近距离煤层开采上覆采空区积水量估算及探放水效果评价

张 泽，刘林岗，刘向辉

(陕西能源投资股份有限公司煤业分公司，陕西 西安 710000)

0 引言

凉水井煤矿42112～42115这4个工作面位于421盘区中北部，工作面均呈东西向布置，西部4-2号煤层开采范围位于3-1号煤层采空区之下。该矿采用下行式开采，即先开采3-1号煤层，然后开采4-2号煤层，3-1与4-2号煤层之间平均距离39 m，4-2号煤层开采冒裂带直接沟通上覆3-1煤采空区。由于上覆3-1号煤层采空区接受大气降水、地表水、松散含水层等水源补给，形成了积水采空区，在开采下煤层时，42112～42115工作面将受3-1号煤层采空区积水影响，工作面回采期间存在突水、淹面的危险，必须对上覆3-1号煤层采空积水进行有效探放。为了确保探放水效果，需要对采空区积水范围、积水量进行估算，合理设计探放水钻孔，对疏放水量进行动态监测，评价探放水效果，为近距离煤层群安全开采提供可靠保障。

1 3-1号煤层采空区分布及充水条件分析

1.1 采空区分布

3-1号煤层分布于凉水井煤矿井田西部边界，目前已完成31103、31102工作面的回采，形成了大面积采空区及废弃巷道并积存有大量积水。其中，采空区面积为36.94万m2，为31102、31103这2个工作面开采区域；废弃巷道长度为1 487 m，废弃巷道主要分布于工作面采空区的南侧。4-2号煤层平均厚度3.3 m，距上覆3-1号煤层间距为32～43 m，平均间距为38 m，通过计算，4-2号煤层开采后导水裂隙带最大发育高度为52.28 m，已完全贯穿至3-1号煤层采空区。导水裂隙是4-2号煤层的直接充水通道，因此，当42112～42115工作面回采至采空积水压覆区时，上覆3-1号煤层采空积水将直接沿导水裂隙带涌入42112～42115工作面。

1.2 开采充水条件分析

1.2.1 含(隔)水层特征

3-1煤层平均采厚3.2 m，平均埋深102 m，地表全部被第四系覆盖，地层由老至新依次为：侏罗系中统延安组第四段(J2y4)、新近系上新统保德组(N2b)、第四系中更新统离石组(Q2l)、上更新统萨拉乌苏组(Q3s)、全新统风积沙(Q4eol)。其中，煤层顶板岩性以弱-强风化的粉砂岩、细粒砂岩、中粒砂岩为主，节理、裂隙较发育，整体稳定性较差，属软弱-中等易冒落顶板。

根据地下水的赋存条件及含水层水力特征，含(隔)水层自上而下依次分别为第四系松散层潜水含水层(Q3s+Q4eol)、黄土及红土相对隔水层(N2b+Q2l)、侏罗系碎屑岩类风化带孔隙裂隙承压含水层(J2y4)、烧变岩孔洞裂隙含水结构。其中，侏罗系碎屑岩类风化带孔隙裂隙承压含水层(J2y4)、烧变岩孔洞裂隙含水结构富水性较强，为主要含水层。由于采动塌陷影响，隔水条件发生一定的变化，采动塌陷裂隙已成为大气降水渗入井下的良好通道[1-3]。

1.2.2 地下水补给、径流及排泄条件

第四系松散层潜水以大气降水为主要补给来源，并接受少量的沙漠凝结水补给。潜水面起伏与现代地形起伏基本一致，所以地下水的径流受地形控制，流向由高至低与现代地形基本吻合，局部受地层结构影响有所改变[4-6]。

承压水除在3-1号煤层基岩裸露区通过风化裂隙带直接得到大气降水补给外，潜水越流及“天窗”为主要补给途径，径流基本顺岩层倾向由东北向西南方向。整体上，承压水无统一隔水顶板和统一补给区，因沉积层序的粒级不同，粒度横向均有交替变化性。承压含水层在横向上具有不连续性，垂向上具有分段性，储水空间相对封闭，水量小、水质差、排泄条件差。

