采空區頂板動態補給水預疏放設計

馮鵬崢

（山西沁和能源集團南凹寺煤業有限公司，山西 沁水 048200）

隨著礦井開采深度不斷增加，礦井水文地質條件越來越復雜，帶壓開采煤層和受水害影響的緩采區、禁采區進一步擴大，直接影響礦井可采儲量和產量效益[1]。南凹寺煤礦位于沁水煤田的南部，目前主3 號煤，屬于華北地區石炭二疊系煤田，井田范圍內主要賦存有奧陶紀、寒武紀石灰巖含水層，在工作面采掘活動作業時，受到頂底板承壓含水層的威脅，如何采取有效防治水措施，加強對承壓含水層的注漿改造加固，具有重要安全指導意義。

1 水文地質概況

南凹寺煤礦井田內主采3 號煤層，屬山西組下部，其地層由石炭二疊系上統上石盒子組和二疊系下統下石盒子組以及第四系組成，煤層厚度在5.8～6.9 m，平均厚度6.25 m，賦存較穩定。井田范圍內無較大的地表河流，只有一條沿SN 方向的季節性溪流，雨季期間河流流量不大，且與井下裂隙無聯通關系。主井井口標高為+644.17 m，風井口標高為+646.27 m，副斜井井口標高為+622.37 m，工業廣場與主要井筒標高均大于歷史最高洪水位。

第四系存在松散砂礫巖層的孔隙含水層，呈垂直分布發育，具有良好的透水性，經過雨季大氣降水補給后能夠對礦井水造成水源補給，導致含水層水量增多，水壓略有變化。

二疊系發育碎屑巖層裂隙含水層主要分為二疊系上、下石盒子組和山西組，以含砂巖為主，與下部泥頁巖之間不存在水力補給聯系，具有一定的隔水性，但存在富水區域，分布不均勻。

石炭統太原組砂巖、灰巖間巖溶裂隙含水層主要為碎屑巖成分，伴有碳酸鹽巖巖溶水，在井田范圍內埋藏較深，未見明顯出露，是礦井3 號煤層充水主要來源。

深部奧陶系石灰巖含水層是礦井主要承壓水體，以巖溶水為主。為長期觀測主要含水層的水位、水壓等動態信息，井田內打設有水文觀察孔。通過抽水試驗分析，觀察井單位水量q=1.43 L/s·m，水位標高+485.19 m，滲透系數K=0.264 9 m/d，富水性較強，主要水質陰離子含有SO4·HCO3，陽離子含有Ca·Mg，井田范圍內徑流方向為自北向南發育。

2 30405 工作面頂板裂隙帶模擬分析

南凹寺煤礦30405 工作面主要充水來源來自相鄰工作面的采空區積水、地表滲透裂隙水、頂板裂隙水等水體，尤其是在工作面回采過后，采空區頂板垮落，形成大量的頂板裂隙，會與主要含水體產生導水通道，從而致使采煤工作面涌水量增大，影響正常生產。根據30405 工作面實際煤厚與頂底板巖性特征進行分析計算，利用FLAC3D進行數值模擬，建立工作面頂板上三帶的裂隙發育情況及成因機理分析[2]。將煤巖地層模型預設尺寸比例為長×寬×高分別是400 m×250 m×400 m，根據工作面實際煤層厚度和采高按照5.3 m 計算，平均埋藏深度400 m，假設采空區采取充填材料進行填充管理，從而模擬冒落矸石高度。

南凹寺30405 工作面設定切眼寬度為220 m，共向前回采推進350 m，每回采5 m 作為一個小循環進行數值模擬計算。30405 工作面采空區塑性范圍變化漸變如圖1。

圖1 30405 工作面采空區塑性范圍變化漸變圖

隨著工作面向前回采，采空區頂板巖層隨回采距離越遠，采空區面積越大，巖層出現下沉和垮落的塑性變形范圍也增大，垮落帶高度也增大。如圖1（a）所示，工作面回采24 m 時，頂板破壞范圍約7 m；當回采到56 m 時，如圖1（b）所示，頂板巖層塑性破壞范圍已影響到28 m；如圖1（c）所示，當回采范圍繼續擴大到80 m，頂板塑性變化范圍達到66 m。

3 30405 工作面采空區積水動壓平衡分析

工作面在回采期間和回采之后，采空區內留下巨大空間可儲存涌水，其中主要水源可由靜態水和動態水進行充填補給，而且儲水條件是由采空區內底板坡度和隔水性決定。在相對封閉空間內，采空區除原有采動過程中積存的涌水無法排出外，還會因為頂板垮落產生裂隙，導通含水層，從而引發新的水源向采空區補給，形成動態水源補給。當采空區無新增排水通道的條件下，會造成積水面積不斷擴大，直到充斥滿整個采空區，形成一定的反向水壓對補給水源水壓形成阻擋狀態后，趨于水壓平衡，則不再進行充填補給[3]。30405 工作面采空區積水動壓平衡演示圖如圖2。

