楊 帥，王 沉*，2，高雨文，朱獲天

(1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.重慶市能源投資集團(tuán)有限公司，重慶 400060)

采空區(qū)水一般積存量比較小，只有幾噸或幾 十噸[1]，但工作面采掘過(guò)程中一旦與采空區(qū)導(dǎo)通，將會(huì)對(duì)采掘活動(dòng)造成一定的安全隱患。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)采空區(qū)防治水機(jī)理及技術(shù)進(jìn)行了大量研究與實(shí)踐。田世雄等在收集以往綜采工作面采空區(qū)積水量計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，提出新的采空區(qū)積水量計(jì)算的方法，合理計(jì)算出礦井內(nèi)部以及周邊相鄰礦井采空區(qū)的積水量[2]。肖華等提出了綜合考慮采空區(qū)積水壓力和煤柱浸水衰減影響的礦井邊界煤柱留設(shè)計(jì)算新方法[3]。楊建敏等通過(guò)研究大巷下山煤柱應(yīng)力分布，老空區(qū)積水賦存狀態(tài)，建立水力滲透模型，分析大面積老空水運(yùn)移規(guī)律及周圍工作面水力聯(lián)系[4]。劉軍榮通過(guò)原位取芯、頂板窺視、礦物組分測(cè)試等方法對(duì)防治水技術(shù)措施進(jìn)行了研究，并提出布置探放鉆孔的方法對(duì)采空區(qū)積水進(jìn)行治理[5]。鄭磊等人提出了采前疏放與采后疏排相結(jié)合、留設(shè)防水防沙煤巖柱、引流工程與地表裂縫回填相結(jié)合的技術(shù)方案[6]。劉德旺提出了深部開(kāi)采以疏水降壓為主、注漿為輔的底板防治水技術(shù)措施[7]。郭星星等采用定向鉆孔技術(shù)將上覆煤層采空區(qū)內(nèi)的積水疏放到下組煤巷道內(nèi)水倉(cāng)或水窩中[8]。白玉峰通過(guò)分析煤層賦存情況，對(duì)水患分析情況進(jìn)行了預(yù)計(jì)，依據(jù)煤礦防治水規(guī)程對(duì)探放水工程進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)踐應(yīng)用效果表明該設(shè)計(jì)能有效地疏干采空區(qū)積水[9]。王革良等根據(jù)積水情況對(duì)工作面的影響程度進(jìn)行了預(yù)判，并提出了探放水工作采用分區(qū)布置鉆場(chǎng)、垂直角度大孔徑鉆孔設(shè)計(jì)、鉆孔終孔位置布置在上部采空區(qū)巷道內(nèi)側(cè)等工藝，取得了較好的探放水效果[10],另外，利用物探與鉆探相結(jié)合確定富水異常區(qū)及出水量[11]。

綜上，以涼水井431首采工作面作為研究對(duì)象，對(duì)近距離煤層下水文地質(zhì)進(jìn)行探索和總結(jié)，從而形成符合生產(chǎn)實(shí)際的防治水技術(shù)，為相似條件下礦井提供技術(shù)參考。

1 工程概況

涼水井礦431盤區(qū)位于涼水井礦首采421盤區(qū)正下方，盤區(qū)東西長(zhǎng)約2.8 km，南北長(zhǎng)約5.73 km，可采儲(chǔ)量1 174萬(wàn)t，煤層傾角為1°，底板巖層內(nèi)摩擦角為30°。目前，431盤區(qū)上覆9個(gè)工作面已回采完畢，并且工作面采空區(qū)均存在不同程度的積水現(xiàn)象，盤區(qū)內(nèi)4-2煤與4-3煤層平均間距為24.92 m，盤區(qū)開(kāi)采時(shí)導(dǎo)水裂隙有可能導(dǎo)通上覆采空區(qū)，給工作面開(kāi)采帶來(lái)安全隱患。

根據(jù)421盤區(qū)積水區(qū)域，得到431盤區(qū)工作面上覆采空區(qū)積水分布，如圖1所示。為保障采空區(qū)下工作面的安全回采，對(duì)431盤區(qū)首采工作面(43101)的導(dǎo)水高度進(jìn)行預(yù)測(cè)，分析涌水通道分布特征，并在工作面回采期間制定有效的上覆采空區(qū)涌水治理方案。

圖1 431盤區(qū)上覆采空區(qū)積水分布圖

2 工作面導(dǎo)水高度發(fā)育特征

2.1 理論分析

431盤區(qū)工作面導(dǎo)水發(fā)育高度，分別為431盤區(qū)工作面開(kāi)采導(dǎo)水裂隙發(fā)育及421盤區(qū)工作面底板裂隙發(fā)育。