1.2.3 充水因素分析

充水水源：依据3-1号煤层水文地质条件及煤层覆岩结构类型，工作面充水方式分为直接充水和间接充水2种。工作面回采后，上覆岩层呈全厚切落式破坏，裂隙直接发育至地表，因此，区内大部分地段松散层潜水和地表水为直接充水水源。大气降水、地表水入渗后先补给松散含水层，再进入井下，大气降水为间接充水水源。大气降水、地表水和地下水相互之间具有一定的水力联系[7]，各类水源汇集于采空区。

充水通道：煤层开采所形成的冒落、裂隙为主要导水通道。煤层开采后，冒落带和导水裂隙带波及地表或第四系松散砂层含水层，从而引起地表水、大气降水和地下水涌入井下[8]。

直接充水通道及充水含水层：经计算，3-1号煤层采后导水裂隙带最大发育高度为52.71 m。从采空区地表变形调查来看，地表裂缝已遍布采空区全段，说明上覆岩层移动已不遵循有规律的“三带”发展，综采工作面煤层覆岩移动方式为浅埋厚煤层顶板的全厚切落方式。无明显的“三带”发育，煤层顶板岩层除接近顶板部分的岩层有一定碎胀效应外，上部岩层基本是整体垮落，导水裂隙带已完全贯穿至地表。导水裂隙带是矿井涌水的直接充水通道，松散层潜水是矿井直接充水含水层[9]。

2 积水区分析及积水量估算

分析研究采空区积水范围及积水量是探放水设计的重要环节，在详细收集地质、水文地质资料的基础上，通过采掘工程平面图分析确定采空范围和积水量，指导老空水防治工作[10]。文中积水区划分及积水量估算是在前期预放水工作的基础上完成的，已疏放了采空区动态补给量，仅考虑静态积水量。

2.1 采空积水区划分

通过对采掘期间收集的3-1号煤层底板标高绘制了采空区底板等高线图，如图1所示。从图1中可以看出，采空区整体呈现为东南高西北低，倾角为1°左右缓缓向西北的单斜构造。采空区最高点位于31103回风巷一线，标高为+1 186 m；最低点位于31102切眼西北角，标高为+1 175 m。此外，废弃巷道最低点位于31102工作面回撤通道一带，标高为+1 177 m。由3-1号煤层开采期间对工作面及巷道涌水规律的观测可知：除局部底板起伏区域外，采空区涌水均汇集于低洼区域。根据采空区及废弃巷道分布情况，将3-1号煤层采空积水区域划分为3个主要区域，分别为1号积水区——废弃巷道积水区；2号积水区——31103采空区积水区；3号积水区——31102采空积水区。

图1 采空区底板等高线及积水区分布Fig.1 Contour line of goaf floor and distribution of ponding zone

2.2 积水区分布及积水量估算

2.2.1 积水区分布及水力联系分析

1号积水区：1号积水区主要为废弃巷道积水，分布于采空区北侧，积水巷道长度1 487 m，最低点位于31102工作面回撤通道一带，标高为+1 177 m，大致上为该区域中心位置，巷道向四周标高逐渐升高，最高点标高为+1 188 m。由于废弃巷道与工作面采空区及开口位置均设置了永久密闭(挡水墙)，与采空区无水力联系。因此，1号积水区可视为一个独立积水区，积水水位标高为+1 188 m，即废弃巷道均充满水，其主要接受顶板、煤壁涌水补给，根据封闭前观测情况判断，废弃巷道稳定涌出量为24 m3/h(旱季)、38 m3/h(雨季)。