圖2 30405 工作面采空區積水動壓平衡演示圖

4 采空區積水涌水量估算

4.1 靜態水量計算

在工作面煤層回采前，將頂板含水層和裂隙含水體視為完整的靜態水體，當回采后采空區形成頂板裂隙與含水體產生水力聯系通道后，打破原有的水力平衡，使得靜態水在重力的作用下進行釋放，形成流動的活水狀態，源源不斷充填涌入采空區，其彈性能得到釋放[4]。根據公式（1）計算可得靜態釋水量：

根據公式（2）計算可得動態釋水量：

式中：Qz為動態釋水量，m3；μ為含水層動態補給系數，μ=0.05；M為含水層厚度，m；F為采空區面積，m2。

根據南凹寺煤礦3 號煤層頂板隔水層巖性和巖層厚度等資料，主要充水層為砂巖含水層，按照30405 工作面切眼長度220 m，回采范圍1100 m，△H為砂巖含水層降深水位70 m，下部砂巖裂隙含水層水位降深為150 m。經過公式計算，上覆兩層含水層的靜態水量約為0.8 萬m3、1.46 萬m3，形成動態補給水之后水量分別為35.2 萬m3、46.7 萬m3，合計水量為84.3 萬m3。

4.2 動態補給量

根據前期數據建模分析，當工作面回采范圍達到350 m 范圍時，頂板含水體由于裂隙帶發育高度和涌水量動壓達到平衡等多方面因素影響，此時頂板巖石破壞塑性趨于穩定，水壓達到新的平衡，因此，根據回采期間頂板裂隙充水量的計算公式如下：

式中：Q為采空區涌水量，m3/d；K為頂板巖層滲透系數，山西組砂巖為0.063 m/d，下石盒子組為0.142 m/d；M為含水層厚度，m；H為水頭高度，m；R為水量補給影響半徑，m。經過計算可得30405 工作面采空區頂板涌水量為387 m3/h。

4.3 采空區涌水量綜合分析

經過對30405 工作面采空區頂板靜壓、動壓水對空間補給量的計算可得預計涌水量可達387 m3/h。此外，考慮到工作面整體設計布局，周邊無合理巷道進行疏放水鉆孔的施工，對采空區積水不能有效進行疏導排放，且采空區底板具有較好的隔水性，不會產生積水的外流滲漏影響，因此，綜合考慮多種因素進行分析，30405 工作面采空區回采期間的最大涌水量應達到790 m3/h。30405 工作面回采期間涌水量預測圖如圖3。

圖3 30405 工作面回采期間涌水量預測圖

5 工作面回采期間防排水規劃與建議

鑒于以上涌水量預測，工作面回采期間采空區頂板涌水量最大可達790 m3/h，正常補給水量為387 m3/h，且頂板含水層預測儲水量為84.3 萬m3，正常情況下，隨著工作面回采排完所有儲水量預算需要2 178.3 h，約為90.7 d，其中不包含有新增水源補給的條件。因此，為緩解工作面采空區后期積水壓力過大，對回采造成影響，可根據數值模擬預測圖顯示規律，提前采取預防措施。在工作面回采期間，通過兩巷向頂板提前施工鉆孔，按照回采范圍對應的預測裂隙帶導水深度進行施鉆，設計終孔層位在裂隙帶影響最大深度處，鉆孔呈相對均勻的扇形布置，可實現隨工作面回采，同時對頂板含水層和含水體進行預疏放，在不影響回采進度的條件下，盡量縮短放水周期和時間，從而實現平行作業的效果。為確保放水期間的兩巷文明衛生與巷修安全，在兩巷放水地點施工鉆場水倉，并在外段巷道低洼處的“V”型巷道施工水倉，安裝滿足不小于600 m3/h 排水能力的電泵和電泵組（按照正常涌水量的1.4 倍設計），確保巷道的安全回采。兩巷頂板疏放鉆孔布置示意圖如圖4，放水量與推進度波動關系示意圖如圖5。

圖4 兩巷頂板疏放鉆孔布置示意圖

圖5 放水量與推進度波動關系示意圖

6 結語

通過對30405 工作面采空區涌水量的不同充水條件和充水量進行預測分析，建立數值模擬的分析模型，找到涌水量與回采推進度的內在聯系與相關規律，采取兩巷提前施工放水鉆孔的方式，有效控制疏放頂板靜態積水，減少對采空區的積水量補給，對確保工作面的安全回采，消除回采期間的水患威脅，具有深遠的實用價值意義。