综放开采下组煤首采面上覆老空水探查及突水危险性评价

史莉红 ，毛振国 ，朱术云

（1.山西潞安集团 左权五里堠煤业有限公司，山西 左权 032600；2.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116）

随着开采年限的增加，华北型煤田山西组（简称上组煤）基本已无可开采煤层，很多矿区已进入太原组煤层（简称下组煤）开采[1-2]，或者进行2 个煤层或多煤层开采[3-4]。下组煤层开采不可避免将面临上覆上组煤开采形成的老空水影响问题[5-6]，特别是山西省的很多地方，原来小煤矿居多，开采位置不清，形成了开采情况不详的上组煤老空区，这对下组煤开采的威胁非常大[2,6-7]。为了下组煤的安全开采，需要对上组煤老空水进行探查，厘清上覆采空区水分布变化特征和对下组煤开采所形成的导水裂隙带发育高度是否会对上组煤老空区水有所影响[8-13]。

山西潞安集团左权五里堠煤业有限公司正在开采的太原组15 号煤层2101 首采工作面，上覆存在已基本开采完毕的山西组5 号煤层，上组煤老采空区工作面标高约为+1 010～+1 120 m；由于开采年限久远，整合部分小煤窑，部分开采位置不详，老空水分布不清楚，对下组煤开采将造成一定程度的突水威胁。为了使下组煤能够安全回采，在对老空水探查的基础上，对下组煤安全开采的可行性进行研究。

1 研究区概况

1）研究区位置及开采煤层特征。2101 工作面为山西潞安集团左权五里堠煤业有限公司开采的太原组15 号煤层（下组煤）首采面，工作面对应地面标高+1 160～+1 300 m。为了避开村庄保护煤柱，在2101 工作面轨道巷道掘进至距离内切眼210 m处向工作面内逐渐收缩，形成刀把形状。2101 工作面轨道巷沿煤层顶板布置，总长约1 175 m；运输巷沿煤层顶板布置，总长约1 395 m；2101 工作面内、外切眼沿15 号煤层底板布置，长度约136 m。2101 工作面15 号煤层厚度为5.03～8.18 m，平均厚度为6.17 m，煤岩层倾角为8°～18°，平均倾角13°；煤层结构复杂，多数煤层夹矸层数为3 层。工作面上覆的5 号煤层开采厚度为0.9～1.6 m，平均厚度为1.2 m。

2）工作面煤系组合结构特征。工作面及附近有419 和424 共计2 个地面施工钻孔，2 个钻孔揭露15 号煤层与上覆5 号煤层间距分别为129.8 m和126.8 m。基于地面2 个钻孔资料和掘进揭露，2101 工作面直接顶板为中细砂岩和泥岩、砂质泥岩，厚度为3.0～24.0 m，平均厚度为14.4 m。根据钻孔采样试验结果：顶板中砂岩抗压强度为57.5～84.7 MPa，抗拉强度平均为1.65 MPa，为坚硬岩；工作面底板大部为砂质泥岩、泥岩，局部为炭质泥岩、薄层灰岩和中砂岩，中砂岩为灰白色中粒石英砂岩，泥质胶结，顶部含大量黄铁矿集合体。

3）工作面地质构造及陷落柱。据三维地震勘探报告显示，2101 工作面无断层等异常地质构造在实际掘进施工过程中，2101 运输巷揭露3 个小型陷落柱，影响掘进范围分别为54、16、30 m；2101 轨道巷揭露2 个陷落柱，影响掘进范围分别为18 m 和96 m；刀把切眼揭露1 个陷落柱，影响掘进范围约10 m。揭露的这些陷落柱均无水，也不导水，发育规模均不大。

4）工作面水文地质特征。根据2101 工作面形成后在地面、井下轨道巷和运输巷瞬变电磁探测结果，2101 工作面内存在4 号及5 号煤层低阻异常区，部分两煤层异常区重叠，显示在2101 工作面范围内共圈定YC1～YC9相对低阻异常区，并且在顶板不同层位间联通性较好。井下物探结果显示下组煤开采主要受上覆5 号煤层老空水影响，但老空水富水性及分布可靠性仍需通过钻探进行探查验证。

2 上覆老空水探放结果

2101 工作面形成后，五里堠煤业有限公司结合井下物探探测结果在轨道巷和运输巷分别进行了上覆5 号煤层老空水探查，并且对20 个钻孔进行了施工。上组煤5 号煤层老空区水探查结果统计见表1。

表1 上组煤5 号煤层老空区水探查结果统计Table 1 Statistics of water exploration results of goaf water in No.5 coal seam of upper coal group

由表1 可知：2101 工作面上覆老空水分布主要集中在南部，北部仅5-1 钻孔有水，且水量小，出水量仅为2 m3/h；大多数均分布在距离内切眼300 m 以内，最大出水量约130 m3/h；20 个探查孔，6 个钻孔出水，出水量为2～130 m3/h，水压为0.1～2.2 MPa，水量和水压均变化很大。

