侏罗系采空区充水系数定量研究及应用

谭志喜

（晋能控股煤业集团 煤峪口矿，山西 大同 037003）

1 工程概况

煤峪口矿作为一个开采近百年的老矿井，侏罗系可采煤层多、开采时间久远、采空区遍布。随着开采井田内采空区增多并形成积水区，通过裂隙与地面导通，对侏罗系矿井收尾阶段开采及石炭系矿井大规模开采形成了极大安全隐患。采空区积水是影响该矿安全生产的主要水患，能否准确估算采空区积水，对有目的、有计划的对采空区积水进行疏放有着重要的意义。

2 采空区积水充水系数定量

煤峪口矿现开采的侏罗系14 号煤层，410 盘区51020 巷对应上覆为11-12 号合并层8822 采空区，上下分层开采。上分层1999 年开采结束，下分层2004 年开采结束，与14 号层平均层间距6.8 m。2008—2012 年从地面灌浆孔向11-12 号合并层408 皮带巷西部灌浆，灌浆水是8822 采空区的主要积水水源，预计积水面积80 000 m2，积水量30 000 m3，给51020 巷掘进造成重大安全隐患。由于距开采结束已久，采空区形态变化、水力联系及积水量无法准确计算，给矿井采掘接替计划部署也造成很大影响。

2.1 钻孔水压测量

煤矿井下探放水钻孔水压测定装置为止水套管上安装压力计来测定水压，该方法安装过程复杂繁琐而且不耐用，压力计使用一段时间后容易损坏，读不出数。带有【MA】煤安标志电子测压仪费用较高。自制钻孔水压简易装置，可以有效测定钻孔水压值，解决了钻孔水压测量问题，如图1 所示。

图1 自制水压测量装置Fig.1 Self-made hydraulic measuring device

依据连通器原理，连通器里的水不流动时，各容器中的水面总保持相平。水压大小与高度有关系，一般高度越高，底部的水压越大，压强公式P=ρgh，即压强大小=液体密度×质量常数×离液面的高度。

探放水钻孔孔径为52 mm，选择1.5 英寸铁管（38.1 mm），在管头缠绕棉麻等封水材料后，方便塞进钻孔内。靠近钻孔末端处焊接1.5 寸变6 分接头，接入工业压力计（读数精确到0.002 MPa，换算成水柱高0.2 m，也就是20 cm，估读到0.001 MPa，10 cm 水柱高）。装置末端焊接1.5 寸变6 分接头，接6 分球形阀。球形阀作用是在将该装置送入钻孔时，打开球形阀钻孔出水会顺着管子流经球形阀排出，不会因压力导致测压装置难以送入钻孔内。送入钻孔端缠绕棉麻等将钻孔孔壁封堵严实后，关闭球形阀。等待10～30 min，钻孔内水压给压力表打压，即可读出数值。

2.2 计算方法研究

以往采空积水常采用粗略估算方法，大致圈定积水面积S，根据煤层厚度估算最大水深为煤层厚度H，最后选定充水系数K，如下所示：

式中：V为采空积水计算量，m3；S为积水面积，m2；H为煤厚，m；K为充水系数（柱式采煤方法一般选取0.1～0.3，综采一般选0.3～0.6）。由于此经验估算方法中充水系数K的不确定性，造成估算出的积水量与实际偏差往往较大，对探放水工作技术分析及矿井采掘部署造成一定影响。

考虑到充水系数K的重要性，假设K为一个未知数，通过阶段性排水量、水位和积水面积的变化来计算K的实际值，从而更加准确计算老空积水量。

根据探放水孔初次测定钻孔内煤层底板至水面的实际水深H1，结合底板等高线圈定积水面积S1，最初积水量计算为：

式中：V1为当前积水量，m3；S1为当前积水面积，m2；H1为水位高度，m。

排出一段时间后，排水量为V排，再次测定水深为H2，结合底板等高线圈定此时积水面积S2，则当前积水量计算为：

式中：V2为排水一段时间后剩余采空积水量，m3；S2为排水一段时间后剩余采空积水面积，m2；H2为排水一段时间后采空积水水位高度，m。

由于V排=V1-V2，由此解方程即可求得K值。

2.3 应用实例2.3.1 第一次测量

（1） 积水标高。

式中：H积水为积水标高；H顶板为顶板实测标高；P为钻孔出水口水压。2017 年12 月20 日初次在补19 号点前7 m 处测得上分层采空区水压0.08 MPa，51020 巷道该处顶板实测标高为960 m。

