侏羅系采空區充水系數定量研究及應用

譚志喜

（晉能控股煤業集團 煤峪口礦，山西 大同 037003）

1 工程概況

煤峪口礦作為一個開采近百年的老礦井，侏羅系可采煤層多、開采時間久遠、采空區遍布。隨著開采井田內采空區增多并形成積水區，通過裂隙與地面導通，對侏羅系礦井收尾階段開采及石炭系礦井大規模開采形成了極大安全隱患。采空區積水是影響該礦安全生產的主要水患，能否準確估算采空區積水，對有目的、有計劃的對采空區積水進行疏放有著重要的意義。

2 采空區積水充水系數定量

煤峪口礦現開采的侏羅系14 號煤層，410 盤區51020 巷對應上覆為11-12 號合并層8822 采空區，上下分層開采。上分層1999 年開采結束，下分層2004 年開采結束，與14 號層平均層間距6.8 m。2008—2012 年從地面灌漿孔向11-12 號合并層408 皮帶巷西部灌漿，灌漿水是8822 采空區的主要積水水源，預計積水面積80 000 m2，積水量30 000 m3，給51020 巷掘進造成重大安全隱患。由于距開采結束已久，采空區形態變化、水力聯系及積水量無法準確計算，給礦井采掘接替計劃部署也造成很大影響。

2.1 鉆孔水壓測量

煤礦井下探放水鉆孔水壓測定裝置為止水套管上安裝壓力計來測定水壓，該方法安裝過程復雜繁瑣而且不耐用，壓力計使用一段時間后容易損壞，讀不出數。帶有【MA】煤安標志電子測壓儀費用較高。自制鉆孔水壓簡易裝置，可以有效測定鉆孔水壓值，解決了鉆孔水壓測量問題，如圖1 所示。

圖1 自制水壓測量裝置Fig.1 Self-made hydraulic measuring device

依據連通器原理，連通器里的水不流動時，各容器中的水面總保持相平。水壓大小與高度有關系，一般高度越高，底部的水壓越大，壓強公式P=ρgh，即壓強大小=液體密度×質量常數×離液面的高度。

探放水鉆孔孔徑為52 mm，選擇1.5 英寸鐵管（38.1 mm），在管頭纏繞棉麻等封水材料后，方便塞進鉆孔內。靠近鉆孔末端處焊接1.5 寸變6 分接頭，接入工業壓力計（讀數精確到0.002 MPa，換算成水柱高0.2 m，也就是20 cm，估讀到0.001 MPa，10 cm 水柱高）。裝置末端焊接1.5 寸變6 分接頭，接6 分球形閥。球形閥作用是在將該裝置送入鉆孔時，打開球形閥鉆孔出水會順著管子流經球形閥排出，不會因壓力導致測壓裝置難以送入鉆孔內。送入鉆孔端纏繞棉麻等將鉆孔孔壁封堵嚴實后，關閉球形閥。等待10～30 min，鉆孔內水壓給壓力表打壓，即可讀出數值。

2.2 計算方法研究

以往采空積水常采用粗略估算方法，大致圈定積水面積S，根據煤層厚度估算最大水深為煤層厚度H，最后選定充水系數K，如下所示：

式中：V為采空積水計算量，m3；S為積水面積，m2；H為煤厚，m；K為充水系數（柱式采煤方法一般選取0.1～0.3，綜采一般選0.3～0.6）。由于此經驗估算方法中充水系數K的不確定性，造成估算出的積水量與實際偏差往往較大，對探放水工作技術分析及礦井采掘部署造成一定影響。

考慮到充水系數K的重要性，假設K為一個未知數，通過階段性排水量、水位和積水面積的變化來計算K的實際值，從而更加準確計算老空積水量。

根據探放水孔初次測定鉆孔內煤層底板至水面的實際水深H1，結合底板等高線圈定積水面積S1，最初積水量計算為：

式中：V1為當前積水量，m3；S1為當前積水面積，m2；H1為水位高度，m。

排出一段時間后，排水量為V排，再次測定水深為H2，結合底板等高線圈定此時積水面積S2，則當前積水量計算為：

式中：V2為排水一段時間后剩余采空積水量，m3；S2為排水一段時間后剩余采空積水面積，m2；H2為排水一段時間后采空積水水位高度，m。

由于V排=V1-V2，由此解方程即可求得K值。

2.3 應用實例2.3.1 第一次測量

（1） 積水標高。

式中：H積水為積水標高；H頂板為頂板實測標高；P為鉆孔出水口水壓。2017 年12 月20 日初次在補19 號點前7 m 處測得上分層采空區水壓0.08 MPa，51020 巷道該處頂板實測標高為960 m。

