富含水层工作面俯采防治水关键技术

窦凤金，邵栋梁，王方田

（1.神东煤炭集团锦界煤矿，陕西榆林 719319；2.中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州 221116）

近年来，中西部富煤地区已成为煤炭资源开采集中区域，其中神东矿区在资源储存和开采产量2方面均占据绝对优势，且主采煤层具有浅埋深、厚松散层、岩层风化程度严重、覆岩含水量丰富、基岩薄等赋存特征[1-2]。

神东矿区属于地表干旱或半干旱、地层富含水的生态环境脆弱开采区域，开采扰动作用下，煤层上覆薄基岩破断失稳和水位变化对工作面安全开采具有重要影响[3-4]。国内外学者围绕矿井水源预测、巷道掘进、覆岩含水层水体贯通采掘工作面引起水砂灾害等难题展开了一系列研究。方新秋等[5]揭示了薄基岩煤层采动覆岩运动规律以及该赋存条件下影响“砌体梁”结构稳定性的主要因素；冯国瑞等[6]构建了直接顶接触块体力学模型，探究了采场覆岩接触面块体的破断规律；曹志国等[7]阐明了采动覆岩破断失稳形成导水裂隙带是工作面遭受矿井水害的诱导因素，将采空区边界附近裂隙划分为上端张拉裂隙和下端张拉裂隙及中部压实区的贴合裂隙；杨达明等[8]分析了浅埋近水平煤层开采覆岩结构及破坏特征，建立了浅埋近水平煤层采场覆岩压力拱结构模型，通过估计采场关键层破断的影响范围控制了工作面矿压显现；黄浩等[9]探明了回采工作面矿井水害的水源位置，现场监测与理论预测了顶板富水状况、涌水量维持了工作面安全高效开采；高彬等[10]依据地质勘探和顶板探测钻孔分析了巷道出水原因，优化了封堵锚索孔的注浆堵水治理技术，改善了巷道顶板大面积淋水的状况；李顺才等[11]基于圆形巷道局部弱支护力学模型，解释了深部弱支护巷道边界位移的蠕变规律、围岩塑性区分布特征等；周辉等[12]通过将原位深井巷道围岩开挖扰动区演化特征与数值模型巷道围岩开挖扰动区分布规律进行对比，得出两者的相似特征；许家林等[13]表明了工作面开采时基岩顶部松散含水层下降特点，提出了松散承压含水层下薄基岩采场压架防治对策；王方田等[14]建立了冲沟下“支架-围岩”作用关系模型，确立了特殊地质赋存条件下的支架工作阻力和矿压防治措施。其他学者采用均衡法、数值法、解析法、比拟法等预计了工作面涌水量，提出了一系列矿井排水系统设计、水害治理技术[15-19]。

探究富含水层下工作面开采引起的覆岩运移特征及导水断裂带发育规律，对提出工作面水害防治技术、改善工作面作业环境、优化顶板灾害预警方案具有重要指导作用。为此，结合锦界煤矿31409 工作面煤层水文地质条件，理论计算采动覆岩导水断裂带分布特征和发育高度，利用3DEC 软件建立俯采工作面采动覆岩运移模型，分析工作面采动作用下覆岩破断过程与采动裂隙扩展历程，并利用矿井水文监测系统观测钻孔预疏放水效果，提出有效的浅埋薄基岩富含水层煤层开采水灾防治技术。

1 工程背景

1.1 煤层赋存条件

锦界煤矿位于榆神矿区东北部，主采3-1煤层具有浅埋薄基岩、厚松散层等赋存特征；31409 工作面位于四盘区3-1煤层辅运大巷东侧，呈北偏东90.5°方位布置。北边依附井田边界，是四盘区北区首采工作面。工作面宽度为276.4 m，推进长度为5 110.1 m，面积为141.2 万m2，倾角1°～6°，呈宽缓的单斜构造。切眼附近为薄基岩区域，最薄基岩厚度不足10 m，锦界煤矿钻孔综合柱状图如图1。

图1 锦界煤矿钻孔综合柱状图Fig.1 Comprehensive histogram boreholes in Jinjie Mine

1.2 水文地质特征

31409 工作面覆岩含水层具有距开采煤层近、含2 层含水层、厚度大、水头高等特征；其中，上覆2层含水层分别为第四系上更新统萨拉乌苏组（Q3s）潜水及中侏罗统直罗组（J2Z）风化基岩孔隙裂隙潜水—承压含水层，且两含水层由第四系离石黄土（Q21）及新近三趾马红土（N2b）隔水层隔开。

