李　晉

(西山煤電集團(tuán)公司 官地礦，山西　太原　030022)

1　工程地質(zhì)條件

某礦首采工作面位于井田東翼三采區(qū)，該工作面起止標(biāo)高-393～-473 m，走向長度1 686.6 m，傾斜長度161～165.9 m，采用走向長壁綜合機(jī)械化采煤方法，頂板管理為垮落法。煤層開采厚度1.9～4.0 m，平均3.0 m.該礦井首采工作面的煤層產(chǎn)狀變化不大，煤層傾向355°～ 35°，煤層傾角平均13°.工作面基本頂一般為淺灰色中砂巖，平均厚度為14.4 m；直接頂一般為深灰色泥巖，直接頂?shù)哪鄮r厚度不穩(wěn)定，平均厚度1.7 m；底板一般為灰～深灰色泥巖，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，致密、塊狀、含植物碎片。

該礦自2002年投產(chǎn)以來，就先后在3222、7114、7130、6130等8個綜采工作面發(fā)生了17次壓架突水事故，嚴(yán)重影響了礦井的安全生產(chǎn)和采掘正常接替，造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失。其中6130、7130兩個工作面在回采過程中均周期性的發(fā)生壓架突水事故，壓架損失程度和突水量也呈現(xiàn)逐次增大趨勢。為避免造成更大的損失，這兩個工作面均被迫中途停采、撤面。如何有效防治松散承壓含水層下采煤壓架突水災(zāi)害是煤礦面臨的重大技術(shù)難題之一。

2　長觀孔水位變化與頂板來壓聯(lián)動效應(yīng)的實(shí)測

由含水層水位變化特征的研究可知，含水層水位的變化與回采速度、來壓強(qiáng)度等因素有關(guān)，它們之間存在一定的關(guān)系。現(xiàn)場實(shí)測發(fā)現(xiàn)，由于松散承壓含水層下采煤覆巖的特殊運(yùn)動規(guī)律，使得地面水文觀測孔水位的變化由于覆巖破斷形式的不同，經(jīng)常表現(xiàn)出不同的變化形態(tài)。因此，研究地表長觀孔水位變化與覆巖運(yùn)動之間的關(guān)系，將有助于進(jìn)一步掌握松散承壓含水層下采煤覆巖的破壞運(yùn)動規(guī)律，對進(jìn)行壓架突水災(zāi)害的預(yù)警具有重要的意義。

研究發(fā)現(xiàn)，水位與采動之間存在聯(lián)動關(guān)系，即工作面回采便會引起長觀孔水位的升降變化。

所謂微觀聯(lián)動，即工作面每一刀煤的回采均會引起長觀孔水位的升降變化，且與工作面開采時間具有高度吻合的特點(diǎn)。工作面28號支架壓力曲線見圖1，圖1中數(shù)據(jù)點(diǎn)代表相同時間內(nèi)SQ8長觀孔水位變化。在工作面處于檢修期間，沒有采動影響，長觀孔水位一直處于上升狀態(tài)，如圖1中虛線框中所指區(qū)域。當(dāng)工作面開始回采，長觀孔水位在半個小時之內(nèi)發(fā)生明顯下降，其下降幅度與工作面采動速度有關(guān)，回采時間越長，其下降量愈大。在相鄰回采的間隔時間內(nèi)，由于工作面暫時停采，水位又隨之出現(xiàn)回升現(xiàn)象，間隔時間越長，回升的量越大，再次采動后，水位將從回升的高度再次下降，直至本次回采停止。進(jìn)入下一次檢修期間時，水位同樣呈現(xiàn)持續(xù)的回升現(xiàn)象。水位變化的周期性與工作面采動的周期性具有一致性。

圖1　水位變化與采動關(guān)系圖

水位與工作面采動之間存在微觀聯(lián)動效應(yīng)的主要原因在于，含水層的流動補(bǔ)給性能較好，滲透性強(qiáng)，能夠很敏感地反應(yīng)到采動所引起的擾動，尤其是在工作面來壓期間，這種敏感性表現(xiàn)的更為突出。由于巖層整體性強(qiáng)，煤層采動會引起采動應(yīng)力的快速傳遞，直至基巖頂界面之后，導(dǎo)致水位發(fā)生相應(yīng)的反應(yīng)。微觀聯(lián)動效用明顯程度還受長觀孔水位與工作面距離的影響。長觀孔距離開采區(qū)域越近，反應(yīng)越敏感。

