某矿区近水平煤层群上覆采空区水靶向探疏技术研究

李广疆

（中天合创能源有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

0 引言

据不完全统计，2016—2021 年，全国煤矿山共发生水害事故37 起，其中，老空透水事故占比在65%左右。事故的教训极其惨痛，老空透水依然是发生频率最高、伤亡人数最多的水害事故，老空水害防治仍是矿井防治水工作的重中之重［1］。

呼吉尔特矿区位于鄂尔多斯盆地北部，属新近开发的大型煤炭生产基地，矿区主要开采侏罗系延安组2#、3#煤组，煤层赋存稳定，层间距为30~50 m，倾角为2°～5°，埋藏深度较大，普遍在600 m 以上。虽然区内地质构造较为简单，垂向导水构造不甚发育，含水层间水力联系较弱。但是，由于其特殊的陆相沉积背景、多相变层叠的覆岩结构和错综复杂的地下水径流系统，煤层顶板白垩系间接充水含水层富水性中等~强，导致矿井水文地质条件比较复杂［2］。门克庆煤矿3107工作面采掘期间受到上覆2-2中煤层采后形成的约24万m2采空区积水的影响，采空水害威胁较为严重，该类水害是呼吉尔特矿区首次出现的水害类型。因此，如何更好地疏干放净采空水，对工作面的安全生产有着至关重要的作用。早期的上覆采空水探疏手段多数情况未从采矿学角度考虑煤柱支撑垮落不充分区域形成的局部积水腔体以及顶板垮落形态对积水区分布变化的影响，且未针对近水平缓倾斜煤层进行具体分析，导致采空水探疏存在一定的盲目性。本研究通过对门克庆煤矿3107工作面上覆煤层采空区积水的探疏，形成了针对近距离煤层开采上覆采空区积水防治的“基于3D曲面流场分析的积水量预计、物探积水区圈定、积水靶向探放、过程记录、效果验证”五位一体的综合探放技术，为后续同类型水害防治工作提供一定的借鉴。

1 研究区基本概况

1.1 水文地质概况

门克庆矿井水文地质类型复杂，2-2 中煤直接充水含水层为直罗组砂岩含水层，3-1 煤开采的含水层为顶板延安组砂岩含水层和直罗组砂岩含水层，直罗组砂岩含水层是矿井主要充水含水层，地层厚度为117.75～219.45 m，平均为157.18 m，含水层出水段累计厚度为11.74～110.69 m，平均为67.15 m，含水层厚度约占地层总厚度的21.57%，单位涌水量为0.060 8～0.206 8 L/（s·m），渗透系数为0.071 7～0.598 2 m/d［3］。

1.2 工作面基本概况

1.2.1 2201 工作面基本概况。其为矿井2-2中煤首个回采工作面，工作面宽300 m，回采长度808 m，煤层平均厚度约为2.2 m，倾角一般为3°~6°，共揭露各类断层11 条，落差均小于3 m。回采期间工作面最大涌水量为276 m³/h，采后水量180 m³/h 左右，并不断下降。下伏3-1 煤层设计布置3107、3109、3111 等3 个工作面，煤层间距约为30 m。

1.2.2 3107 工作面基本概况。该工作面宽为320 m，回采长度为2 922 m，煤层平均厚度为4.3 m，倾角一般为3°~5°，裂采比约为26.85［4］。工作面面临的水害类型主要为邻空小煤柱采空水害、顶板砂岩水害及上覆煤层采空水害，其中上覆煤层采空积水区距工作面切眼约561 m，2201 工作面与3107 工作面空间位置关系如图1所示。

图1 2201工作面与3107工作面空间位置关系

2 上覆煤层采空水探疏技术路线

2.1 “横二纵三”积水区概念

刘天泉［5］提出了工作面开采覆岩的“横三区、竖三带”的分区，李杨等［6］提出了采空垮落顶板“正—倒置三角形”形态特征，根据上述两个观点，结合工作面回采期间及采后各类影响因素提出了采空区积水“横二纵三”的概念，具体为：横向上分为煤柱支撑垮落不充分积水区、压实隔水区两个部分，如图2所示。

图2 采空区跨落后纵向积水分区示意

纵向上分为底部压实隔水区、中部储水区和上部补给区3个部分，如图3所示。这一概念的提出主要针对两个容易造成盲点的地方：①底部压实隔水区，采空区采后会产生大量的煤泥、岩粉等堆积压实体，导致部分采空水探查钻孔在进入采空区后受压实区的影响，出水量较小甚至出现无水的情况，造成无积水的假象；②煤柱支撑垮落不充分积水区。该区域受煤柱支撑影响，形成的积水腔体易被采空水探疏设计遗漏，造成有水未放的情况发生。

图3 采空区跨落后横向积水分区示意

2.2 高精度采空区水流场图及积水量预计

2201 工作面回采期间每30~50 m 利用测量仪器测定一组底板高程数据，本次共采集178 个数据，利用Surfer专业绘图软件，进一步对底板高程进行精密差值分析，绘制出地貌3D 曲面图，并进行分水岭的绘制和汇流区的圈定，更加直观地反映采空区水流场变化、分析积水区分布情况，具体如图4所示。同时根据工作面采后涌水量、底板高差等数据对采空区静储量及动态补给量进行初步的预计。

