工作面实测结果接近，最终预计导水裂缝带最大发育高度为82 m，垮落带为33 m。

图2 门克庆煤矿31201 工作面导水裂缝带发育高度等值线图Fig.2 Contour map of the development height of water-conducting fracture zone at No.31201 Face of Menkeqing Mine

2.2.2 数值模拟分析

采用FLAC 数值模拟软件，对门克庆矿3-1 煤开采过程中覆岩破坏动态发育情况进行分析。门克庆煤矿属于缓倾斜煤层，因此模拟计算时按水平煤层考虑。模型倾向长度为260 m，宽度为600 m，走向长度为1 200 m，垂向上各岩层均按照实际厚度进行模拟，并施加等效载荷，模型网格图如图3所示。

图3 覆岩破坏数值计算模型网格图Fig.3 Grid diagram of overburden damage numerical calculation model

（1） 破坏场分析。

图4 为3-1 煤（采厚4.5 m） 开采后覆岩破坏场分布图。可以看到顶板覆岩破坏范围呈现明显的“马鞍”型，其中拉伸破坏区和拉伸裂隙区发育晚于剪切破坏区，由此推断，工作面顶板破坏首先是剪切破坏，进而发展为拉伸破坏，最终发生断裂、垮落。因此根据以上各破坏区域的范围，判断3-1煤采后导水裂缝带发育高度为66.5 m，裂采比为14.8。

图4 门克庆煤矿3-1 煤（采厚4.5 m）开采后覆岩破坏场分布图Fig.4 Distribution of overburden damage field after mining of No.3-1 coal(mining thickness 4.5m)in Menkeqing Mine

（2） 垂直位移场的分析。

图5是门克庆煤矿3-1 煤层开采后垂直位移场模拟结果。由图5 可知，煤层开采后，工作面上方覆岩下沉位移从下至上逐渐减小，沉陷范围从下向上逐渐扩大；底板发生较大的向上位移，即底鼓；由于受工作面回采的影响，工作面前方岩层下沉梯度明显大于工作面后方岩层下沉梯度，岩层下沉为非对称下沉，随着工作面推进距离的增加，工作面前后方的下沉逐渐趋于一致。这说明随着工作面的开采，后方的岩层逐渐压实且趋于稳定。

图5 门克庆煤矿3-1 煤（采厚4.5 m） 开采后垂直位移场Fig.5 Vertical displacement field after mining of No.3-1 coal(mining thickness 4.5 m)in Menkeqing Mine

（3） 最大主应力场。

通过模拟结果发现，随着工作面的不断向前推进，最大主应力等值线范围不断扩大，逐渐变为两头高、中间低的“马鞍”形，如图6 所示。采空区边缘采动裂隙发育充分，导水裂缝带在此处发育最高。在临近煤层顶板区域主要是拉应力区域，有微裂隙时顶板岩层拉应力集中系数变得更大，使得该区域岩石极易垮落。

图6 门克庆煤矿3-1 煤（采厚4.5 m） 开采后最大主应力分布图Fig.6 Maximum principal stress distribution after mining of No.3-1 coal(mining thickness 4.5 m)in Menkeqing Mine

2.3 覆岩含水层导通性分析

煤层直接顶上方延安组含水层和直罗组底部含水层为采掘空间的直接充水水源，该地层的富水性及其与顶底板含水层间的水力联系决定了工作面开采期间的涌水情况。分析工作面覆岩破坏对上覆含水层的影响，31201 工作面范围内覆岩含水层分布均匀，其中两层位于覆岩破坏高度范围内，另一层距离采动裂缝发育范围较远，二者之间均为稳定沉积的泥岩或粉砂岩，有效阻隔了二者的水力联系。因此，对31201 工作面开采有充水影响的含水层分别位于3-1 煤顶板以上延安组上段和直罗组含水层底部的中粗砂岩含水层，如图7 所示。

图7 31201 工作面覆岩破坏对上覆含水层影响图Fig.7 Influence of overburden failure on overlying aquifer in 31201 Face

3 工作面顶板复合水体疏降开采技术

3.1 疏降开采可行性分析

（1） 含水层富水性分析。

根据我国水体下压煤开采经验，工作面采前疏放水效果及疏水时间与目标含水层的富水性、可疏性、岩性结构等因素密切相关[8-11]。因此，从含水层富水性出发，将抽水试验过程中降深与涌水量的比值关系作为疏降可行性的判别标准[12]，具体结果见表2。

表2 门克庆矿井抽水试验降深与涌水量的比值计算Table 2 Drop depth and gushing water ratio calculation in pumping test of Menkeqing Mine