2号积水区：2号积水区分布在31103采空区胶运巷一侧，积水面积为59 262 m2，最低点基本沿胶运巷延伸分布，标高为+1 181～+1 182 m，向东采空区底板逐渐升高。31103采空区与31102采空区中间留设了15 m的煤柱，设置有5个联巷相互联通，各联巷设置了密闭并自底板以上1 m左右安设了导水管。因此，基本可认为31103采空区动态涌水量均已通过导水管汇流至31102采空区，2号积水区积水标高为+1 184 m左右。根据封闭前观测情况判断31103采空区稳定涌水量为36 m3/h(旱季)、67 m3/h(雨季)。

3号积水区：3号积水区分布在31102采空区回风巷一侧，积水面积为109 372 m2，标高为+1 175～+1 178 m，平均标高为+1 176 m，最低点为采空区西北角，标高为+1 175 m，向东采空区底板逐渐升高，整个3-1号煤层采空区动态涌水量补给均汇流至3号积水区。在对3号积水区进行预疏放的前提下，基本可判定3号积水区积水标高为+1 180 m左右。根据封闭前涌水量观测记录显示，31102采空区稳定涌出量为56 m3/h(旱季)、84 m3/h(雨季)。

2.2.2 积水区水量计算

老空积水量与老空区体积、充水系数有关，目前国内煤矿较常用的老空区积水计算公式为

Q积=∑Q采+∑Q巷

(1)

(2)

Q巷=WLK

(3)

式中，Q积为老空积水量，m3；Q采为采空区积水量，m3；Q巷为巷道积水量，m3；K为充水系数，采空区取0.35，巷道取1.0[11]；M为采厚，m；F为采空积水区的水平投影面积，m2；L为积水巷道长度，m；W为积水巷道断面积，m2；α为煤层倾角，(°)。

通过对划分的积水区水量计算，3-1号煤层老空区积水总量为221 270.1 m3，见表1。该部分积水直接威胁下层煤4-2号煤层的安全开采，必须对其进行探放。

表1 3-1号煤层老空积水计算

3 探放水方案设计

3.1 探放水技术方案

3.1.1 探放水总体原则

根据3-1号煤层采空区封闭计划以及42112～42115采掘接续计划安排分析，3-1号煤层采空区封闭时间为2016年7月，42112工作面计划于2017年2月底进入3-1号煤层采空区压覆开采，此时，42113工作面顺槽已形成，42114、42115顺槽尚未形成。从3-1号煤层采空区特征及其与被压覆的42112～42115工作面开采区域空间、时间关系分析认为，无法在采空区西北位置的最低点对采空积水进行探放。因此，为合理高效地对采空区积水进行探放，探放水总体原则为提前施工钻孔对采空区动态补给水量进行预放，防止老空积水面积及积水量增大，随着42112～42115工作面的开采及掘进，再分段分时对采空积水进行区段式逐步探放[12]。

3.1.2 钻孔布置

此外，考虑到采空区的泥(砂)易涌出，在放水过程中钻孔被堵塞的概率较大，当被堵后放水钻孔排水量减少甚至无水，容易造成技术人员对探放水效果的误判，进而形成安全隐患。因此，在每个探放水阶段，均在积水区低位施工1～3个放水孔，低位施工1～2个观测孔，探放水钻孔布置如图2所示。

图2 钻孔设计布置Fig.2 Design of borehole layout

3.1.3 探放水阶段

为保证对采空积水水量进行监控，保证积水能够得到充分疏放，将探放水分为如下3个阶段。

第1阶段：在3-1号煤层采空区封闭前，在42112注氮硐室处施工1个排水钻孔至31102采空区回风侧密闭处，将采空区动态涌水量引入4-2号煤层，并通过独立排水管路排出矿井，从而防止采空区积水面积及积水量增大，本阶段设置1个排水钻孔。

第2阶段：42112工作面开采临近上覆采空区前，在42112辅运巷施工钻孔，对1号积水区进行探放，在42113辅运巷对2号、3号积水区进行第1次探放，将42112、42113工作面上覆采空积水探放完毕，保证2个工作面的安全回采。本阶段共布设放水孔4个，即T2-1、T2-2、T3-1、T3-2；观测孔4个，即G2-1、G2-2、G3-1、G3-2。