水位在不同來壓時期變化幅度的不同，與來壓的強(qiáng)度、來壓步距等因素有關(guān)，來壓強(qiáng)度越大，來壓步距越大，水位下降幅度也越大；來壓強(qiáng)度小、來壓步距越小，水位下降的幅度也越小。水位變化與頂板來壓的這種關(guān)系稱作水位與來壓的宏觀聯(lián)動效應(yīng)，其表現(xiàn)形式與前面所述微觀聯(lián)動效應(yīng)相比，宏觀聯(lián)動是反應(yīng)整個來壓過程中水位變化的特點(diǎn)，微觀聯(lián)動僅反應(yīng)來壓過程中每次采動時水位的變化特征，屬于整體和局部的關(guān)系。利用水位宏觀聯(lián)動與微觀聯(lián)動的特征，可以判斷工作面來壓強(qiáng)度及其是否具有壓架的危險性。

3　基于長觀孔水位降速的壓架突水災(zāi)害預(yù)警方法

通過水位下降速度可以對工作面壓架突水災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警，預(yù)警的關(guān)鍵在于確定具體開采條件下發(fā)生壓架突水的水位降速臨界值?？偨Y(jié)以往的壓架突水災(zāi)害案例，發(fā)現(xiàn)工作面發(fā)生壓架時，必然發(fā)生突水事故。因此，在進(jìn)行壓架突水災(zāi)害預(yù)警時，以工作面不發(fā)生壓架作為壓架突水災(zāi)害預(yù)警的目標(biāo)。

根據(jù)長觀孔水位隨覆巖運(yùn)動的變化規(guī)律，結(jié)合地下水動力學(xué)的相關(guān)原理，建立含水層水位降速與工作面來壓強(qiáng)度(活柱下縮量)之間的關(guān)系，見式(1)：

(1)

式中：

h—工作面切頂高度，即活柱下縮量，m；

L—工作面面長，m；

Lm—主關(guān)鍵層周期來壓步距，m；

S—巖塊在采空區(qū)的下沉量，m；

Q—采動引起的水流流量，m3/h；

T—含水層導(dǎo)水系數(shù)，m2/d；

u—含水層流速，m/d，u=r2μ*/4Tt；

t—水位下降到最低點(diǎn)的所用的時間，d；

μ*—含水層的貯水系數(shù)，m2/d；

r—長觀孔距采動區(qū)域的距離，m.

式(1)反映了含水層水位降速與工作面來壓強(qiáng)度(活柱下縮量)之間的關(guān)系，KH為一段時間內(nèi)的平均水位降速，h為支架活柱下縮量。

根據(jù)7131工作面第II塊段的開采條件，煤層平均采高取3.5 m，假設(shè)發(fā)生壓架危險，工作面采煤機(jī)最小不可通過采高為2.7 m，即活柱下縮量最大為0.8 m；工作面面長為161 m；主關(guān)鍵層周期來壓步距取23 m；巖塊在采空區(qū)的下沉量為3.07 m；含水層導(dǎo)水系數(shù)137.8 m2/d；根據(jù)以往SQ8的水文數(shù)據(jù)資料，水位從開始下降到最低點(diǎn)所用的時間為6天左右；含水層的貯水系數(shù)1.5×10-5m2/d；長觀孔距采動區(qū)域的距離757.96 m；含水層流速u取值為0.002 6 m/d；函數(shù)f[r2μ*/(4Tt)]取值為140，代入公式(1)后，計算得出針對7131工作面的臨界水位降速預(yù)警值為315 mm/d，即在7131工作面第II塊段的開采過程中，若發(fā)現(xiàn)SQ8水位降速超過315 mm/d時，便需要及時提出預(yù)警。

根據(jù)7131工作面第III塊段的開采條件，煤層平均采高取3.6 m，假設(shè)發(fā)生壓架危險，工作面采煤機(jī)最小不可通過采高為2.7 m，即活柱下縮量最大為0.9 m；工作面面長為161 m；平均周期來壓步距取24.6 m；巖塊在采空區(qū)的下沉量為3.25 m；含水層導(dǎo)水系數(shù)137.8 m2/d；根據(jù)以往SQ8的水文數(shù)據(jù)資料，水位從開始下降到最低點(diǎn)所用的時間為8天左右；含水層的貯水系數(shù)1.5×10-5m2/d；長觀孔距采動區(qū)域中心的距離547.8 m；含水層流速u取值為0.002 6 m/d；函數(shù)f[r2μ*/(4Tt)]取值為140，代入公式(1)后，計算得出針對7131工作面的臨界水位降速預(yù)警值為507 mm/d，即在7131工作面第III塊段初采區(qū)域的開采過程中，若發(fā)現(xiàn)SQ8水位降速超過507 mm/d時，便需要及時提出壓架突水災(zāi)害預(yù)警。值得說明，該預(yù)警值適用于工作面距離SQ8長觀孔較近的區(qū)域，初步確定為第III塊段開采初期的前300 m，后期的預(yù)警需要根據(jù)工作面來壓情況進(jìn)行計算。

