基于煤層底板3D建模的富水工作面排水設防研究與工程實踐

摘 ? 要： 母杜柴登礦井井田302盤區第3工作面屬于長距離單巷富水工作面，底板起伏形態明顯，排水設防問題突出。結合地面鉆孔資料，對近6 000 m長度工作面的涌水量進行預測;采用Surfur軟件，建立工作面底板3D模型，對采空區水流向進行分析。根據煤層底板3D建模結果，合理布設回風順槽、膠運順槽排水系統，將排水管路、排水溝和水泵窩相互交叉銜接，分段逐級增加兩順槽排水能力。排水施工減少安裝排水管路900 m，節省水窩布設9處，節約資金163萬元。工程實踐證明：高效實現了礦井水害排水設防，也帶來了經濟效益。

關鍵詞： 富水工作面;采空區;煤層底板3D建模;工作面底板3D模型;排水設防

中圖分類號：P641.47 ? ?文獻標識碼：B ? ?文章編號：2095-8412 （2020） 04-090-08

工業技術創新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net ? ?DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.04.017

引言

鄂爾多斯盆地有豐富的煤炭資源，隨著煤炭開采深度的增加，礦井沖擊地壓問題日益突出。主要表現在雙巷工作面回采后預留巷道圍巖壓力大、變形快速、塌方風險增加、維護成本高等方面，對我公司礦井安全生產造成了巨大的威脅。從宏觀方面看，制約了當地煤炭工業發展。

目前，礦井排水系統設計多集中在礦井整體能力建設，尤其是中央水倉、盤區水倉的排水系統建設方面，而關于回采工作面精細排水系統設計的研究卻較少。徐雷等[1]根據疏放水數據，對開采用水量的變化情況進行了分析，確定了工作面的涌水量峰值，制定了相應的排水方案。王利峰[2]通過對綜放工作面頂板及煤壁進行淋水引流、采用上下端頭導水引流、對兩巷排水系統進行改造施工等綜合措施，開展了工作面排水系統優化。楊茂林等[3]采用動靜法與比擬法相結合的方法預測工作面涌水量，并通過對已回采工作面實際涌水量的統計與排水系統的分析評估，進一步優化了礦井及工作面排水系統，減少了管路布置，有效降低了礦井排水管路維護成本，提高了礦井經濟效益。馮飛[4]在分析某工作面涌水量影響因素的基礎上，結合礦井大傾角富水層的特征，采用多級連續排水、連續沉淀的方法，對工作面排水系統進行了優化。

以上研究雖然均以工作面涌水量預測為基礎，開展了排水系統的優化設計;但沒有對工作面底板的起伏形態進行合理研究和利用。底板的形態作為工作面排水系統的核心要素，是排水系統建設、優化的主要依據之一[5]，也是在復雜底板條件下對長距離單巷富水工作面排水系統進行優化的主要方向。

本文以母杜柴登礦井井田302盤區為例開展研究與工程實踐，為解決風險問題，我公司礦井開始采用單巷圍面，提出布設長距離、單巷、強富水工作面采煤相關的排水設防技術和方法。首先，根據礦井工作面掘進圍面兩個順槽及切眼的煤層底板實測標高，結合三維地震勘探成果，采用Surfer軟件，對工作面煤層底板進行3D建模，繪制煤層底板流線矢量圖;其次，根據工作面底板形態及走勢，科學合理分析采空區水量及其流向;最后，合理布設工作面及兩順槽排水系統，起到節約成本、實現高效排水設防的作用。

1 ?工程概況

母杜柴登礦井井田形態為一不規則多邊形，南北最長約10.23 km，東西最寬約7.86 km，面積約59.59 km2，煤炭資源儲量為1 116.36 Mt，可采儲量為704.51 Mt，初步設計礦井生產能力為6.0 Mt/a。井田內的可采煤層共8層，即2-2中、3-1、4-1、4-2中、5-1、5-2、6-2上和6-2中煤層。3-1煤層為目前礦井主要開采層位，礦井自建礦以來已開采了3個工作面：第一工作面為首采區302盤區，首采工作已結束;第2工作面與第3工作面正在回采。

第3工作面為本文的研究與工程實踐地點，該工作面位于首采盤區西側，西鄰預留氣井開發區域未開采煤體，東鄰設計工作面未開采煤體，南鄰井田邊界保護煤柱，北鄰3-1煤集中大巷。在工作面采用長壁綜合機械化一次采全高采煤法，南翼工作面布置圖詳見圖1。

工作面走向長5 933.6 m，傾斜長300 m，面積約1 780 080 m2，工業煤炭資源儲量為13.94 Mt，可采儲量為12.97 Mt。本工作面3-1煤層平均埋深約640 m左右，平均厚度約5.92 m，傾角平均約3°，煤層結構簡單。由于工作面距離已采區較遠，達到1.5 km，故已回采區域對本工作面的影響較小，但本工作面處于整個302盤區南翼的補給區上游，且工作面長度近6 000 m，屬于超長工作面，因此在單巷條件下，工作面整體屬于俯采，使得工作面采空區的排水問題尤其突出，水害威脅較大。