第3阶段：在42114工作面开采临近上覆采空区前，在42114、42115辅运巷对2号、3号积水区进行第2次探放，将42114、42115工作面上覆采空区探放完毕，最终实现将3-1号煤层采空区积水彻底疏放。本阶段共布设4个放水孔，即T2-3、T3-3、T3-4、T3-5；2个观测孔，即G2-3、G3-4。

3.2 采空区积水排放技术方案

排放上覆采空区积水的传统方法是将采空区的积水通过放水钻孔排放至巷道底板后经小水泵抽排至巷道的水窝、水仓，再通过排水管路经盘区水仓、中央水仓排至地面污水处理厂。这样，将导致井下排水系统工程量大、排水系统中转环节复杂、排水设备多、排水岗位多，采空区清水抽至地面后易被污染，需净化处理，增加了地面污水厂处理压力及费用。因此，结合现场实际，针对综采工作面上覆采空区面积大、积水量大的特点，从提高排放效率、降低投入、减少污染等方面入手，改变传统的采空区积水二次落地的排水方案。采用孔对管直排技术，将放水孔与独立排水管路连接，从而实现采空积水在水压差作用下自流至08机头硐室水仓→02机头硐室水仓→地面高位水池→水处理站→矿井地面、井下用水。从而简化排水系统，降低因排水设备故障影响放水及积水情况的发生，最大程度降低生产成本，同时，解决矿井工业用水不足的问题，以期实现安全、高效、绿色排放水，从而确保下层煤综采工作面安全顺利回采。

4 探放水效果评价

针对3-1号煤层采空区积水的防治工作，根据探放水技术方案设计，已完成第一、二阶段的探放水工作，及42112工作面过上覆采空区的开采。所有探放水钻孔均使用ZDY1900L(P)履带式全液压坑道钻机按照设计的钻孔参数施工，安设6.0 m孔口管，终孔孔径为75 mm。

4.1 第1阶段探放水及效果评价

4.1.1 工程实施

3-1号煤层采空区于2016年7月上旬封闭，在此之前于2016年3月下旬完成了钻孔J预出水口的施工，并将3号积水区所在31102采空区动态涌水通过钻孔自流至4-2号煤层，再将钻孔J预出水口与独立排水管路连接，在水压差作用下自流至08机头硐室水仓→02机头硐室水仓→地面高位水池→水处理站→矿井地面、井下用水。

4.1.2 效果评价

在第2阶段实施前，该钻孔稳定涌水量约为45 m3/h(旱季)、85 m3/h(雨季)，与之前观测的采空区涌水量基本平衡，说明采空区动态涌水量基本已引流至4-2号煤层，采空区积水面积及积水量保持稳定，据预疏放水钻孔进水口标高(+1 180.5 m)对采空区积水面积、积水量以及积水区的划分提供了可靠的依据。此外，该放水孔在后期作为3号积水区探放水的观测孔。

4.2 第2阶段探放水及效果评价

4.2.1 工程实施

2016年9～10月，先后完成了放水孔T1-1、T2-1、T2-2、T3-1、T3-2及观测孔G2-1、G2-2、G3-1、G3-2等9个钻孔的施工，各钻孔均按设计参数施工至目标靶区。其中，T1-1为1号积水区放水孔；T2-1、T2-2、G2-1、G2-2为2号积水区42112～42113上覆区域探放水孔；T3-1、T3-2、G3-1、G3-2为3号积水区42112～42113上覆区域探放水孔。

4.2.2 效果评价

1号积水区探放水效果评价：如图3所示，1号积水区放水钻孔T1-1于2016年9月9日施工完成并开始放水，最大放水量110 m3/h，随着放水时间延续，钻孔涌水量逐渐减小，至9月30日，历时21 d，趋于稳定。此时，稳定涌水量为30 m3/h，稳定涌水量与前期观测的1号积水区动态补给量相差无几；总放水量为40 776 m3，其中，疏放静态积水量为25 656 m3，与计算的1号积水区积水量26 468.6 m3基本一致。因此，可以判定1号积水区除局部低洼起伏段外，绝大部分积水已经得到充分疏放。