图4 2201工作面采后3D曲流场

2.2.1 采空区静储量的计算。根据经验公式，采空区积水量可采用式（1）进行初步计算。

式中：Q为采空区积水量，m3；K为采空区充水系数，取0.25~0.5；M为采空区采高，m；F为采空区水平投影面积，m2；α为煤层倾角，°。

由于实际积水空间形态与理想假设形态存在一定差别，应根据积水区底板起伏对计算积水量进行修正，根据经验，底板起伏较大的积水区计算积水量与实际积水量差别较大，一般取修正系数0.5，底板起伏较小的积水区计算积水量与实际积水量差别较小，一般取修正系数0.8。

利用采空区3D 曲面流场模型，基于底板标高数据库和积水位高度值，借用Surfer 软件的体积计算模块进行积水标高范围内体积的精细测算，采用式（2）进一步开展采空区静储量的计算。

式中：V为储水空间大小，m3；Vm为冒落区体积，m3；K为储水系数。经计算得出，2201 采空区总计积水量约为13.5万m³。

2.2.2 动态补给量的测算。因为2201 工作面已停采31 个月，根据采空区闭墙出水点测量情况，工作面涌水量已稳定在40 m³/h 左右，因此后期探放的动态补给量可定义为式（3）。

式中：Q为动态补给量，m³；d为采空水疏放时间，天，从采空区液面下降至闭墙无法出水之日开始算起。

2.3 物探积水区圈定

在现行开采条件下，下层煤掘进经过上层煤工作面采空区附近时，遵照“物探先行、钻探验证、有掘必探、先探后掘、先治后采”的原则［7］，针对上覆采空区积水情况，利用瞬变电磁法，同时采用25 Hz和50 Hz两种频率探测老空积水情况。

2.4 采空区积水靶区探放及过程

根据圈定的积水区以及对煤柱支撑垮落不充分区域的分析，组织实施采空水探疏工程，在2201采空区“马鞍”两侧施工了8 个钻孔，初始水量合计582 m3/h；中部区域施工了8 个钻孔，初始水量合计143.5 m3/h；煤柱垮落不充分区域施工了2 个钻孔，初始水量合计85 m3/h，钻孔探查及出水情况良好，但受排水系统制约各疏放钻孔前期均未进行满负荷放水。

自2023 年1 月初开始施工采空水探疏钻孔到2023 年4 月底，矿井防治水专业技术人员对采空水疏放情况进行了全流程的监测管控，各钻孔总涌水量最大时达329 m3/h（受排水系统影响，未全部打开疏放），到2023年4月底，各疏放水钻孔总涌水量已降至40 m3/h，11-2201 采空区疏放总水量变化曲线如图5 所示，通过电子流量计及防治水专业技术人员测定，采空区累计疏放水量为228 802 m3。

图5 11-2201采空区疏放总水量变化曲线

2.5 效果验证

在各疏放水钻孔总出水量与疏放前采空区涌水量、采空水总疏放量与预测积水量接近时，初步判断采空区积水已彻底疏干放净，但为保险起见，再次开展物探、钻探工程对疏放效果进行进一步的验证［8］。

2.5.1 物探验证。通过对比不同深度视电阻率平面等值线图中视电阻率变化情况，选取各个深度相对低电阻率作为本次探测异常区，具体如图6所示，共划分1个异常区，命名为YC-1。YC-1异常区在平面上位于11-3107 工作面主运巷北侧SN 方向40~100 m、Z6 导线点EEW 方向140~200 m 范围。该位置3-1 煤距上部2-2 中煤层间距约32.14 m，推断YC-1异常区主要为11-2201采空积水区。

图6 11-2201采空区瞬变电磁探测顶板10~50 m立体图

2.5.2 钻探验证。基于瞬变电磁物探成果，再次施工了6 个疏放水验证钻孔进行采空区积水疏放效果探查。探查表明，除Y4 钻孔终孔水量为15 m3/h 以外，其他5 个钻孔基本无水，物探、钻探成果验证效果较好，同时进一步证明了采空区积水已基本被疏干放净。

3 结论

①采空水的探查与疏放必须全面考虑，采取综合性的防范手段，通过上覆采空区积水防治的“基于3D 曲面流场分析的积水量预计、物探积水区圈定、积水靶向探放、过程记录、效果验证”五位一体综合探放技术，有效地将上覆煤层采空区积水疏净，保障了下伏工作面的安全回采。

②提出的“横二纵三”概念，在双向上解释了积水区分布的特征，为解决底部压实区及煤柱支撑垮落不充分区域采空积水提供了一定参考。

③采空水作为近年来发生频率最高、伤亡人数最多的水害事故［9］，在矿井水害防治工作中有着重要意义，矿井应牢固树立采空区“零积水”的安全管理理念，多手段相结合开展采空水探疏工程。