煤礦涌水量預(yù)測(cè)及防治策略研究

陜育博

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán)西河煤礦，山西 陽(yáng)城 048100)

引 言

一直以來(lái)，煤礦安全生產(chǎn)備受企業(yè)及作業(yè)人員的關(guān)注。影響煤礦安全生產(chǎn)的主要威脅包括有瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)、透水事故以及設(shè)備、系統(tǒng)可靠性低等。針對(duì)煤礦綜采工作面的透水事故展開(kāi)研究。一般情況下，為解決煤礦的透水事故的發(fā)生常需采用相應(yīng)的措施對(duì)其含水層等進(jìn)行控制，所采用防水策略及措施的可行性和有效性是建立對(duì)工作面涌水量準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上完成。本文將對(duì)煤礦涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，并針對(duì)性的提出相應(yīng)的防治水策略。

1 工程概述

本文以某煤礦的31013工作面為例開(kāi)展研究，31013工作面的走向長(zhǎng)度為2 120 m，工作面寬度為240 m，傾斜工作面的長(zhǎng)度為80 m，煤層傾角范圍為35°～42°，平均傾角為37°，該工作面煤層的平均厚度為3.8 m。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)可知，工作面煤炭的容重為1.43 t/m3，目前可供開(kāi)采的煤炭?jī)?chǔ)量有275 768萬(wàn)t。31013工作面的頂?shù)装迩闆r，如表1所示。

表1 31013工作面頂?shù)装迩闆r

水文情況：31013工作面的最大涌水量可達(dá)30 m3/h；瓦斯情況：31013工作面瓦斯的絕對(duì)涌出量可達(dá)0.43 m3/min，瓦斯相對(duì)涌出量可達(dá)2.65 m3/t。

2 礦井涌水量預(yù)測(cè)模型的建立

結(jié)合31013工作面水文地質(zhì)條件，經(jīng)研究可知：在實(shí)際生產(chǎn)中該工作面的涌水量主要來(lái)源于工作面頂板進(jìn)水，從而導(dǎo)致上覆含水層被破壞，進(jìn)一步增大該工作面中的含水層。此外，由于工作面巖層中裂隙發(fā)育的原因，導(dǎo)致工作面含水層透水性能越來(lái)越大[1]。因此，繼續(xù)對(duì)工作面中透水性能越來(lái)越大的含水層進(jìn)行疏放操作。在上述分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)31013工作面將其開(kāi)采后對(duì)應(yīng)的含水層涌水模型設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1 31013工作面涌水量模型

如圖1所示，將31013工作面開(kāi)采后的煤層分為四個(gè)層面，主要為未被破壞的含水層、已經(jīng)被破壞的含水層、導(dǎo)水裂隙帶和煤層。其中，對(duì)含水層破壞的主要威脅源為導(dǎo)水裂隙帶[2]。

3 礦井涌水量的預(yù)測(cè)

結(jié)合該工作面往年涌水量和本年度涌水量對(duì)未來(lái)涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。為保證涌水量預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和全面性?；趫D1所建立的滲透補(bǔ)給模型、傳統(tǒng)大井法和水文地質(zhì)法對(duì)該工作面的涌水量進(jìn)行綜合預(yù)測(cè)[3]。

3.1 模型預(yù)測(cè)

經(jīng)對(duì)該工作面進(jìn)一步探測(cè)，其包含有延安-直羅組含水層和洛河-宜君含水層。因此，需對(duì)上述兩個(gè)含水層的涌水量整體預(yù)測(cè)。導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為影響工作面涌水量的關(guān)鍵因素[4]。因此，需根據(jù)該工作面的煤層、地質(zhì)等條件基于式(1)求得其對(duì)應(yīng)的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。

H=h(15.682-1.983h+1.16l)

(1)

式中，h為工作面的煤層高度，h=3.8 m；l為工作面的寬度，l=240 m。將取值代入式(1)計(jì)算得出該工作面的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度值為177.56 m。

將計(jì)算所得的導(dǎo)水裂隙帶寬度導(dǎo)入如圖1中的涌水量模型中，得出延安-直羅組含水層的涌水量為132 m3/h；洛河-宜君含水層的涌水量為119 m3/h。因此，基于涌水量模型得出該工作面的涌水總量為251 m3/h。

