門克慶礦31201 工作面復合水體下安全開采技術研究

姚依林

（中天合創能源有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

當前我國煤炭供給已逐步向西北地區集中，且西北礦區開采也正逐步向深部發展[1-3]。蒙陜深部礦區采礦地質條件較為特殊，煤層埋深普遍大于500 m，煤系地層被含水豐富且膠結程度差的白堊系地層覆蓋，無穩定隔水層，煤層頂底板較軟且遇水崩解，因此礦區內多為近距離煤層群開采，為企業安全高效生產帶來極大影響。門克慶礦位于內蒙古自治區鄂爾多斯市烏審旗的呼吉爾特礦區，礦井設計生產能力為12 Mt/a。礦井首采區回采煤層有3 層，自上而下依次為2-1 煤、2-2 中煤和3-1 煤，煤層平均層間距約為30 m，煤層頂板賦存有多層富水性較強的高水壓含水層，對下伏多煤層的安全開采構成了威脅，屬于典型的復合水體下煤層群開采問題。因此分析門克慶礦工作面充水規律，進一步研究其工作面頂板復合水體開采疏降技術，對有效解決礦井水害威脅問題，指導礦井安全生產有重要意義。

1 概 況

門克慶煤礦31201 工作面為3-1 煤首采工作面，工作面位于井田南部的二盤區西側，位置鄰近井田西側邊界。工作面設計傾斜長度260 m，推進長度5 680 m，上下順槽均設計為雙巷布置，如圖1 所示。工作面范圍內3-1 煤厚4.00～6.17 m，平均煤厚4.95 m。

圖1 31201 工作面布置示意Fig.1 Layout of No.31201 Face

2 工作面充水規律分析

2.1 覆巖結構與類型

井田內覆巖巖性構成分為砂巖類巖層和泥巖類巖層兩大類，其中砂巖類巖層包括粉砂巖、細砂巖、中砂巖和粗砂巖，泥巖類巖層包括砂質泥巖和泥巖兩種。對煤層頂板以上40 m 和100 m 范圍內的覆巖巖性構成進行對比分析，結果見表1。結合上述統計結果，對門克慶礦井檢孔所取巖樣進行巖石力學測試，測定3-1 煤層覆巖屬于中硬型頂板。

表1 井田內覆巖巖性構成Table 1 Lithology composition of overlying rocks in the well field

2.2 覆巖破壞高度預計

2.2.1 經驗公式預計

31201 工作面范圍內及周邊區域3-1 煤層的鉆孔揭露厚度為4.00～6.17 m，平均煤厚4.95 m，均大于3 m，因此將采用類似條件礦井實測數據類比分析法，預計首采區3-1 煤層覆巖破壞高度。據國內類似開采條件下的覆巖破壞高度實測結果[4-7]，本著穩妥安全的原則，選取門克慶礦首采區3-1 煤層綜采的裂采比為15，垮采比為6，預計結果如圖2所示。類比分析結果與工作面實測結果接近，最終預計導水裂縫帶最大發育高度為82 m，垮落帶為33 m。

圖2 門克慶煤礦31201 工作面導水裂縫帶發育高度等值線圖Fig.2 Contour map of the development height of water-conducting fracture zone at No.31201 Face of Menkeqing Mine

2.2.2 數值模擬分析

采用FLAC 數值模擬軟件，對門克慶礦3-1 煤開采過程中覆巖破壞動態發育情況進行分析。門克慶煤礦屬于緩傾斜煤層，因此模擬計算時按水平煤層考慮。模型傾向長度為260 m，寬度為600 m，走向長度為1 200 m，垂向上各巖層均按照實際厚度進行模擬，并施加等效載荷，模型網格圖如圖3所示。

圖3 覆巖破壞數值計算模型網格圖Fig.3 Grid diagram of overburden damage numerical calculation model

（1） 破壞場分析。

圖4 為3-1 煤（采厚4.5 m） 開采后覆巖破壞場分布圖。可以看到頂板覆巖破壞范圍呈現明顯的“馬鞍”型，其中拉伸破壞區和拉伸裂隙區發育晚于剪切破壞區，由此推斷，工作面頂板破壞首先是剪切破壞，進而發展為拉伸破壞，最終發生斷裂、垮落。因此根據以上各破壞區域的范圍，判斷3-1煤采后導水裂縫帶發育高度為66.5 m，裂采比為14.8。