2 ?工作面水量預測及流向分析

工作面開采過程中的充水水源主要為3-1煤頂板延安組三段含水層、直羅組底部含水層，由于本礦井未開展“兩帶”觀測，因此只能借鑒相鄰的巴彥高勒煤礦3-1煤頂板垮落裂縫帶探測工程研究成果，確定3-1煤頂板垮落帶的發育高度為38.7 m，垮落裂縫帶（導水裂縫帶）的發育高度為126 m，裂采比為23.7。本工作面煤層最大采高約6.33 m，采用相似比擬法計算本工作面導水裂縫帶發育高度為150.21 m。由地面鉆孔資料成果可知，位于導水裂縫帶發育范圍以內的延安組含水層和直羅組含水層是工作面回采過程中的直接充水水源。

由于工作面回采過程中主要面臨的問題是煤層頂板水的疏放問題，因此工作面開展了頂板水鉆探疏放工程，累計施工完成105個疏放水鉆孔，其中包含7個長距離含水層順層鉆孔，平均孔深500 m左右，疏放水鉆孔最大單孔水量124 m?/h，初始最大水壓6 MPa。經過一段時期的疏放，鉆孔水量均有大幅度衰減，最大單孔水量65 m?/h，水壓降至1.5 MPa以下，說明在鉆孔控制范圍內的頂板含水層具有一定的富水性，其動、靜儲量水均得到了有效疏放。

根據本工作面已施工完畢的疏放水鉆孔可知，直羅組底部含水層是目前工作面采空區涌水量最大的動態補給水源，本工作面上覆的直羅組底部含水層距離3-1煤頂板32.76～101.1 m，厚度59.47～97.10 m，水位標高1 257.349～1 269.425 m，單位涌水量0.056～0.16 L/（s·m），滲透系數0.056 7 ～0.239 1 m/d，水溫17～20℃，溶解性總固體566～1 660 mg/L，pH值8.2～9.3，F含量1.05～4.30 mg/L，地下水化學類型為SO4-Ca·Na及SO4-Na型水。由此可知礦井為水文地質條件復雜礦井，目前實測礦井涌水量在2 000 m?/h左右。

工作面回采過程中的總體涌水量中包含疏放水、鉆孔水、巷道淋水及工作面采空區涌入架前水，而巷道淋水、疏放水以靜儲量為主，采空區涌入架前水則主要以動態補給量為主。隨著工作面采空區面積不斷增加，且由于工作面整體為俯采，采空區涌入工作面架前的水量也不斷增大，所以采空區將是設防重點。

根據已回采結束的首采工作面涌水量的計算經驗，本工作面繼續采用分區計算的方法，即工作面前1 600 m采用“大井法”計算，后續4 400 m采用“廊道法”計算[6-8]。計算結果：工作面的正常涌水量峰值為1 027 m3/h，最大涌水量為1 232 m3/h，如圖2所示。

將采空區涌水量大的問題作為設防重點，布置排水系統。排水設備采用階梯狀布置，針對工作面的涌水量情況進行分段預測。主要結合工作面的分段富水特征、底板起伏情況以及頂板周期性的破斷情況進行預測，其中底板起伏情況是決定工作面排水條件的重要基礎。工作面底板整體自切眼一側向回撤通道逐步降低，最大高差達到40 m，而工作面的最低點則位于回撤通道附近;從東西方向的兩巷底板對比來看，回風順槽一側整體低于膠運順槽一側，尤其是在工作面里段600 m內，這種特征更為明顯，如圖3所示。所以，在工作面初采過程中，采空區涌水量主要流向回風順槽一側，故在回風順槽一側加強了排水設防[9-11]。而根據地面三維地震勘探成果，在距離切眼1 315～1 628 m、2 266～2 610 m段內，存在工作面內部底板標高較低，而巷道兩側底板較高的問題，從而使得涌水集中在工作面中部，需要在回采過程中尤其注意。

在兩順槽實測288個測量點，其中回風順槽和膠運順槽各144個，運用Surfer繪圖軟件建立工作面底板3D模型，并結合泄水流場繪制之，如圖4所示。

根據工作面底板3D建模，分析預測采空區水流向，分段預測水量集中地點。把工作面的涌水量分為300 m、600 m、1 600 m（進入中等富水區）、2 800 m（無泄水巷段）、4 000 m（巷道中部最低處）、5 000 m（進入強富水區）段進行預測，詳見表1。

3 ?工作面排水布置實踐

根據煤層底板3D建模結果，重點分析采空區水流向，根據不同地段涌水量，精細化布置工作面排水系統[12-13]。根據順槽實際起伏形態，采用排水管路、排水溝和水泵窩相互交叉銜接的方式，減少排水系統工程量，分段逐級增加兩順槽排水能力。如圖5所示，工作面存在7處較大積水點。

