基于长观孔水位变化的压架突水灾害预警

李　晋

(西山煤电集团公司 官地矿，山西　太原　030022)

1　工程地质条件

某矿首采工作面位于井田东翼三采区，该工作面起止标高-393～-473 m，走向长度1 686.6 m，倾斜长度161～165.9 m，采用走向长壁综合机械化采煤方法，顶板管理为垮落法。煤层开采厚度1.9～4.0 m，平均3.0 m.该矿井首采工作面的煤层产状变化不大，煤层倾向355°～ 35°，煤层倾角平均13°.工作面基本顶一般为浅灰色中砂岩，平均厚度为14.4 m；直接顶一般为深灰色泥岩，直接顶的泥岩厚度不稳定，平均厚度1.7 m；底板一般为灰～深灰色泥岩，泥质结构，致密、块状、含植物碎片。

该矿自2002年投产以来，就先后在3222、7114、7130、6130等8个综采工作面发生了17次压架突水事故，严重影响了矿井的安全生产和采掘正常接替，造成了重大的经济损失。其中6130、7130两个工作面在回采过程中均周期性的发生压架突水事故，压架损失程度和突水量也呈现逐次增大趋势。为避免造成更大的损失，这两个工作面均被迫中途停采、撤面。如何有效防治松散承压含水层下采煤压架突水灾害是煤矿面临的重大技术难题之一。

2　长观孔水位变化与顶板来压联动效应的实测

由含水层水位变化特征的研究可知，含水层水位的变化与回采速度、来压强度等因素有关，它们之间存在一定的关系。现场实测发现，由于松散承压含水层下采煤覆岩的特殊运动规律，使得地面水文观测孔水位的变化由于覆岩破断形式的不同，经常表现出不同的变化形态。因此，研究地表长观孔水位变化与覆岩运动之间的关系，将有助于进一步掌握松散承压含水层下采煤覆岩的破坏运动规律，对进行压架突水灾害的预警具有重要的意义。

研究发现，水位与采动之间存在联动关系，即工作面回采便会引起长观孔水位的升降变化。

所谓微观联动，即工作面每一刀煤的回采均会引起长观孔水位的升降变化，且与工作面开采时间具有高度吻合的特点。工作面28号支架压力曲线见图1，图1中数据点代表相同时间内SQ8长观孔水位变化。在工作面处于检修期间，没有采动影响，长观孔水位一直处于上升状态，如图1中虚线框中所指区域。当工作面开始回采，长观孔水位在半个小时之内发生明显下降，其下降幅度与工作面采动速度有关，回采时间越长，其下降量愈大。在相邻回采的间隔时间内，由于工作面暂时停采，水位又随之出现回升现象，间隔时间越长，回升的量越大，再次采动后，水位将从回升的高度再次下降，直至本次回采停止。进入下一次检修期间时，水位同样呈现持续的回升现象。水位变化的周期性与工作面采动的周期性具有一致性。

图1　水位变化与采动关系图

水位与工作面采动之间存在微观联动效应的主要原因在于，含水层的流动补给性能较好，渗透性强，能够很敏感地反应到采动所引起的扰动，尤其是在工作面来压期间，这种敏感性表现的更为突出。由于岩层整体性强，煤层采动会引起采动应力的快速传递，直至基岩顶界面之后，导致水位发生相应的反应。微观联动效用明显程度还受长观孔水位与工作面距离的影响。长观孔距离开采区域越近，反应越敏感。

水位在不同来压时期变化幅度的不同，与来压的强度、来压步距等因素有关，来压强度越大，来压步距越大，水位下降幅度也越大；来压强度小、来压步距越小，水位下降的幅度也越小。水位变化与顶板来压的这种关系称作水位与来压的宏观联动效应，其表现形式与前面所述微观联动效应相比，宏观联动是反应整个来压过程中水位变化的特点，微观联动仅反应来压过程中每次采动时水位的变化特征，属于整体和局部的关系。利用水位宏观联动与微观联动的特征，可以判断工作面来压强度及其是否具有压架的危险性。

3　基于长观孔水位降速的压架突水灾害预警方法

通过水位下降速度可以对工作面压架突水灾害进行预警，预警的关键在于确定具体开采条件下发生压架突水的水位降速临界值。总结以往的压架突水灾害案例，发现工作面发生压架时，必然发生突水事故。因此，在进行压架突水灾害预警时，以工作面不发生压架作为压架突水灾害预警的目标。

根据长观孔水位随覆岩运动的变化规律，结合地下水动力学的相关原理，建立含水层水位降速与工作面来压强度(活柱下缩量)之间的关系，见式(1)：

(1)

式中：

h—工作面切顶高度，即活柱下缩量，m；

L—工作面面长，m；

Lm—主关键层周期来压步距，m；

S—岩块在采空区的下沉量，m；

Q—采动引起的水流流量，m3/h；

T—含水层导水系数，m2/d；

u—含水层流速，m/d，u=r2μ*/4Tt；

t—水位下降到最低点的所用的时间，d；

μ*—含水层的贮水系数，m2/d；

r—长观孔距采动区域的距离，m.

