河流老空復(fù)合水體影響區(qū)綜放工作面開采安全保障技術(shù)研究

研發(fā)起止時間：2017年10月～2020年12月

完成單位：晉能控股煤業(yè)集團(tuán)、中國礦業(yè)大學(xué)

獲獎及評價：國際先進(jìn)

1 立項背景

針對大同礦區(qū)雙系煤層中侏羅紀(jì)已經(jīng)開采、開采破壞帶連接不同含水層甚至地表河流的現(xiàn)狀提出了復(fù)合水體概念，通過各煤層導(dǎo)高分析、同位素測試等方法，分析地表水、含水層水、老空水的水力聯(lián)系，研究了復(fù)合水體特征，綜合采用理論分析、室內(nèi)試驗、數(shù)值模擬、現(xiàn)場實測等手段揭示了雙系煤層導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律，構(gòu)建了復(fù)合水體影響區(qū)綜放工作面開采的安全性評價方法和防治措施。

2 主要研究內(nèi)容

主要研究內(nèi)容如下：

（1）通過研究得出了河流老空復(fù)合水體的特征，圈定了河床影響區(qū)，分析了多層老空水與地表水的聯(lián)系

通過河流調(diào)查工作確定了馬脊梁溝的平面特征、河床坡度、河床寬度等參數(shù)。圈定了馬脊梁溝的河床影響區(qū)范圍，如圖1。據(jù)物探、鉆探和開采資料，各層煤都存在一定范圍的老空區(qū)，對多層老空水與河流水復(fù)合性關(guān)系進(jìn)行分析。

圖1 河床影響區(qū)

（2）通過研究得出了雙系煤層開采條件下的導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度和發(fā)育規(guī)律

根據(jù)工作面附近14個鉆孔資料，對煤層覆巖巖性組成進(jìn)行了統(tǒng)計分析。對馬脊梁礦鉆孔取得的巖芯進(jìn)行力學(xué)性質(zhì)試驗，3號煤層覆巖各類巖石抗壓強(qiáng)度范圍為34.8 MPa~55.2 MPa。以8117工作面開采為研究對象，通過材料模擬導(dǎo)水裂隙隨工作面開采的發(fā)育過程，設(shè)置3種開采方案進(jìn)行數(shù)值模擬，得出了不同開采情況下覆巖裂隙發(fā)育高度與工作面推進(jìn)距離的關(guān)系，如圖2。通過數(shù)值模擬、材料模擬、現(xiàn)場的鉆孔電視觀測、注水試驗方法，得到了導(dǎo)水裂隙帶的高度。分別為：材料模擬為110 m~130 m;數(shù)值模擬為120~140m;鉆孔電視觀測導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為145 m~150 m，注水試驗導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為140 m。綜合確定以注水?dāng)?shù)據(jù)為最終依據(jù)，計算裂采比為24.27；

圖2 覆巖裂隙高度與推進(jìn)距離關(guān)系曲線

（3）通過研究評價了復(fù)合水體影響區(qū)開采安全性

石炭系3煤層開采雖然對河流有一定影響，但沒有災(zāi)難性和破壞性影響；石炭系3煤開采對侏羅系已有采空區(qū)的滲透性影響不大；以較為可靠的裂采比法計算，石炭系3煤到侏羅系14煤老空間的防水安全巖柱厚度計算值局部大于實際防水安全巖柱厚度，局部防水煤柱不符合規(guī)范要求，要進(jìn)行限采高開采；石炭系3煤層開采時，其直接充水水源為石炭系太原組含水層和二疊系山西組含水層，由于石炭系3煤至侏羅系14間主要發(fā)砂巖為主，同時有采動影響，侏羅系14煤老空水緩慢滲入石炭系3煤工作面，成為涌水量的一部分。

（4）通過研究提出了復(fù)合水體影響區(qū)開采的安全技術(shù)措施

根據(jù)以上復(fù)合水體的特點和其威脅程度，確定以下水害防治的總體思路（圖3）：①建立兩道防線：第一道防線的防范對象為地表水，第二道防線防范對象為侏羅系老空水；②進(jìn)行兩層次疏排工作：第一層次疏排為對侏羅系14煤老空區(qū)積水進(jìn)行疏放；第二次疏排為對工作面頂板砂巖水進(jìn)行必要的疏放；③兩方面監(jiān)測工作：一方面監(jiān)測復(fù)合水體在開采影響下的變化情況和滲流規(guī)律；另一方面，對工作面出水點進(jìn)行水質(zhì)水量監(jiān)測，及時采用相應(yīng)防治措施。

圖3 防治水總體思路圖

3 創(chuàng)新成果

（1）通過各煤層導(dǎo)高分析、同位素測試等方法研究了河流與老空水及含水層水的水力聯(lián)系，分析了河流老空復(fù)合水體的特征，提出了復(fù)合水體影響區(qū)水害防范體系；

（2）采用現(xiàn)場實測、數(shù)值模擬、材料模擬研究雙系煤層上部煤層采空區(qū)的空間位置對下部煤層導(dǎo)水裂隙帶高度的影響；

（3）采用地下水滲流理論計算注水試驗巖體滲透系數(shù)，根據(jù)鉆孔電視觀測到的孔壁破壞情況，以總裂隙面積為主要依據(jù)，綜合確定導(dǎo)水裂縫帶上限。

4 應(yīng)用效果

項目研究成果在馬脊梁煤礦8117工作面進(jìn)行了工業(yè)性試驗，成功地指導(dǎo)了工作面安全生產(chǎn)，沒有出現(xiàn)水害事故，采取的防范措施合理有效，提高了回采效率（推進(jìn)度整體恢復(fù)至出水階段的10倍左右）和礦井生產(chǎn)效益。該技術(shù)在主動治理復(fù)合水害方面具有良好的推廣前景。

本項目于2021年4月通過了中國煤炭工業(yè)協(xié)會組織的鑒定，獲國際先進(jìn)水平。