3.1 ?排水管路敷設及排水溝施工情況

參照工作面底板3D模型，合理利用煤層底板3D建模的地形走勢起伏情況，預判采空區水集中流向及兩順槽實際起伏形態。回風順槽敷設2趟φ273 mm排水管路和1趟φ159 mm排水管路，其中2趟φ273 mm排水管路全長均為6 268 m，排水溝累計長度為2 315 m，銜接段長度為600 m，φ159 mm排水管路全長為6 568 m，連接至切眼，排水至302盤區中轉水倉;膠運順槽也敷設2趟φ273 mm排水管路和1趟φ159 mm排水管路，其中2趟273 mm排水管路全長均為6 318 m，φ159 mm排水管路全長為6 568 m，連接至切眼，排水溝累計長度為2 560 m，銜接段長度為500 m，排水至該工作面泄水巷。排水管路每隔300 m安裝1個閘閥，端頭、各水倉口及每隔50 m安裝2個三通（含逆止閥），與水泵連接的排水管路跨巷道時沿頂龍門安裝，拐彎及每隔100 m懸掛排水走向標識牌。

根據工作面底板3D模型，俯采段均挖設水溝，規格為0.5 m×0.5 m（寬×高）。回風順槽水溝受工作面機尾端頭支架影響，均布置在巷道最東幫;膠運順槽水溝受工作面機皮帶運輸機影響，均布置在巷道最西幫，如圖6所示。兩順槽水溝均與低洼處水泵窩沉淀池銜接，起點、結束點位置及參數如表2所示。

3.2 ?水泵及水泵窩布置情況

根據工作面底板3D模型的起伏及圖5所示的兩順槽實際工程布置情況，精細分析采空區水集中流向，在回風順槽東幫、膠運順槽西幫低洼點刷幫，讓施工積水點水窩與排水溝合理銜接。根據水量分析，合理安置排水泵進行排水，回風順槽低洼點水窩參數及水泵布置如表3所示，回風順槽通風逃生措施巷開口以北水窩平面、剖面示意如圖7所示;膠運順槽低洼點水窩參數及水泵布置如表4所示，膠運順槽水窩剖面示意如圖8所示。

4 ?結束語

截至發稿，302盤區第3工作面已安全回采2 100 m，工作面總用水量805 m?/h，其中采空區水量523 m?/h，其余為兩順滴淋水及鉆孔疏放水水量，實現了長距離單巷近6 000 m巷道的階梯式排水，取得效果明顯。兩順槽排水能力與涌水量匹配，排水順暢，使得采空區涌入工作面架前水得以有效排出，保障了排水設防效率，又使得工作面原煤水分得到了有效控制。

據統計，該工作面原煤水分保持在13～14.5 Mt%范圍，雖然有時比不上首采面雙巷排水原煤水分平均值13.5 Mt%，但也遠小于礦井規定值17～18 Mt%，使原煤發熱量始終保持在5 600 kal/kg以上。

據統計，排水施工較原設計減少安裝排水管路900 m，節省水窩布設9處，節約資金163萬元。由此可見，根據工作面煤層起伏建立工作面底板3D模型，可以精細預計采空區積水流向和水量集聚積點。在此基礎上設計排水系統，可以實現排水系統的高效、節約利用，大幅降低排水工程量，實現了排水設防，取得可觀的經濟效益。

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作者簡介：

郝劍飛（1986—），通信作者，男，內蒙古赤峰人，工程師。研究方向：煤礦礦井地測防治水技術管理。

E-mail： 646001770@qq.com

（收稿日期：2020-05-13）

Drainage Fortification Study and Engineering Practice on Water-Rich Working Face Based on 3D Modeling of Coal Seam Floor

HAO Jian-fei

（China Coal Northwest Energy Co.， Ltd.， Ordos， Inner Mongolia 017000， China）

Abstract： The 3rd working face of 302 panel area in Muduchaideng mine field is a kind of long-distance single-lane water-rich working face， with obvious floor undulating form and outstanding drainage fortification issues. Combined with the ground drilling data， the water inflow of the working face with a length of nearly 6 000 m is predicted; the 3D model of working face floor is established by using Surfur software， as to analyze the water flow direction in the goaf. According to the 3D modeling results of the coal seam floor， the drainage system along the air return channel and the rubber transport channel are reasonably arranged， the drainage pipeline， drainage ditch and water pump pit are connected with each other， and the drainage capacity of the two channels are increased step by step. The drainage construction reduces the installation of drainage pipeline by 900 m， saves the layout of 9 water pits， and saves the capital by 1.63 million yuan. Such an engineering practice not only effectively realizes the drainage fortification of mine water disaster， but also brings economic benefits.

Key words： Long-distance Working Face; Goaf; 3D Modeling of Coal Seam Floor; 3D Model of Working Face Floor; Drainage Fortification