式(1)反映了含水层水位降速与工作面来压强度(活柱下缩量)之间的关系，KH为一段时间内的平均水位降速，h为支架活柱下缩量。

根据7131工作面第II块段的开采条件，煤层平均采高取3.5 m，假设发生压架危险，工作面采煤机最小不可通过采高为2.7 m，即活柱下缩量最大为0.8 m；工作面面长为161 m；主关键层周期来压步距取23 m；岩块在采空区的下沉量为3.07 m；含水层导水系数137.8 m2/d；根据以往SQ8的水文数据资料，水位从开始下降到最低点所用的时间为6天左右；含水层的贮水系数1.5×10-5m2/d；长观孔距采动区域的距离757.96 m；含水层流速u取值为0.002 6 m/d；函数f[r2μ*/(4Tt)]取值为140，代入公式(1)后，计算得出针对7131工作面的临界水位降速预警值为315 mm/d，即在7131工作面第II块段的开采过程中，若发现SQ8水位降速超过315 mm/d时，便需要及时提出预警。

根据7131工作面第III块段的开采条件，煤层平均采高取3.6 m，假设发生压架危险，工作面采煤机最小不可通过采高为2.7 m，即活柱下缩量最大为0.9 m；工作面面长为161 m；平均周期来压步距取24.6 m；岩块在采空区的下沉量为3.25 m；含水层导水系数137.8 m2/d；根据以往SQ8的水文数据资料，水位从开始下降到最低点所用的时间为8天左右；含水层的贮水系数1.5×10-5m2/d；长观孔距采动区域中心的距离547.8 m；含水层流速u取值为0.002 6 m/d；函数f[r2μ*/(4Tt)]取值为140，代入公式(1)后，计算得出针对7131工作面的临界水位降速预警值为507 mm/d，即在7131工作面第III块段初采区域的开采过程中，若发现SQ8水位降速超过507 mm/d时，便需要及时提出压架突水灾害预警。值得说明，该预警值适用于工作面距离SQ8长观孔较近的区域，初步确定为第III块段开采初期的前300 m，后期的预警需要根据工作面来压情况进行计算。

由于长观孔水位变化与采动存在着微观联动与宏观联动效应，有时当天的水位下降量可能已经达到了预警值，但是水位由于回采的结束而发生明显、快速的上升，并没有出现持续的大幅度下降，这种情况下的压架突水灾害预警则应按照以下步骤进行：首先当单日降速超过预警值时，需要对前2～3天的水位下降特点进行综合分析。通过计算近2～3天的平均降速，并与预警值对比，若发现水位呈连续下降现象，水位降深累计超过1 m，再结合工作面压力情况，如果工作面普遍剧烈来压并发生活柱大量下缩 的情况，那么需要发布压架突水灾害预警。

4　建立压架突水灾害预警系统

通过采集分析水位原始数据并进行后期的处理分析，可以形成一套完整的基于长观孔水位降速的压架突水灾害预警系统，通过实时记录、采集水位数据，利用软件进行自动分析后，计算得出实测的水位降速值。将实测水位降速值与理论计算所得的临界水位降速预警值相比，确定是否需要进行压架突水预警。该方法能够利用实时采集的水位数据，结合采动覆岩破坏特征，提高突水预警的时效性和准确性。

运用该方法进行突水灾害预警时可按下述步骤进行：

1) 建立长观孔水位数据采集系统。建立含水层水位变化的长观孔水位观测系统，包括地面观测子站、水位数据的遥测系统、本地和远程用户管理终端。

2) 选择进行水位预警数据来源的地面长观孔。水位预警需要采集一个或是多个长观孔的水位变化数据，所选用的长观孔应位于要预警的工作面附近，且对采动的敏感性较强。

3) 确定含水层及所对应长观孔的相关水文地质参数。包括含水层水流流速、贮水系数、导水系数、水文观测孔与采动区域间的距离等。

4) 确定所要预测工作面的基本参数和存在突水危险的临界顶板下沉数据。工作面基本参数包括：煤层采高、主关键层来压步距、工作面面长、煤层顶板与主关键层间基岩厚度、主关键层以下岩层的碎胀系数；假定存在突水危险时的临界顶板下沉数据：工作面具有突水危险时关键层破断块体在端面和采空区的顶板下沉量等。

5) 计算突水危险临界水位降速预警值。根据引起水位下降的基岩顶界面下沉漏斗体积等于采空区最大上传空间体积的关系，反算当工作面发生大面积切顶导致突水时能够引起的最小水位降速值，作为防治突水灾害发生的临界水位降速预警值。

6) 进行工作面突水灾害预警。根据以上步骤所计算得到的临界水位降速预警值，与长观孔水位遥测系统所采集的实际水位降速值对比，若实测水位降速值小于理论计算的临界水位降速预警值，则无突水危险；若实测水位降速值大于理论计算的临界水位降速预警值，则存在突水危险。

7) 指导现场开采实践。根据水位降速预警结果，对本矿的开采实践进行指导，在具有突水危险的工作面，需要及时采取防范措施；对于集团级的用户终端，可以及时了解、掌握工作面所面临的危险状态，实现与矿级用户的共同指挥。

5　总　结

通过以上研究发现，水位与采动之间存在联动关系，即工作面回采便会引起长观孔水位的升降变化。通过计算近2～3天的平均降速，并与预警值对比，若发现水位呈连续下降现象，水位降深累计超过1 m，再结合工作面压力情况，如果工作面普遍剧烈来压并发生活柱大量下缩的情况，那么需要发布压架突水灾害预警，同时依据地质条件建立了基于长观孔水位降速的压架突水灾害预警系统。

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