2.1.1431盤區(qū)工作面開(kāi)采導(dǎo)水裂隙帶高度

431盤區(qū)煤層采用長(zhǎng)壁開(kāi)采方法，煤層為近水平煤層，覆巖為中硬巖層，近距離煤層開(kāi)采時(shí)導(dǎo)水裂隙帶高度Hd為[12]：

(1)

式中，∑M為累計(jì)采高，為1.1～1.4 m。

計(jì)算得到，431盤區(qū)煤層開(kāi)采時(shí)導(dǎo)水裂隙帶高度為30.6～33.7 m。

2.1.2421盤區(qū)煤層采空區(qū)底板裂隙發(fā)育深度

421盤區(qū)煤層開(kāi)采后引起底板破壞，其破壞深度與開(kāi)采范圍及采空區(qū)周圍的支承壓力分布有關(guān)，其破壞深度計(jì)算公式[13]：

(2)

計(jì)算得到：421盤區(qū)工作面采空區(qū)底板裂隙發(fā)育深度為9.2 m。因此，431盤區(qū)煤層工作面導(dǎo)水發(fā)育高度為：

(3)

根據(jù)431盤區(qū)煤厚分布特征，以及導(dǎo)水裂隙發(fā)育特征，繪制431盤區(qū)工作面導(dǎo)水發(fā)育高度等值線圖，如圖2所示。

圖2 431盤區(qū)內(nèi)導(dǎo)水高度等值線圖

431盤區(qū)內(nèi)工作面導(dǎo)水發(fā)育高度在39.8～42.7 m。431盤區(qū)內(nèi)4-2與4-3煤間距為21.99 m～29.2 m，平均24.92 m，間距比較穩(wěn)定，東南部較大，間距最小點(diǎn)位于盤區(qū)中部，從北向南變化較小。4-2與4-3煤間距等值線圖如圖3所示。

圖3 431盤區(qū)內(nèi)4-2煤與4-3煤間距等值線圖

431盤區(qū)工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度大于4-2與4-3煤層間距，即421盤區(qū)采空區(qū)積水能通過(guò)導(dǎo)水裂隙涌入431盤區(qū)工作面，造成工作面開(kāi)采的安全隱患。

2.2 數(shù)值模擬

參照431工作面實(shí)際條件，建立工作面采掘的UDEC2D數(shù)值模型，模擬43101工作面采掘過(guò)程，揭示工作面裂隙發(fā)育特征。

2.2.1模型建立

建立工作面采掘的UDEC2D數(shù)值模型，模型建至地表，模型尺寸為300 m×195 m(長(zhǎng)度×高度)，如圖4所示，模擬采用莫爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則，模型側(cè)邊與底邊固定位移邊界，上部施加均布載荷q，可用q=γh表示[14]，其中γ為上覆巖層的平均體積力，h為模型上邊界埋深。煤巖體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖層力學(xué)參數(shù)

圖4 數(shù)值模型

2.2.2首采工作面導(dǎo)水裂隙發(fā)育情況

基于涼水井礦431盤區(qū)實(shí)際生產(chǎn)條件，取43101工作面長(zhǎng)度為160 m，分別研究沿工作面傾向、走向方向工作面導(dǎo)水裂隙發(fā)育規(guī)律。

(1)沿工作面傾向方向

為充分掌握工作面傾向方向的裂隙發(fā)育特征，數(shù)值計(jì)算中充分考慮4-2煤層工作面開(kāi)采現(xiàn)狀，結(jié)果如圖5所示。

圖5 沿傾向方向?qū)严栋l(fā)育情況

沿工作面傾向方向，42101工作面開(kāi)采的底板裂隙發(fā)育范圍較小，不能導(dǎo)通43101工作面；43101工作面開(kāi)采導(dǎo)水裂隙主要位于工作面兩端頭附近；由回風(fēng)巷向工作面內(nèi)30 m及運(yùn)輸巷向工作面內(nèi)35 m范圍。43101工作面回采期間輔運(yùn)巷上方導(dǎo)水裂隙較少，未能溝通上覆采空區(qū)，輔運(yùn)巷不會(huì)出現(xiàn)巷道涌水現(xiàn)象。

(2)沿工作面走向方向

在4-2煤層工作面開(kāi)挖平衡后，沿43101工作面走向方向開(kāi)挖，步距為5 m，工作面推進(jìn)距離為100 m，43101工作面頂板導(dǎo)水裂隙發(fā)育情況，如圖6所示。