圖4 門克慶煤礦3-1 煤（采厚4.5 m）開采后覆巖破壞場分布圖Fig.4 Distribution of overburden damage field after mining of No.3-1 coal(mining thickness 4.5m)in Menkeqing Mine

（2） 垂直位移場的分析。

圖5是門克慶煤礦3-1 煤層開采后垂直位移場模擬結果。由圖5 可知，煤層開采后，工作面上方覆巖下沉位移從下至上逐漸減小，沉陷范圍從下向上逐漸擴大；底板發生較大的向上位移，即底鼓；由于受工作面回采的影響，工作面前方巖層下沉梯度明顯大于工作面后方巖層下沉梯度，巖層下沉為非對稱下沉，隨著工作面推進距離的增加，工作面前后方的下沉逐漸趨于一致。這說明隨著工作面的開采，后方的巖層逐漸壓實且趨于穩定。

圖5 門克慶煤礦3-1 煤（采厚4.5 m） 開采后垂直位移場Fig.5 Vertical displacement field after mining of No.3-1 coal(mining thickness 4.5 m)in Menkeqing Mine

（3） 最大主應力場。

通過模擬結果發現，隨著工作面的不斷向前推進，最大主應力等值線范圍不斷擴大，逐漸變為兩頭高、中間低的“馬鞍”形，如圖6 所示。采空區邊緣采動裂隙發育充分，導水裂縫帶在此處發育最高。在臨近煤層頂板區域主要是拉應力區域，有微裂隙時頂板巖層拉應力集中系數變得更大，使得該區域巖石極易垮落。

圖6 門克慶煤礦3-1 煤（采厚4.5 m） 開采后最大主應力分布圖Fig.6 Maximum principal stress distribution after mining of No.3-1 coal(mining thickness 4.5 m)in Menkeqing Mine

2.3 覆巖含水層導通性分析

煤層直接頂上方延安組含水層和直羅組底部含水層為采掘空間的直接充水水源，該地層的富水性及其與頂底板含水層間的水力聯系決定了工作面開采期間的涌水情況。分析工作面覆巖破壞對上覆含水層的影響，31201 工作面范圍內覆巖含水層分布均勻，其中兩層位于覆巖破壞高度范圍內，另一層距離采動裂縫發育范圍較遠，二者之間均為穩定沉積的泥巖或粉砂巖，有效阻隔了二者的水力聯系。因此，對31201 工作面開采有充水影響的含水層分別位于3-1 煤頂板以上延安組上段和直羅組含水層底部的中粗砂巖含水層，如圖7 所示。

圖7 31201 工作面覆巖破壞對上覆含水層影響圖Fig.7 Influence of overburden failure on overlying aquifer in 31201 Face

3 工作面頂板復合水體疏降開采技術

3.1 疏降開采可行性分析

（1） 含水層富水性分析。

根據我國水體下壓煤開采經驗，工作面采前疏放水效果及疏水時間與目標含水層的富水性、可疏性、巖性結構等因素密切相關[8-11]。因此，從含水層富水性出發，將抽水試驗過程中降深與涌水量的比值關系作為疏降可行性的判別標準[12]，具體結果見表2。

表2 門克慶礦井抽水試驗降深與涌水量的比值計算Table 2 Drop depth and gushing water ratio calculation in pumping test of Menkeqing Mine

由表2 可知，各抽水試驗成果計算所得的＞100，說明含水層比較容易疏降。考慮到礦直接充水含水層富水性弱，且承壓含水層富水性不均一，連通性差，滲透系數低，因此對該含水層進行提前疏放是可行的。

（2） 水層巖性特征分析。

3-1 煤層導水裂縫帶范圍內的巖層巖性以中、粗砂巖含水層和砂質泥巖、粉砂巖為主，對上述巖性巖石的物理力學及水理性質進行水理試驗測試，其耐崩解系數均在98.0 ～99.5，說明地層的整體水穩定性較好，具有較強的耐崩解性和抗軟化性能。而對煤系地層黏土礦物進行的X-射線衍射分析結果表明，巖層不具有明顯的膨脹性特征，且表現出微弱的吸水軟化性能，據此推斷，疏水鉆孔施工后，疏水段一般不會出現塌孔、堵孔現象，有利于含水層水的疏放。