由于長觀孔水位變化與采動存在著微觀聯(lián)動與宏觀聯(lián)動效應(yīng)，有時當(dāng)天的水位下降量可能已經(jīng)達(dá)到了預(yù)警值，但是水位由于回采的結(jié)束而發(fā)生明顯、快速的上升，并沒有出現(xiàn)持續(xù)的大幅度下降，這種情況下的壓架突水災(zāi)害預(yù)警則應(yīng)按照以下步驟進(jìn)行：首先當(dāng)單日降速超過預(yù)警值時，需要對前2～3天的水位下降特點(diǎn)進(jìn)行綜合分析。通過計算近2～3天的平均降速，并與預(yù)警值對比，若發(fā)現(xiàn)水位呈連續(xù)下降現(xiàn)象，水位降深累計超過1 m，再結(jié)合工作面壓力情況，如果工作面普遍劇烈來壓并發(fā)生活柱大量下縮 的情況，那么需要發(fā)布壓架突水災(zāi)害預(yù)警。

4　建立壓架突水災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)

通過采集分析水位原始數(shù)據(jù)并進(jìn)行后期的處理分析，可以形成一套完整的基于長觀孔水位降速的壓架突水災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)，通過實(shí)時記錄、采集水位數(shù)據(jù)，利用軟件進(jìn)行自動分析后，計算得出實(shí)測的水位降速值。將實(shí)測水位降速值與理論計算所得的臨界水位降速預(yù)警值相比，確定是否需要進(jìn)行壓架突水預(yù)警。該方法能夠利用實(shí)時采集的水位數(shù)據(jù)，結(jié)合采動覆巖破壞特征，提高突水預(yù)警的時效性和準(zhǔn)確性。

運(yùn)用該方法進(jìn)行突水災(zāi)害預(yù)警時可按下述步驟進(jìn)行：

1) 建立長觀孔水位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。建立含水層水位變化的長觀孔水位觀測系統(tǒng)，包括地面觀測子站、水位數(shù)據(jù)的遙測系統(tǒng)、本地和遠(yuǎn)程用戶管理終端。

2) 選擇進(jìn)行水位預(yù)警數(shù)據(jù)來源的地面長觀孔。水位預(yù)警需要采集一個或是多個長觀孔的水位變化數(shù)據(jù)，所選用的長觀孔應(yīng)位于要預(yù)警的工作面附近，且對采動的敏感性較強(qiáng)。

3) 確定含水層及所對應(yīng)長觀孔的相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)。包括含水層水流流速、貯水系數(shù)、導(dǎo)水系數(shù)、水文觀測孔與采動區(qū)域間的距離等。

4) 確定所要預(yù)測工作面的基本參數(shù)和存在突水危險的臨界頂板下沉數(shù)據(jù)。工作面基本參數(shù)包括：煤層采高、主關(guān)鍵層來壓步距、工作面面長、煤層頂板與主關(guān)鍵層間基巖厚度、主關(guān)鍵層以下巖層的碎脹系數(shù)；假定存在突水危險時的臨界頂板下沉數(shù)據(jù)：工作面具有突水危險時關(guān)鍵層破斷塊體在端面和采空區(qū)的頂板下沉量等。

5) 計算突水危險臨界水位降速預(yù)警值。根據(jù)引起水位下降的基巖頂界面下沉漏斗體積等于采空區(qū)最大上傳空間體積的關(guān)系，反算當(dāng)工作面發(fā)生大面積切頂導(dǎo)致突水時能夠引起的最小水位降速值，作為防治突水災(zāi)害發(fā)生的臨界水位降速預(yù)警值。

6) 進(jìn)行工作面突水災(zāi)害預(yù)警。根據(jù)以上步驟所計算得到的臨界水位降速預(yù)警值，與長觀孔水位遙測系統(tǒng)所采集的實(shí)際水位降速值對比，若實(shí)測水位降速值小于理論計算的臨界水位降速預(yù)警值，則無突水危險；若實(shí)測水位降速值大于理論計算的臨界水位降速預(yù)警值，則存在突水危險。

7) 指導(dǎo)現(xiàn)場開采實(shí)踐。根據(jù)水位降速預(yù)警結(jié)果，對本礦的開采實(shí)踐進(jìn)行指導(dǎo)，在具有突水危險的工作面，需要及時采取防范措施；對于集團(tuán)級的用戶終端，可以及時了解、掌握工作面所面臨的危險狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)與礦級用戶的共同指揮。

5　總　結(jié)

通過以上研究發(fā)現(xiàn)，水位與采動之間存在聯(lián)動關(guān)系，即工作面回采便會引起長觀孔水位的升降變化。通過計算近2～3天的平均降速，并與預(yù)警值對比，若發(fā)現(xiàn)水位呈連續(xù)下降現(xiàn)象，水位降深累計超過1 m，再結(jié)合工作面壓力情況，如果工作面普遍劇烈來壓并發(fā)生活柱大量下縮的情況，那么需要發(fā)布壓架突水災(zāi)害預(yù)警，同時依據(jù)地質(zhì)條件建立了基于長觀孔水位降速的壓架突水災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)。

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