监测数据显示，含水层平均厚度45 m，水头高度平均66.3 m，静止水位埋深平均17.9 m，钻孔平均涌水量8.3 m3/h，平均渗透系数0.5 m/d，单位涌水量为0.02～0.65 L/（s·m），平均0.25 L/（s·m）。因该含水层顶板为土层隔水层，底板为直罗组正常基岩砂泥岩相对隔水层，风化基岩层含水呈承压含水性质，此类水文地质赋存条件对工作面开采安全具有显著影响，矿井赋存条件与水文地质特征如图2。

图2 矿井赋存条件与水文地质特征Fig.2 Occurrence conditions and hydrogeological characteristics

1.3 工作面涌水特征

工作面涌水主要由静态储水和动态补给水组成，工作面涌水分析模型如图3。

图3 工作面涌水分析模型Fig.3 Water inrush analysis model of working face

由图3 可以看出：①静态储水形成原因为覆岩隔水层厚度不足，导水裂隙发育导致顶板含水层疏放剩余静态水，该部分水与工作面含水层厚度、工作面预疏放水措施有关，涌水量随工作面顶板来压成周期性起伏，具有涌水迅猛、水量变化迅速特征；②动态补给水主要由工作面覆岩动态补充和采空区悬露顶板位置侧向补给组成，动态补给水影响因素包括推进速度、覆岩动态补给能力。工作面涌水量变化如图4。

图4 工作面涌水量变化Fig.4 Water inflow change of working face

两侧横向补给水通过动态裂隙区不断流向工作面及采空区，涌水量随工作面推进持续增加，出现淋水量加大、采空区水涌入、回风巷水煤堆积等状况。

2 浅埋薄基岩煤层开采覆岩导水断裂带发育特征

2.1 “两带高度”理论计算与实测分析

31409 工作面直接顶和基本顶岩性分别为泥岩和粉砂岩，且存在互层结构体区域；粉砂岩多为泥质胶结，部分层段为钙质胶结，属于中硬岩类。工作面煤层赋存稳定，煤厚平均3.28 m。计算得到31409工作面开采导水断裂带高度为30.9～53.9 m。

式中：Hli为导水断裂带的最大高度，m；M 为煤层有效采厚，取3.28 m。

31409 工作面覆岩垮落带和断裂带发育高度实测结果显示：垮落带高度为11.97 m，冒采比为3.6；导水断裂带为40.95 m，裂采比为12.4。该工作面风化基岩和正常基岩最薄处均位于切眼处，两者之和为13.7 m；切眼导水断裂带贯穿薄基岩，因切眼处土层厚度60 m，导水断裂带未影响松散沙层。第二开采区段中部，土层厚度为40 m，正常与风化基岩厚度之和大于40 m，松散层含水层未受采动影响失稳、破断。因此，整个工作面开采区段范围内，导水断裂带均贯通至风化基岩含水层，始终未波及第2层含水层。综上所述，风化基岩裂隙水补给主要以同层侧向补给为主，地下水位变化呈“动态消耗+侧向补给”型特征。覆岩裂隙发育实测及涌水特征分析如图5。

图5 覆岩裂隙发育实测及涌水特征分析Fig.5 Measurement of overlying rock fracture development and flood characteristics analysis

2.2 采动覆岩导水断裂带发育历程模拟

为揭示31409 工作面开采过程中推进方向上不同厚度基岩的导水裂隙发育规律，采用3DEC 离散元软件构建俯采工作面采动覆岩扰动计算模型，模型尺寸为450 m×2 m×130 m，地层从下至上依次是底板、3-1煤层、直接顶、正常基岩、风化基岩、土层（隔水层）、松散层，煤层倾角5°。模型施加边界条件：固定模型前、后、左、右边界，因模型建至地表，模型上部不施加载荷，地层中施加z 方向上重力加速度。

切眼位于x=430 m 处，回撤通道位于x=15 m处，切眼处正常基岩厚度8 m，风化基岩厚度7 m，土层厚度约60 m；回撤通道处正常基岩厚度约41 m，风化基岩厚度约43 m，土层厚度约27 m，以上岩层厚度从切眼至回撤通道是均匀渐变的特征。分区段裂隙发育特征如图6。

图6 分区段裂隙发育特征Fig.6 Segmental fracture development characteristics

由图6 可知：①切眼薄基岩区域导水裂隙发育高度贯穿至风化基岩层，因土层较厚未贯穿进入沙层，平均裂隙高度14 m；②工作面由切眼位置继续推进至第1 区段位置时，导水裂隙随工作面推进向前转移形成移动裂隙区，该区裂隙发育高度扩展至40 m，滞后工作面80～100 m 逐渐压实闭合；③工作面开挖至第2 阶段时，在切眼侧因煤柱支撑作用，裂隙难以闭合，生成固定裂隙发育区；④工作面继续推进至第3 阶段后，由于两侧因开采扰动、煤柱应力集中等多重作用，裂隙发育呈动态增长特征，该裂隙区与工作面移动裂隙发育区和切眼固定裂隙发育区相连通，是造成工作面采空区涌水随工作面推进不断增加的主要原因。