图3 T1-1钻孔涌水量随时间变化曲线Fig.3 Variation of water inflow of T1-1 borehole with time

2号积水区探放水效果评价：2号积水区探放水孔T2-1、T2-2、G2-1、G2-2，于2016年9月20日施工完成并同时开始放水。从图4可以看出，放水孔T2-1、T2-2涌水量历时19 d均趋于稳定，涌水量分别为4 m3/h、20 m3/h，T2-1涌水量衰减速度明显快于T2-2，观测孔G2-1、G2-2涌水量从15 m3/h左右快速衰减趋至1.0 m3/h左右，说明放水孔T2-2位于本次探放水区域的低位处，即2号积水区动态涌水自东南向西北汇流。当放水孔水量趋于稳定时，所有钻孔涌水量为27 m3/h左右，总放水量为51 363 m3。从以上涌水量变化分析得出，42112～42113上覆2号积水区积水已得到充分疏放，疏放静态积水量为39 051 m3。此外，动态补给量为27 m3/h，该动态补给量与观测值36 m3/h(旱季)、67 m3/h(雨季)存在一定差距，结合放水孔T2-1、T2-2涌水量衰减变化关系分析看出，2号积水区剩余动态补给水量沿31103采空区北侧最低点流向31102采空区。

图4 2号积水区第2组钻孔涌水量随时间变化曲线Fig.4 Variation of water inflow of second group borehole in No.2 ponding zone with time

3号积水区探放水效果评价：3号积水区探放水孔T3-1、T3-2、G3-1、G3-2于2016年10月5日施工完成并同时开始放水。由于T3-1、T3-2放水量较大，因此，以T3-2为主放水孔，控制T3-1涌水量在10 m3/h左右。从图5可以看出，随着T3-2钻孔开始放水，J预钻孔涌水量在短短2 d内便衰减至0，T3-2钻孔涌水量历时25 d趋于稳定，涌水量为65 m3/h左右；同时，T3-1、G3-1、G3-2钻孔涌水量均趋近于0。说明T3-2钻孔位于本次探放水区域的最低位，即3号积水区动态涌水自东南向西北汇流。当T3-2钻孔涌水量趋于稳定时，所有钻孔涌水量为60 m3/h左右，总放水量为81 420 m3，从以上涌水量变化可分析得出，42112～42113上覆3号积水区积水已得到充分疏放，疏放静态积水量为45 420 m3。

4.3 工作面安全通过上覆采空区效果评价

2017年2月底，工作面开始进入采空压覆区开采，同年4月底完成了采空压覆区开采工作。开采期间，工作面顶板偶尔有少量淋水现象，但淋水量均小于5 m3/h，且持续时间较短，一般不会超过24 h。此外，工作面采空区涌水量也无明显变化，说明上覆采空区积水已经得到充分疏放，保障了工作面的安全开采。

图5 3号积水区第2组钻孔涌水量随时间变化曲线Fig.5 Variation of water inflow of second group borehole in No.3 ponding zone with time

5 结论

(1)在收集3-1号煤层采空区的地质及水文地质资料的基础上，分析了采空区底板起伏情况，确定了积水量、积水区域及流向，估算了3个采空区的积水量。

(2)分阶段在积水区域低位施工放水孔，将放水孔与管路连接直接排放出工作面，并对其进行处理利用。探放钻孔工程量大大减小、积水疏放效果良好、简化了排水系统、充分利用了采空积水，节省了工程费用。

(3)工作面回采期间顶板基本无淋水，消除了凉水井煤矿上覆采空积水对安全生产的威胁，实现了安全探排放上覆采空区积水，为近距离浅埋煤层群上覆采空区积水探放积累了宝贵经验。