（2） 积水范围。8822 采空区积水范围西起下分层停采线退后47 m 的上分层底板上，东至下分层切巷，南北以2822下和5822下顺槽巷为界。

（3） 积水面积。用CAD 求得积水面积S=2 214+75 472=77 686 m2。

（4） 加权平均积水深度。

式中：h为加权平均积水深度；hi为块段积水深度；Si为块段积水面积；S为积水总面积。积水块段分析数据见表1。

表1 12 月20 日积水块段分析Table 1 Analysis of water blocks on December 20

2.3.2 第二次测量

（1） 积水标高。2018 年2 月7 日在补19 号点前25 m 处测得下分层采空区水压0.07 MPa，51020 巷道该处顶板实测标高为959.372 m。

（2） 积水范围。经过12 月20 日至2 月7 日共计49 d 的放水，西部积水线退至下分层停采线，东至8822下切巷处，南北还以2822下和5822下顺槽巷为界。

（3） 积水面积。用CAD 求得积水面积为75 493 m2。

（4） 加权平均积水深度按式（5） 计算，剩余积水量如图2 所示，积水块段分析数据见表2。

图2 剩余积水量Fig.2 Residual water retention

表2 2 月7 日积水块段分析Table 2 Analysis of water blocks on February 7

2.4 水量分析

2017 年10 月16 日早班锚索孔满孔水。测压：初次2018 年1 月20 日，补19 号点前7 m，垂直钻孔，压力0.08 MPa；第二次2018 年2 月7 日，补19 号点前25 m，锚索孔，压力0.06 MPa。

2.4.1 积水标高确定

（1） 补19 号点前7 m 顶板标高960 m，法向距7 m（4 m岩，3 m实煤），求得积水标高为968 m。（2） 补19 号点前25 m 顶板标高958.8 m，法向距4 m（岩），求得积水标高为964.8 m。

2.4.2 积水量

最初积水面积80 000 m2，最大积水深度为6.4 m，平均4.18 m。两次测压期间，排除积水体积222 928 m3。两次测压期间排水共20 000 m3。充水系数K= 20 000÷222 928≈0.09。原积水量W=334 670×0.09=300 00 m3。

2.4.3 剩余积水量

（1） 按原始积水减排水量方法计算，剩余积水量为30 000－20 000=10 000 m3。

（2） 按二次积水标高、积水体积和充水系数计算，剩余积水量为105 600 m3×0.09≈9 500 m3。

两种算法结果基本一致，剩余积水量为10 000 m3左右，积水面积47 800 m2，积水范围南北下分层停采线至964.8 等高线，东西8822 采空区两顺槽巷，积水标高为964.8 m，最大积水深度3.2 m，平均2.3 m。

（3） 积水最低区域为P180～P300 m，现迎头为P124 m。排完这块积水掘至P480 m 还剩余零星积水1 700 m3。

（4） 每日排水按240 m3排放，预计大水排水期还需40 d。

3 应用情况

煤峪口矿14 号层410 盘区51020 巷2018 年2～3 月期间，距皮带巷开口136 m 处巷道迎头17、18、19 号钻孔累计排水9 700 m3。之后钻孔出现拉风现象，测钻孔淋水已无压力。使用ZLJ—250 钻机从巷道左侧向上覆11-12 号层8822 下采空区施工了8 个验证孔，其中7 个孔均见空无水，证明了上覆8822 采空区内积水已基本排清，验证了此方法计算采空区积水的准确度。

2018 年5 月煤峪口矿计划51020 巷正式开始掘进，根据此前计算出的充水系数K值，计算出的采空区积水量约10 000 m3，每日排水按240 m3排放，预计大水排水期40 d。对上覆采空区积水的分析计算提供了理论依据，指导了矿井水患治理工作和采掘计划部署。

4 结 语

此方法应用还受其它因素限定，比如有些采空区形态变化特别大，无规律可寻，特别是在多个小采空区之间水力联系复杂的情况下，使用这种方法计算出的结果误差会很大，需要在排水过程中，通过实时监测排水量和水位变化对充水系数进行大量修正。