圖6 沿走向不同推進(jìn)距離導(dǎo)水裂隙發(fā)育情況

沿工作面走向方向，43101工作面推進(jìn)過(guò)程中，頂板導(dǎo)水裂隙帶逐漸向4-2煤層采空區(qū)發(fā)育；工作面由開(kāi)切眼至推進(jìn)距離30 m范圍內(nèi)，頂板導(dǎo)水裂隙不能夠?qū)ㄉ细膊煽諈^(qū)，如圖5(a)所示；推進(jìn)距離為35 m時(shí)，43101工作面采空區(qū)中部導(dǎo)水裂隙首先與42101工作面采空區(qū)導(dǎo)通，上覆采空區(qū)積水開(kāi)始通過(guò)裂隙涌入43101采工作面采空區(qū)；推進(jìn)距離為40 m時(shí)，工作面處及采空區(qū)邊界處導(dǎo)水裂隙開(kāi)始與上覆采空區(qū)導(dǎo)通，上覆采空區(qū)積水可以通過(guò)裂隙涌入43101工作面，工作面會(huì)產(chǎn)生積水現(xiàn)象，影響工作面的正常生產(chǎn)，如圖5(b)所示；隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，工作面?zhèn)葘?dǎo)水裂隙繼續(xù)發(fā)育，并保持持續(xù)貫通上覆采空區(qū)，如圖5(c)所示；同時(shí)沿工作面走向方向上，工作面采空區(qū)中部的裂隙逐漸被壓實(shí)，在推進(jìn)距離為100 m時(shí)，采空區(qū)中部裂隙完全閉合，有效導(dǎo)水裂隙主要分布在工作面?zhèn)燃安煽諈^(qū)深部，如圖5(d)所示。

綜上，43101工作面導(dǎo)水裂隙通道分為傾向?qū)严锻ǖ?、走向?qū)严锻ǖ?。傾向?qū)严锻ǖ乐饕植荚?3101工作面兩端，回風(fēng)巷側(cè)30 m、運(yùn)輸巷側(cè)35 m范圍，在工作面推進(jìn)過(guò)程中，傾向?qū)严栋l(fā)育范圍基本保持不變。走向?qū)严锻ǖ乐饕譃椴煽諈^(qū)深部邊界處、采空區(qū)中部、工作面?zhèn)?，工作面由開(kāi)切眼推進(jìn)距離為35 m時(shí)，采空區(qū)中部導(dǎo)水裂隙開(kāi)始貫通上覆采空區(qū)，在工作面繼續(xù)推進(jìn)的過(guò)程中，導(dǎo)水裂隙逐漸發(fā)育并最終閉合，在工作面推進(jìn)距離為100 m時(shí)，導(dǎo)水裂隙閉合；工作面推進(jìn)40 m時(shí)，采空區(qū)深部邊界處、工作面?zhèn)葘?dǎo)水裂隙首次貫通上覆采空區(qū)，在工作面后續(xù)推進(jìn)過(guò)程中，導(dǎo)水裂隙保持貫通上覆采空區(qū)，工作面?zhèn)葘?dǎo)水裂隙超前4-2煤層上覆采空區(qū)15～20 m，采空區(qū)邊界側(cè)導(dǎo)水裂隙在工作面推進(jìn)至100 m左右開(kāi)始趨于穩(wěn)定。

基于掌握工作面導(dǎo)水裂隙發(fā)育情況條件下，對(duì)43101工作面防治水體系的建立主要為明確涌水通道的分布特性，得到適和的探放水方案。

3 工作面涌水分布特征

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，得到43101工作面開(kāi)采上覆采空區(qū)積水分布，如圖7所示，采空區(qū)積水主要分布在A、B兩區(qū)域，其中B區(qū)域位于431盤區(qū)保護(hù)煤柱線以內(nèi)，根據(jù)涌水通道可以判斷B區(qū)域積水對(duì)于43101工作面的開(kāi)采不會(huì)造成影響，為此工作面開(kāi)采期間主要考慮A區(qū)域內(nèi)采空區(qū)積水。

根據(jù)43101工作面傾向及走向裂隙發(fā)育特征，繪制出43101工作面上覆采空區(qū)積水導(dǎo)通區(qū)域，如圖7(b)所示。

3.1.5 避免空氣栓塞 空氣栓塞是中心靜脈置管護(hù)理最嚴(yán)重的并發(fā)癥，可造成肺動(dòng)脈栓塞引起患者死亡。特別對(duì)頭高位和低血容量的患者尤應(yīng)重視。輸液器、肝素帽及三通管各個(gè)接頭處要銜接牢固。在輸液過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)巡視，及時(shí)更換液體。