3 富含水层工作面水灾防治技术及控制效果

3.1 疏放水钻孔布置法

钻孔疏放水技术可疏水降压，减少工作面突水危险性。监测数据显示水量稳定后，水位下降不明显，说明工作面涌水来源主要为动态补给水，故疏放水时间不宜过短或过长，一般以6～8 个月为宜，过短则减缓静水疏放量，过长导致排水费用增加。钻孔布置密度依据含水层厚度确定；钻孔方位与工作面背向成47°～55°夹角，起到截流作用，减少侧向动态补给水涌入工作面及采空区；钻孔终孔布置在风化基岩或土层内1～2 m，有利于快速疏放风化基岩静含水量。31409 工作面疏放水工程施工参数如下：①钻孔数量103 个，其中切眼8 个，运输巷道46个，措施巷49 个；②钻孔角度以仰角47°向工作面顶板施工，终孔层位在风化基岩顶界面1.5 m 处。

钻孔疏放水量监测和水文在线监测系统数据表明，钻孔疏放水成孔后，水量呈下降趋势，随后趋于平缓稳定状态，涌水量衰减系数为50%～80%，衰减时长为6～8 个月，根据风化基岩含水层多个水位观测孔钻孔（J113、J313、J513）观测数据显示，预疏放水前风化基岩含水层的平均水位标高+1 230 m，疏放后平均水位+1 203 m，水位下降了27 m。

3.2 “分区分级”工作面涌水量预测法

由于31409 工作面推进方向上风化基岩含水层厚度变化较大，为准确预测涌水量，提出“分区分级”预测方法，3 段范围分别为：①工作面切眼至31409 回风巷道50 联巷处（含水层厚度10～20 m）；②回风巷道50 联巷至34 联巷处（含水层厚度20～50 m）；③回风巷道34 联巷至工作面回撤通道（含水层厚度60 m 以上）。通过分析大量已采工作面涌水实测数据，认为采用水文地质条件比拟法相对准确度高，选取具有相似水文地质条件的31401 工作面作为比拟对象，利用回采期间涌水量观测数据比拟预测31409 工作面涌水量。

通过对比31401 工作面地质条件，分段选取参数，对比实测涌水量，得到31409 工作面涌水量预测值，并与工作面实测数据对比，验证其符合实际。31409 工作面分区分级涌水量预测值见表1。

表1 31409 工作面分区分级涌水量预测值Table 1 Predicted values of water inflow at 31409 working face

3.3 建设专用排水措施巷

采空区水大量涌入工作面，为实现采空区涌水的截流与疏放，将31409 措施巷作为专用排水措施巷，滞后泄水巷采用局部风机供风，安设甲烷、氧气和一氧化碳传感器，确保巷道气体体积分数符合要求，滞后段所有低洼点联巷设置截流采空区涌水的反水管，通过泄水巷排水管路直接进入清水系统。专用排水措施巷其系统布置如图7。

图7 专用排水措施巷其系统布置Fig.7 System layout of special drainage measures

采用排水措施巷方案后，排水措施巷涌水量约360 m3/h，占工作面总涌水量的60%，累计截流采空区涌水96.8 万m3，降低了工作面低洼积水频次。采空区涌水经过滤沉淀后转化未可用水，直接导入清水系统，缓减了31409 污水排泄系统的负荷压力。利用工作面回风巷道和措施巷形成清煤运输环线，增加转载机、工程车作业空间，提高了回风巷道浮煤清理效率，有效改善了回风巷道作业环境。

4 结 语

1）锦界煤矿31409 工作面覆岩含水层具有距开采煤层近、厚度大、水头高等特征，探究了工作面涌水主要组成为静态储水和动态补给水；结合覆岩赋存厚度变化特征，表明静态储水释放量与覆岩含水层厚度、工作面疏放水措施相关，动态补给水渗流量与推采速度、覆岩动态补给能力有关。

2）理论计算得到31409 工作面开采导水断裂高度为30.9～53.9 m，通过对比实测数据，3 个开采区段工作面范围导水断裂带只贯通风化基岩含水层，未影响第2 含水层，风化基岩裂隙水补给主要以同层侧向补给为主，地下水位变化呈“动态消耗+侧向补给”特征。

3）构建了俯采工作面采动覆岩运移数值模型，确定工作面切眼位置的采动裂隙发育高度为14 m，揭示了分区段煤层采动覆岩裂隙分布呈现移动裂隙区、固定裂隙区和发育裂隙区分区特征。

4）提出了疏放水钻孔布置法、“分区分级”工作面涌水量预测法与建设专用排水措施巷“三位一体”水灾防治技术，现场应用有效保障了工作面安全高效开采。