煤礦綜采工作面防治水技術研究

宋亞亞，王 輝

(河南永錦能源有限公司 云蓋山煤礦一礦，河南 禹州 461670)

防治綜采工作面地表水危害是防治水處理施工問題的關鍵，防止和減少開采或地下水排水引起的地表沉降、裂縫和地表裂縫等降雨或地表水滲入地下工作面。水害防治可以保證地下采礦安全，降低采礦排水成本。因此，各種地表水危害需要進行具體分析。在不同條件下，只有適當的方案和措施才能有效地預防和控制地表水危害，確保綜采工作面生產安全。煤炭開采后，工作面頂部塌裂與上部含水層，從地下水向礦井水變化連通，導致礦井流水量增加，甚至發生突水災害。目前，我國頂部水災害防治措施是流水斷裂帶范圍內直接充水，含水層必須提前嚴格排水。補給水源充足的應主要進行帷幕灌漿或截堤等工程，然后在堵塞水源后提前進行排水[1]。為提前進行有效排水，應研究和確定以下內容：①富水含水層的補給源、邊界條件和水豐度；②流水斷裂帶發育高度是否與主要充水含水層相連通；③突水危險的劃分與評價；④礦井流水量和出水量預測[2]。上述主要任務是頂部水水文地質勘探、頂層水災害勘探，必須嚴格完成上述內容。

1 工程特征

研究煤礦是中國北方石炭二疊紀煤田的典型代表。開采的煤層覆蓋在奧陶系石灰巖之上，礦井綜采工作的透水情況偶發，嚴重影響了開采的進行。 針對煤礦的研究技術路線如圖1所示。

圖1 綜采工作面防治水研究技術路線

河南省大部分礦區被第四紀礦床覆蓋。研究對象煤田位于云蓋山礦區，井田斷裂較為發育。根據地質勘探局的報告，共有144條斷層被3D地震勘探所發現。在采礦過程中，綜采工作面的32條斷層實際暴露出來，為突水情況的出現埋下了伏筆。根據斷層的走向，可以分為3組：近南北、東北和西北。許多斷層影響了礦井的生產和安全。地層不同層級材質分布如圖2所示。

圖2 地層不同層級材質分布

如圖2所示，自上而下的主要含水層為第四系砂礫含水層、頂底板砂巖含水層、第三系灰巖三維巖溶裂隙含水層、第十系灰巖巖溶裂隙含水層和奧陶系灰巖巖溶裂隙含水層。綜采工作面頂部的砂巖含水層是礦井開采期間的沖擊含水層，正常流入速率約為1 316 m3/h，被迫停采。

根據綜采工作面的鉆孔數據，第四紀地層厚240.3 m，底部有厚15.9 m的礫巖。巖心樣品顯示，洞穴大小在10～40 mm，裂縫長度在10～40 mm。第四紀下部由灰白色鈣質黏土、鈣質黏土和鈣質膠結層、灰綠色黏土和黏土砂礫組成。上部由硬質鈣質砂組成，固結性差。在該地區南部和西部邊緣的鉆孔中，鈣含量很高[3]。由于方解石膠結作用，底部的鈣質層部分固結成鈣質結核或礫巖。在沉積過程中，卵石和膠結礦物被固化并轉化為伴隨的膠結層通過溶解、膠結、黏附和鞏固。

在第四紀地層下層的鈣質層中觀察到溶洞等巖溶特征。巖溶洞穴是方解石膠結物長期溶解的結果。該層的特征是黃銹色，最大厚度為17.55 m[4]。勘探鉆孔暴露的巖溶洞穴直徑為0。硬部頂層分布在10～40 mm。礦井周圍喀斯特洞穴中存在不同大小的方解石晶體，巖溶率估計超過30%。角礫巖層的空洞孔隙度為15%～20%。抽水試驗結果表明，鉆孔的比產水量為4.427 L/(s·m)[5]，滲透系數為36.87 m/d。巖溶作用增加了地下水在含水層中的儲量和流速，導致滲透系數和孔隙度增加。這也是礦井綜采工作面容易發生突水的原因，應該對其防治水技術進行研究。

2 綜采工作面及突水特性分析

2.1 基本情況

出現突水的工作面位于研究對象煤礦中段。砂層的標高為- 243～-367 m，平均深度為331 m。工作面煤層傾角約為20 °，煤層平均厚度為6.9 m[6]。采煤方法是綜合機械化厚崩落法和短壁后退法。工作面的地質結構相對簡單，有4條斷層，位移范圍在3～25 m。綜采工作面是位于第2層理斷層下盤的中部礦區第1個工作面，如圖3所示。