3.2 基于傳統(tǒng)大井法預(yù)測(cè)涌水量

基于傳統(tǒng)大井法對(duì)工作面涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，除了考慮上述延安-直羅組含水層和洛河-宜君含水層外，還需考慮煤層頂板的砂巖含水層。此外，基于傳統(tǒng)大井法對(duì)工作面涌水量的預(yù)測(cè)需綜合考慮該工作面的滲透系數(shù)、水柱高度、含水層的厚度以及該預(yù)測(cè)方法對(duì)應(yīng)的引用半徑等相關(guān)。

鑒于篇幅有限，此處不對(duì)每個(gè)含水層的涌水量進(jìn)行計(jì)算。綜合上述分別得出延安-直羅組含水層的涌水量為50 m3/h；洛河-宜君含水層的正常涌水量為36.02 m3/h；煤層頂板砂巖含水層的涌水量為50 m3/h。因此，基于傳統(tǒng)大井法可得出31013工作面的正常涌水總量為：50 m3/h+50 m3/h+36.02 m3/h=136.02 m3/h。

3.3 基于水文地質(zhì)比擬法預(yù)測(cè)涌水量

所謂水文地質(zhì)比擬法指的是對(duì)已開(kāi)采工作面涌水量的實(shí)測(cè)值與已開(kāi)采工作面的相關(guān)特征參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)涌水量的預(yù)測(cè)，其所依據(jù)的公式，如式(2)所示。

(2)

式中，QI為已開(kāi)采工作面的涌水量；SI為已開(kāi)采工作面的工作面面積；Q2為預(yù)測(cè)工作面的涌水量；S2為預(yù)測(cè)工作面的工作面面積。本文所選擇已開(kāi)采工作面的長(zhǎng)度為1 943 m，對(duì)應(yīng)寬度為180 m，該工作面實(shí)際測(cè)得正常涌水量為120 m3/h；本文所預(yù)測(cè)工作面的長(zhǎng)度為2 020 m，寬度為240 m，根據(jù)式(2)得出該工作面的預(yù)測(cè)涌水量為：166.34 m3/h。

綜上所述，為保證基于涌水量預(yù)測(cè)所采用防水措施能夠有效對(duì)工作面含水層進(jìn)行防治。選用基于模型所得的涌水量提出防治水措施[5]。

4 礦井水防治策略

結(jié)合對(duì)煤礦涌水量預(yù)測(cè)的結(jié)果，為確保工作面的安全性生產(chǎn)還需采取一定的防治水措施，具體防治水工作可從以下幾個(gè)方面開(kāi)展。

1) 開(kāi)采前采用物探手段進(jìn)行探測(cè)，先對(duì)砂巖裂隙的含水層進(jìn)行疏水操作，而后對(duì)覆巖地質(zhì)軟弱的位置進(jìn)行注漿加固；

2) 當(dāng)工作面進(jìn)行開(kāi)采或者掘進(jìn)時(shí)需嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，防治工作面頂板出現(xiàn)局部冒頂?shù)氖鹿剩?/p>

3) 準(zhǔn)確掌握工作面地質(zhì)、水文以及巖層等條件，掌握工作面各個(gè)含水層的水位動(dòng)態(tài)；

4) 為避免工作面頂板巖層被非均衡破壞、局部抽冒和突水潰砂現(xiàn)象的發(fā)生，在實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)保證工作面推進(jìn)快速且均衡；根據(jù)31013工作面特征，要求工作面采高不超過(guò)4 m，并確保通風(fēng)機(jī)和排水設(shè)備可正常運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

煤礦透水事故嚴(yán)重威脅著綜采工作面的安全生產(chǎn)。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中常對(duì)工作面含水層進(jìn)行疏水操作，并采取相應(yīng)的注漿加固措施解決工作面透水事故的發(fā)生。為保證工作面防治水措施的可行性和有效性，需精確預(yù)測(cè)得出所研究工作面的涌水量，為防水策略的制定奠定基礎(chǔ)。