由表2 可知，各抽水试验成果计算所得的＞100，说明含水层比较容易疏降。考虑到矿直接充水含水层富水性弱，且承压含水层富水性不均一，连通性差，渗透系数低，因此对该含水层进行提前疏放是可行的。

（2） 水层岩性特征分析。

3-1 煤层导水裂缝带范围内的岩层岩性以中、粗砂岩含水层和砂质泥岩、粉砂岩为主，对上述岩性岩石的物理力学及水理性质进行水理试验测试，其耐崩解系数均在98.0 ～99.5，说明地层的整体水稳定性较好，具有较强的耐崩解性和抗软化性能。而对煤系地层黏土矿物进行的X-射线衍射分析结果表明，岩层不具有明显的膨胀性特征，且表现出微弱的吸水软化性能，据此推断，疏水钻孔施工后，疏水段一般不会出现塌孔、堵孔现象，有利于含水层水的疏放。

综合上述，门克庆煤矿首采区的直接充水含水层易于疏降，且该含水层的层间泥质岩类水稳定性好，一般不会发生塌孔堵孔事故，有利于含水层的安全高效疏放。

3.2 工作面采前疏放水流场分析

3.2.1 三维地质模型构建

根据矿井勘探及水文补勘过程中的钻孔柱状图、含水层抽水试验成果以及各地层的水文地质条件，建立矿井的三维地质模型，模型平面范围为井田范围，垂向上自3-1 煤底板起直至地表，依地层岩性和沉积次序共划为11 类65 层，建模过程共统计了井田范围内的65 个钻孔，如图8 所示。首采区三维地质模型如图9、图10 所示。

图8 井田钻孔柱状图Fig.8 Borehole histogram of the minefield

图9 门克庆煤矿三维地质图Fig.9 Three-dimensional geological map of Menkeqing Mine

图10 3-1 煤与顶板砂岩含水层分布立体图Fig.10 Three-dimensional map of No.3-1 coal and roof sandstone aquifer distribution

3.2.2 采前疏降流场分析

应用均匀布井法对31201 首采工作面采前疏放水流场进行分析，考虑到工作面切眼附近的煤层底板标高处于+620—+630 m，煤层厚度为5 m，因此实际疏降的目标水位应控制在+730 m 左右。本次计算根据单孔出水能力选取5 种不同疏水量的采前疏水方案，结果见表3，如图11～图15 所示。

表3 采前疏水方案与疏水计算结果Table 3 Pre-extraction hydrophobic scheme and hydrophobic calculation results

图11 采前疏水流场分布图（方案Ⅰ：疏水量360 m3/h）Fig.11 Distribution of pre-mining evacuation water field(option Ⅰ:evacuation volume 360 m3/h)

图12 采前疏水流场分布图（方案Ⅱ：疏水量480 m3/h）Fig.12 Distribution of pre-mining evacuation water field(option II:evacuation volume 480 m3/h)

图13 采前疏水流场分布图（方案Ⅲ：疏水量600 m3/h）Fig.13 Distribution of pre-mining evacuation water field(option Ⅲ:evacuation volume 600 m3/h)

图14 采前疏水流场分布图（方案Ⅳ：疏水量720 m3/h）Fig.14 Distribution of pre-mining evacuation water field(option Ⅳ:evacuation volume 720 m3/h)

图15 采前疏水流场分布图（方案Ⅴ：疏水量960 m3/h）Fig.15 Distribution of pre-mining evacuation water field(option Ⅴ:evacuation volume 960 m3/h)

分析结果可知，通过采前疏放水使31201 工作面切眼200 m 范围、采动裂隙发育高度范围内的含水层水位降至设计水位（+730 m） 是可行的。多方案对比可知，通过增加单位时间的疏水量，可以显著缩短疏水时长，但整体时长并非线性缩减，这是因为随着疏水量增大，相应的侧向补给量也会增大，导致地下水流场失衡，这一结果符合地下水流场的一般规律。

4 结 论

（1） 通过分析3-1 煤层顶板覆岩岩性结构及其力学性能，得出门克庆煤矿煤层覆岩岩性以砂岩类岩层为主，覆岩均属于中硬类型。

（2） 通过运用实测数据类比分析法、数值模拟方法对矿井首采煤层开采的覆岩破坏高度进行预计，结果表明，3-1 煤层的覆岩破坏高度可以按照裂采比15、垮采比6 进行预计。

（3） 从含水层富水性和含水层岩性特征两个方面评价直接充水含水层的可疏性，同时通过三维地质建模，根据单孔出水能力选取5 种不同疏水量的采前疏水方案，对工作面采前疏放水流场进行分析，得出通过采前钻孔疏放水使31201 工作面初采区域采动裂隙发育高度范围内的含水层水位降至设计值是可行的。