圖3 礦井開采工作面綜合柱狀

2.2 突水過程描述

2020年10月14日6：30，綜采工作面在第1次主頂壓力過后發生頂板突水，將整個支架壓碎。礦井水流量從最初的18 m3/h迅速增加，到10：00時最高達到115m3/h，然后逐漸減少。水質測試結果表明，水來自頂部的砂巖含水層。到10月25日，水流速度下降到40 m3/h。2020年12月23日，工作面繼續開采，頂板壓力基本穩定。2020年12月27日13：30，礦井水從綜采工作面頂板沿著滑道排出，總排放量為45.7 m3/h，并于56 h后保持穩定。2021年1月2日，當工作面向前推進23 m時，排水量上升至53 m3/h。從1月3日到6日，礦井水量從60 m3/h到121 m3/h。水質測試結果證實，水仍然來自頂部的砂巖含水層。1月7日17：00，礦井水量從1 254 m3/h急劇上升到1 254 m3/h。1月8日12：00，最大流量為1 316 m3/h。此后，入水流量迅速下降。1月17日流量170～200 m3/h，24日水流速度下降到150 m3/h。

2.3 突水機理及原因分析

突水分析中最關鍵的因素是確定礦井突水水源和突水路徑，以便了解地下水的突水情況，保證礦井長期安全運行，才能達到防治水的目的。綜采工作面的富水區確認有5個含水層。

(3)奧陶紀形成的石灰石巖溶裂隙含水層。TDS為1 052～5 366 mg/L，水質類型為Cl-·Ca2+·Na+·Mg2+。突水后，觀察到綜采工作面附近地表沉降區的水位沒有顯著變化，排除了地表水回灌的可能性。綜采工作面附近農田水井的水位沒有顯著下降，第四紀沉積物上層含水層補給水的可能性基本上也被排除了。第四紀沉積物下組含水層的水位與突水量的變化相對應，表明突水水源與第四紀沉積物下組含水層的鈣質層和礫石層密切相關[9]，如圖4所示。

圖4 礫石層泥巖電鏡掃描圖

除了水位數據之外，水質檢測數據還提供了另一項證據來確定礦井突水的來源。礦井水質數據表明，礦井突水的來源是頂部的砂巖含水層。工作面水量突然增加后，水質類似于第四系鈣質層。所有的測試數據表明，礦井突水來自第四紀地層的下部鈣質層。

總之，突水中的大水流量是由第四系下層石灰質含水層支撐和提供的。含水層是不均勻的，在綜采工作面上方有豐富的地下水。在第四紀地層底部的石灰層或礫石層中，可能存在強烈的巖溶裂隙水通道或古河床水通道。

2.4 低角度正斷層響應下盤開采的斷層激活機制

斷層是在巖體形成后的地質運動過程中沿斷裂面發生重大位移的一種地質構造。斷層周圍的構造被稱為斷裂帶，其橫斷面可劃分為2個帶：構造巖帶和斷層影響帶[10]。斷層影響帶是受斷層影響的斷裂帶，分布在構造巖帶的兩側，其寬度取決于斷層的大小和兩巖的力學性質。圖5中間位置顯示了斷層和導水斷裂帶其他因素。在采礦活動的影響下，斷層將被重新激活。斷層活化后，斷層帶的應力和斷裂發生變化。原來的無水地層被導水斷裂帶取代，即使在水層和采場之間形成了崩落帶導水通道，也會造成突水事故。

圖5 斷層和導水斷裂帶結構示意

3 開采推進過程的數值模擬分析

由于實驗室應用的局限性，采用FLAC3D數值模擬軟件對突水機理進行了研究。FLAC3D能直觀反映煤層開采工作面的應力分布，能較好地揭示綜采工作面的破壞過程和斷層附近開采時對斷層的擾動，對煤柱合理留設有重要的指導意義。FLAC3D數值模擬不僅有助于研究已發生的突水事故機理，且有助于指導今后工作面的安全開采，預測導水裂隙帶的高度。輸入資料包括勘探井的地層、巖層和三維地震勘探的斷層資料及力學性質。