由此可见，2101 工作面上覆5 号煤层老空水分布、富水性和水压均具有很大的不确定性，不适合大面积疏放。一旦2101 工作面开采形成的最大导水裂隙带高度波及上覆5 号煤层采空区，将会对下组煤首采面开采造成突水威胁。

3 上下组煤层开采顶底板变形破坏数值模拟

2101 工作面开采最大导水裂隙带高度能否波及上组煤5 号煤层底板破坏带范围，是该工作面安全开采的关键。为此，采用数值模拟方法，对2101 工作面开采所产生的导水裂隙带高度是否能波及上覆5 号煤层老空水进行探究。

3.1 数值模型

1）工程地质模型。研究区内岩层按岩性和完整性可划分为泥岩、砂质泥岩、煤层、中砂岩、粉砂岩、灰岩（太灰）和奥灰7 个工程地质岩组；15 号煤层顶板划分为22 层地层，底板划分为7 层，共划分为30 层地层，不考虑构造，建立工程地质模型图。模型空间范围取包含419 钻孔在内的300 m×400 m 的地块，高约202 m，先开采上组煤5 号煤层，开采厚度为1.6 m；再开采下组煤15 号煤层，开采厚度为7.0 m（最厚8.18 m，综放开采按85%资源回收率考虑）。

2）模型边界条件和初始条件。模型边界条件和初始条件沿着模型前后、左右侧面采用水平方向固定垂直方向自由边界；底面采用垂直和水平方向均固定的约束方式；模型顶部补偿荷载按130 m 厚度上覆岩土体自重压力（0.024 MPa/m）施加，约3.1 MPa。为了消除边界效应，模型四周各留50 m 的煤柱；根据现场两煤层实际开采条件，5 号煤层开采长度300 m，宽度100 m；15 号煤层开采长度300 m，宽度200 m。

3）物理力学参数。模型采用FLAC3D数值模拟软件[14]，本构关系采用Mohr-Coulomb 本构模型，模拟软件材料选项中需要输入密度、弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角以及抗拉强度等。工作面顶底板岩层物理力学参数见表2。

表2 工作面顶底板岩层物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of roof and floor strata in working face

基于上述分析可知，在FLAC3D软件平台下构建的2101 工作面所在的上下组煤层数值模型共划分出451 200 个单元和469 395 个节点。

3.2 上组煤开采后底板变形破坏特征

上组煤5 号煤层开采后竖直应力分布示意图如图1，上组煤5 号煤层开采后塑性区云图如图2。

图1 上组煤5 号煤层开采后竖直应力分布示意图Fig.1 Distribution diagrams of vertical stress after mining in No.5 coal seam of upper coal group

图2 上组煤5 号煤层开采后塑性区云图Fig.2 Plastic zone diagrams after mining in No.5 coal seam of upper coal group

1）上组煤开采后竖直应力变化特征。基于采动矿压理论[15]，在工作面采空区两端的煤壁中均对称出现应力增高区，采空区顶底板均出现应力降低区，工作面两侧煤壁内的竖向应力最大值约18.5 MPa；在工作面采空区两端的煤壁中均不对称出现应力增高区，采空区顶底板均出现应力降低区；在模拟开采过程中，随着工作面推进长度的增加，下部煤柱应力值增大幅度和范围均比上部煤柱的明显，且应力集中的现象更加明显，回采完毕后工作面两侧煤壁内的竖向应力最大值约为24.5 MPa。

2）上组煤开采后塑性区分布特征。工作面推过后，走向方向采空区顶底板塑性区分布比较均匀，中间高，两边小，主要类型为剪切与拉张混合屈服破坏（图2（a））；根据模型尺寸，可确定完全开采后沿走向方面采动底板塑性区深度5.5 m。沿倾向方向开采后顶底板塑性区分布特征更加明显（图2（b）），中间受拉破坏，两边以剪切破坏位置，随着推进距离的增加，逐渐变为两边高、中间低的倒“马鞍”形[16]。同时，沿着煤层倾角方向上方顶板采动裂隙发育较充分，但底板采动裂隙发育最大位置处于倾向方向的下方，最大深度11.0 m。

3.3 下组煤开采后顶板变形破坏特征

上下两工作面回采完毕后顶底板竖直应力分布图如图3，上下两工作面回采完毕后顶底板塑性区分布云图如图4。

图3 上下两工作面回采完毕后顶底板竖直应力分布图Fig.3 Vertical stress distribution diagrams of roof and floor after mining in upper and lower working faces

图4 上下两工作面回采完毕后顶底板塑性区分布云图Fig.4 Plastic zone distribution diagrams of top and bottom after mining in upper and lower working faces

1）下组煤开采后竖直应力变化特征。在两工作面采空区两端的煤壁中均对称出现应力增高区，采空区顶底板均出现应力降低区（图3（a））。从应力集中角度来看，下组煤开采后工作面两侧煤壁内的竖向应力集中更加明显，最大值达到22.8 MPa，比上组煤单独开采引起的明显偏大；在工作面采空区两端的煤壁中均不对称出现应力增高区，采空区顶底板均出现应力降低区（图3（b））。下部煤柱应力值增大幅度和范围均比上部煤柱的明显，且应力集中更加明显，但竖向应力最大值与单独开采上组煤引起的变化不大。