綜合上述，門克慶煤礦首采區的直接充水含水層易于疏降，且該含水層的層間泥質巖類水穩定性好，一般不會發生塌孔堵孔事故，有利于含水層的安全高效疏放。

3.2 工作面采前疏放水流場分析

3.2.1 三維地質模型構建

根據礦井勘探及水文補勘過程中的鉆孔柱狀圖、含水層抽水試驗成果以及各地層的水文地質條件，建立礦井的三維地質模型，模型平面范圍為井田范圍，垂向上自3-1 煤底板起直至地表，依地層巖性和沉積次序共劃為11 類65 層，建模過程共統計了井田范圍內的65 個鉆孔，如圖8 所示。首采區三維地質模型如圖9、圖10 所示。

圖8 井田鉆孔柱狀圖Fig.8 Borehole histogram of the minefield

圖9 門克慶煤礦三維地質圖Fig.9 Three-dimensional geological map of Menkeqing Mine

圖10 3-1 煤與頂板砂巖含水層分布立體圖Fig.10 Three-dimensional map of No.3-1 coal and roof sandstone aquifer distribution

3.2.2 采前疏降流場分析

應用均勻布井法對31201 首采工作面采前疏放水流場進行分析，考慮到工作面切眼附近的煤層底板標高處于+620—+630 m，煤層厚度為5 m，因此實際疏降的目標水位應控制在+730 m 左右。本次計算根據單孔出水能力選取5 種不同疏水量的采前疏水方案，結果見表3，如圖11～圖15 所示。

表3 采前疏水方案與疏水計算結果Table 3 Pre-extraction hydrophobic scheme and hydrophobic calculation results

圖11 采前疏水流場分布圖（方案Ⅰ：疏水量360 m3/h）Fig.11 Distribution of pre-mining evacuation water field(option Ⅰ:evacuation volume 360 m3/h)

圖12 采前疏水流場分布圖（方案Ⅱ：疏水量480 m3/h）Fig.12 Distribution of pre-mining evacuation water field(option II:evacuation volume 480 m3/h)

圖13 采前疏水流場分布圖（方案Ⅲ：疏水量600 m3/h）Fig.13 Distribution of pre-mining evacuation water field(option Ⅲ:evacuation volume 600 m3/h)

圖14 采前疏水流場分布圖（方案Ⅳ：疏水量720 m3/h）Fig.14 Distribution of pre-mining evacuation water field(option Ⅳ:evacuation volume 720 m3/h)

圖15 采前疏水流場分布圖（方案Ⅴ：疏水量960 m3/h）Fig.15 Distribution of pre-mining evacuation water field(option Ⅴ:evacuation volume 960 m3/h)

分析結果可知，通過采前疏放水使31201 工作面切眼200 m 范圍、采動裂隙發育高度范圍內的含水層水位降至設計水位（+730 m） 是可行的。多方案對比可知，通過增加單位時間的疏水量，可以顯著縮短疏水時長，但整體時長并非線性縮減，這是因為隨著疏水量增大，相應的側向補給量也會增大，導致地下水流場失衡，這一結果符合地下水流場的一般規律。

4 結 論

（1） 通過分析3-1 煤層頂板覆巖巖性結構及其力學性能，得出門克慶煤礦煤層覆巖巖性以砂巖類巖層為主，覆巖均屬于中硬類型。

（2） 通過運用實測數據類比分析法、數值模擬方法對礦井首采煤層開采的覆巖破壞高度進行預計，結果表明，3-1 煤層的覆巖破壞高度可以按照裂采比15、垮采比6 進行預計。

（3） 從含水層富水性和含水層巖性特征兩個方面評價直接充水含水層的可疏性，同時通過三維地質建模，根據單孔出水能力選取5 種不同疏水量的采前疏水方案，對工作面采前疏放水流場進行分析，得出通過采前鉆孔疏放水使31201 工作面初采區域采動裂隙發育高度范圍內的含水層水位降至設計值是可行的。