3.1 三維模型的建立

在數值模擬過程中，由于地質條件的影響，不可能充分反映實際情況和地層構造組成。為了滿足研究的需要，使數值模擬結果盡可能地反映實際情況，需要對實際情況進行合理簡化。 數值模擬基于以下假設[11]：具有相似巖性和力學參數的地層被劃分為一組，而沒有考慮相鄰地層之間的影響。 模型上部采用豎向荷載代替覆蓋層所受重力。首先，根據煤層開采過程建立機械概念挖掘模型。水平移動在模型的一側受到限制，垂直移動在模型的底部受到限制。在模型的上半部分施加垂直荷載，以根據需要模擬上覆巖石所受重力。對于正常巖體，煤層開采前的應力處于相對平衡狀態。模型必須在變化前先達到初始力的平衡狀態，設定初始條件和邊界條件，進行初始平衡計算，并以最大不平衡力接近零的收斂狀態判斷模型是否平衡。 本模擬所建立的模型是以中段綜采工作面剖面的實際構造和地層為基礎的。工作面距離斷層0～25 m，屬于近斷層煤層開采。在概念模型的基礎上，建立了長 200 m、寬 138 m、高120 m的板下斷層開采模型。三維模型分為568 080 個三維單元，共有587 736 個節點。模型和工程參數都經過了偏差的校準，如圖6所示。

圖6 礦井圍巖模型示意

3.2 數值模擬結果分析

綜采工作面基本沿橫向斷層走向布置，模型剖面垂直于斷層和工作面，根據實際開采情況設置寬32 m、長100 m的工作面，進行模擬開采。通過31 m預采，遇突水問題便停止開采作業，留下23 m煤柱，繼續開采34 m。以下分析選取的應力圖和塑性區圖是垂直于工作面走向的工作面位于采區中部的斷面圖。在10、20、35 m開采的塑性破壞區如圖7所示。

圖7 不同開采進度條件下圍巖塑性破壞

工作面周圍出現應力拱，工作面兩側存在應力增高區，斷層頂板與巷道端部接觸處的應力增大尤為明顯。圖7(a)表明，塑性破壞發生在工作面頂部3～7 m范圍內，破壞區接近斷層，但斷層尚未塑化；圖7(b)表明，頂板和底板破壞加劇，頂板破壞范圍擴大。塑性破壞區的最大高度為35 m，塑性破壞區出現在斷層面上。特別是，在塑性破壞區上方有一個單獨的塑性破壞區，表明斷層具有部分活化現象。高度如圖7(c)所示，塑性破壞帶增加到56 m，斷層面塑性破壞帶面積擴大，塑性破壞帶出現在斷層上部至第四紀底部，表明斷層上部活化，局部破壞帶與第四紀下含水層相連，因此形成了突水通道，第四紀鈣質膠結含水層釋放了大量礦井水。因此，確定了事故中的礦井突水水源和突水通道，有助于制定精細的防治對策，如注漿突水通道。

4 綜采工作面開采技術條件評價分析

(1)對于防砂安全防水煤柱高度的計算，采取了相似材料模擬、計算機數值計算和實測確定，分別得出了煤柱高度值。 依照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》的規定，確定綜采工作面需要留設的防砂安全煤(巖)柱高度為 25.7 m；通過數值模擬進行實驗，確定的一采區需要留設的防砂安全煤(巖)柱高度為25.7 m；由計算機數值計算成果確定的一采區淺部工作面需要留設的安全保護煤(巖)柱高度為 29.7 m；根據實測確定的采區淺部工作面需要留設的防砂安全煤(巖)柱高度為32.30 m，均小于實際留設煤(巖)柱35.23 m。因此，開采是安全可行的。

(2)對綜采工作面頂板進行研究可知，頂板“四含”發生突水潰砂危險性較小，頂板砂巖裂隙水影響較小。

(3)綜采工作面底板突水系數為0.041～0.048 MPa/m，突水系數均小于規程規定的0.06 MPa/m。因此，工作面開采不易發生突水現象。

(4)工作面煤層底板隔水層各處厚度最小值比臨界厚度還要大，工作面開采存在較小的突水危險性。從鉆探成果可以看出，驗證孔單孔涌水量均不大，說明工作面底板阻隔水性能良好。

5 結語

以某礦井綜采工作面突水為例，探討了礦井工作面突水的來源和途徑。多種證據表明，突水的源頭為第四系多孔含水層。觀察到溶洞增加了含水層的滲透性和孔隙度，巖溶作用極大地增加了這個源含水層的可用水量。采用FLAC3D數值模擬方法研究了工作面頂部斷層下盤開采時的斷層再活化的機理。當上頂層處于正常斷層下時，煤炭開采使斷裂帶向斷層位置延伸，導致斷層應力狀態、斷層面及周圍裂隙擴展和連通性發生變化。另一方面，在斷層頂部的第四紀地層中存在著豐富的含水層，滲流時代集中在斷層面下的水—巖相互作用。當頂部滲流區、斷層面和裂隙帶在水力上相連時，水就進入了第四系含水層沿斷層和裂隙流入采空區，造成綜采工作面突水事故。研究可為其他煤礦綜采工作面其他突水事故提供參考，對煤礦防治突水具有重要的現實意義。