2）下组煤开采后塑性区分布特征。工作面推过后，走向方向两煤层采空区顶底板塑性区分布比较均匀，中间以拉张破坏为主，两边以剪切破坏为主（图4（a））；根据模型尺寸，可确定完全开采后5 号煤层底板变形破坏深度沿走向方面采动底板塑性区深度11.0 m，15 号煤层顶板导水裂隙带高度60.0 m。沿倾向方向开采后顶底板塑性区分布特征更加明显（图4（b）），中间受拉破坏，两边以剪切破坏位置，根据模型尺寸，可确定完全开采后5 号煤层底板变形破坏深度沿倾向方面采动底板塑性区深度11.0 m，15 号煤层顶板导水裂隙带高度112.0 m。

结合上下组两煤层开采的走向和倾向塑性区分布云图可以看出：两煤层开采后上组煤底板破坏深度和下组煤顶板导水裂隙带高度没有贯通，这可认为在开采下组煤时，上组煤老空水一般不会突涌到下组煤工作面而发生水害事故。

3.4 导水裂隙带高度经验公式类比分析

为增加与数值模拟开采下组煤导水裂隙带高度结果对比，采用相关经验公式进行类比分析。文献[17]对潞安矿区开采山西组3 煤层不同开采方式下实测导水裂隙带高度进行了对比分析，获得了综采和综放开采导水裂隙带高度、累计采高、开采分层数的关系式为：

式中：Hli为导水裂隙带高度；M为累计采高；n为开采分层数。

根据煤矿防治水手册，综放条件下中硬顶板类型的导水裂隙带高度与采厚的关系式为（综放开采公式适用的采放高度为3.5～12 m）：

结合2101 工作面及附近地面两钻孔资料和数值模拟5 号煤层底板破坏深度数据，根据式（1）和式（2）对下组煤开采上覆老空水威胁进行计算。基于钻孔的下组煤开采上覆老空水危险性量化计算见表3。

表3 基于钻孔的下组煤开采上覆老空水危险性量化计算Table 3 Quantitative calculation of overlying goaf water risk in lower group coal mining based on drilling

从表3 中可以看出：15 号煤层的导水裂隙带高度根据2 个不同公式计算的结果变化范围较大。如果采用最大值作为15 号煤层导水裂隙带高度取值，再加上5 号煤层底板破坏深度，两者之和远大于两钻孔的5 号煤层底板与15 号煤层顶板间距，正常开采下组煤时上覆上组煤老空水应该突涌到2101 工作面。但实际已开采结果表明，2101 工作面推进近360 m，整体上推过上覆老空水富水区域，2101 工作面涌水量没有发生较大变化。因此，开采下组煤所产生的导水裂隙带高度没有波及上覆上组煤老空区。

4 下组煤开采突水危险性评价

为了进一步评价下组煤开采是否受上组煤老空水威胁，收集了2101 工作面在回采过程中涌水量实测数据。1 年来，工作面推进约360 m，2023年3 月20 日工作面位置已基本推过上覆老空水富水区域，但工作面涌水量在波动中没有发生较大变化，2101 工作面涌水量观测历时变化曲线如图5。

图5 2101 工作面涌水量观测历时变化曲线Fig.5 Water inflow observed curve with time in 2101 working face

由图5 可知：工作面涌水量介于9.2～22.6 m3/h，平均涌水量为16.0 m3/h，且逐渐趋于稳定。因此，下组煤15 号煤层开采导水裂隙带高度并没有波及上组煤5 号煤层老空水，涌水量实测数据分析结果和数值模拟结果基本一致。

5 结 语

基于下组煤首采工作面地质、水文地质及开采条件为背景，通过探查上覆老空水，采用数值模拟方法分析了上下组煤层开采后相互影响，并结合现场涌水量实测，系统分析了下组煤首采面综放开采上覆老空水突水危险性。

1）对下组煤首采面所在区域地层组合特征和开采情况进行了系统分析，同时也对上组煤老空水进行物探和钻探探查，施工20 个钻孔。结果表明：有6 个钻孔有水，钻孔最大涌水量为130 m3/h，水量大，水压高，上组煤老空水富水性不均匀，一些区域富水性强，不适合疏放。

2）建立了上下组煤层开采顶底板的工程地质数值模型，采用数值模拟方法对上组煤和上下组煤开采完毕后的应力场及塑性区场变化特征进行了对比分析。上组煤单独开采分别为18.5 MPa 和24.5 MPa；2 组煤开采后走向及倾向最大竖直应力分别为22.8 MPa 和24.7 MPa；上组煤单独开采走向及倾向最大底板破坏深度分别为5.5 m 和11.0 m；2 组煤开采后下组煤产生的导水裂隙带高度沿走向和倾向分别为60.0 m 和112.0 m。

3）根据开采1 年来首采面推进约360 m 范围的工作面涌水量实测数据分析，最大涌水量为22.6 m3/h，平均涌水量为16.0 m3/h，且逐渐趋于稳定，充分说明下组煤15 号煤层开采产生的导水裂隙带高度没有波及上组煤老空水，与数值模拟结果一致。