（2） 積水范圍。8822 采空區積水范圍西起下分層停采線退后47 m 的上分層底板上，東至下分層切巷，南北以2822下和5822下順槽巷為界。

（3） 積水面積。用CAD 求得積水面積S=2 214+75 472=77 686 m2。

（4） 加權平均積水深度。

式中：h為加權平均積水深度；hi為塊段積水深度；Si為塊段積水面積；S為積水總面積。積水塊段分析數據見表1。

表1 12 月20 日積水塊段分析Table 1 Analysis of water blocks on December 20

2.3.2 第二次測量

（1） 積水標高。2018 年2 月7 日在補19 號點前25 m 處測得下分層采空區水壓0.07 MPa，51020 巷道該處頂板實測標高為959.372 m。

（2） 積水范圍。經過12 月20 日至2 月7 日共計49 d 的放水，西部積水線退至下分層停采線，東至8822下切巷處，南北還以2822下和5822下順槽巷為界。

（3） 積水面積。用CAD 求得積水面積為75 493 m2。

（4） 加權平均積水深度按式（5） 計算，剩余積水量如圖2 所示，積水塊段分析數據見表2。

圖2 剩余積水量Fig.2 Residual water retention

表2 2 月7 日積水塊段分析Table 2 Analysis of water blocks on February 7

2.4 水量分析

2017 年10 月16 日早班錨索孔滿孔水。測壓：初次2018 年1 月20 日，補19 號點前7 m，垂直鉆孔，壓力0.08 MPa；第二次2018 年2 月7 日，補19 號點前25 m，錨索孔，壓力0.06 MPa。

2.4.1 積水標高確定

（1） 補19 號點前7 m 頂板標高960 m，法向距7 m（4 m巖，3 m實煤），求得積水標高為968 m。（2） 補19 號點前25 m 頂板標高958.8 m，法向距4 m（巖），求得積水標高為964.8 m。

2.4.2 積水量

最初積水面積80 000 m2，最大積水深度為6.4 m，平均4.18 m。兩次測壓期間，排除積水體積222 928 m3。兩次測壓期間排水共20 000 m3。充水系數K= 20 000÷222 928≈0.09。原積水量W=334 670×0.09=300 00 m3。

2.4.3 剩余積水量

（1） 按原始積水減排水量方法計算，剩余積水量為30 000－20 000=10 000 m3。

（2） 按二次積水標高、積水體積和充水系數計算，剩余積水量為105 600 m3×0.09≈9 500 m3。

兩種算法結果基本一致，剩余積水量為10 000 m3左右，積水面積47 800 m2，積水范圍南北下分層停采線至964.8 等高線，東西8822 采空區兩順槽巷，積水標高為964.8 m，最大積水深度3.2 m，平均2.3 m。

（3） 積水最低區域為P180～P300 m，現迎頭為P124 m。排完這塊積水掘至P480 m 還剩余零星積水1 700 m3。

（4） 每日排水按240 m3排放，預計大水排水期還需40 d。

3 應用情況

煤峪口礦14 號層410 盤區51020 巷2018 年2～3 月期間，距皮帶巷開口136 m 處巷道迎頭17、18、19 號鉆孔累計排水9 700 m3。之后鉆孔出現拉風現象，測鉆孔淋水已無壓力。使用ZLJ—250 鉆機從巷道左側向上覆11-12 號層8822 下采空區施工了8 個驗證孔，其中7 個孔均見空無水，證明了上覆8822 采空區內積水已基本排清，驗證了此方法計算采空區積水的準確度。

2018 年5 月煤峪口礦計劃51020 巷正式開始掘進，根據此前計算出的充水系數K值，計算出的采空區積水量約10 000 m3，每日排水按240 m3排放，預計大水排水期40 d。對上覆采空區積水的分析計算提供了理論依據，指導了礦井水患治理工作和采掘計劃部署。

4 結 語

此方法應用還受其它因素限定，比如有些采空區形態變化特別大，無規律可尋，特別是在多個小采空區之間水力聯系復雜的情況下，使用這種方法計算出的結果誤差會很大，需要在排水過程中，通過實時監測排水量和水位變化對充水系數進行大量修正。