圖7 43101工作面積水分布圖

根據(jù)傾向方向裂隙發(fā)育特點(diǎn)，可以得出42101工作面采空區(qū)積水均能夠通過(guò)傾向涌水通道涌入43101工作面，受上覆殘留煤柱的影響，42102工作面采空區(qū)未導(dǎo)通43101工作面；根據(jù)走向工作面?zhèn)攘严栋l(fā)育超前上覆采空區(qū)的特點(diǎn)，得到43101工作面涌水區(qū)域?yàn)椋砷_(kāi)切眼至回風(fēng)巷側(cè)推進(jìn)556 m，膠運(yùn)巷側(cè)推進(jìn)562 m范圍。

綜上，為確保43101工作面在掘進(jìn)、回采期間的安全推進(jìn)，考慮上覆采空區(qū)積水的威脅，針對(duì)43101工作面首先需進(jìn)行巷道超前探放水工作，后在工作面巷道系統(tǒng)形成后，開(kāi)展相應(yīng)的工作面頂板疏放水工程，并提出合理的工作面排水實(shí)施方案。

4 探放水方案

43101工作面防治水工程主要包括回采巷道掘進(jìn)期間、工作面回采前期及工作面回采期間三個(gè)階段。

受上覆4-2煤層工作面采空區(qū)積水的影響，43101工作面巷道掘進(jìn)期間，采用物探與鉆探相結(jié)合的綜合探測(cè)技術(shù)，合理運(yùn)用水文地質(zhì)物探技術(shù)，以物探指導(dǎo)鉆探，查清上覆采空區(qū)積水分布特征。

工作面準(zhǔn)備完畢后，在工作面開(kāi)始回采前期，利用直流電法與瞬變電磁法相結(jié)合的方法對(duì)工作面疑似含水區(qū)進(jìn)行超前勘探，確定首采工作面積水區(qū)位置。

本次瞬變電磁的勘探網(wǎng)格為40 m(線距)×20 m(點(diǎn)距)，在疑似含水區(qū)上東西向布置直流電測(cè)深勘探線1條，點(diǎn)距100 m，如圖8所示。

圖8 首采工作面地面物探示意圖

針對(duì)地面直流電法和瞬變電磁物探結(jié)果，繪制工作面疑似含水區(qū)分布圖，對(duì)工作面上覆采空區(qū)積水區(qū)進(jìn)行二次探放水作業(yè)，對(duì)于小區(qū)域內(nèi)的上覆采空區(qū)積水按照掘進(jìn)期間的疏放水原則進(jìn)行疏放，對(duì)于大面積積水區(qū)域，采取施工疏放水鉆場(chǎng)的方法進(jìn)行疏放上覆采空區(qū)積水，如圖9所示。根據(jù)43101工作面上覆4-2煤層底板等高線，使疏水鉆孔終孔位置應(yīng)盡量處在上覆采空區(qū)低洼區(qū)，在膠運(yùn)巷和回風(fēng)巷同時(shí)施工，合理布置打鉆方向及位置，確保最大程度的對(duì)上覆采空區(qū)積水進(jìn)行疏放。

圖9 疏水鉆場(chǎng)及鉆孔布置示意圖

43101工作面未實(shí)施準(zhǔn)備工程量以前，上覆42101工作面采空區(qū)涌水量穩(wěn)定在20 m3/h，經(jīng)回采巷道超前探放水、工作面超前探放水作業(yè)后，上覆采空區(qū)積水大部分得到疏放，有效地解決工作面內(nèi)部積水治理問(wèn)題。

5 結(jié)論

(1)理論計(jì)算中431盤區(qū)工作面導(dǎo)水發(fā)育高度在39～43 m，盤區(qū)內(nèi)4-2與4-3煤間距為21.99～29.2 m，則421盤區(qū)采空區(qū)積水通過(guò)導(dǎo)水裂隙涌入431盤區(qū)工作面。

(2)數(shù)值模擬中傾向涌水通道主要位于工作面兩端，回風(fēng)巷側(cè)30 m、運(yùn)輸巷側(cè)35 m范圍；走向?qū)严栋ú煽諈^(qū)深部邊界處、采空區(qū)中部、工作面?zhèn)?，采空區(qū)中部導(dǎo)水裂隙經(jīng)歷“閉合-導(dǎo)通-閉合”的發(fā)育過(guò)程，走向涌水通道主要分布在采空區(qū)深部邊界及工作面?zhèn)龋ぷ髅鎮(zhèn)瘸?-2煤層上覆采空區(qū)15～20 m，采空區(qū)邊界側(cè)導(dǎo)水裂隙在工作面推進(jìn)至100 m左右開(kāi)始趨于穩(wěn)定。

(3)針對(duì)431上覆采空區(qū)涌水危險(xiǎn)區(qū)域，建立掘進(jìn)期間物探與鉆探相結(jié)合的綜合探測(cè)技術(shù)及回采期間工作面超前探放水的近距離煤層采空區(qū)下綜采工作面防治水技術(shù)體系，能有效解決工作面積水問(wèn)題。