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        ★ 煤礦安全 ★

        上覆采空區積水煤層開采突水危險性研究

        陳 超

        (山西天地王坡煤業有限公司,山西省晉城市,048021)

        摘 要 為了摸清王坡煤礦15號煤層開采是否受上覆3號煤層采空區積水威脅,理論分析了3號煤層與15號煤層之間主關鍵層的位置、基采比、關鍵層破斷裂隙貫通的臨界高度等參數,預測原始條件下開采15號煤層覆巖導水裂縫帶高度為69.13 m;采用經驗公式,計算得出原始條件下開采15號煤層覆巖導水裂縫帶高度為64.82~86.76 m。采用雙端堵水器試驗法實測了3號煤層采動影響底板破壞深度為20.39 m;采用經驗公式計算得出3號煤層采動影響底板破壞深度為19.44 m。由于3號煤層與15號煤層之間平均間距為88.02 m,且大采高和放頂煤開采的垮落帶和導水裂縫帶高度要比分層開采高,經綜合分析得出,開采15號煤層將面臨上覆3號煤層采空區積水威脅,開采前需對上覆3號煤層采空區積水進行疏放。

        關鍵詞 上覆采空區;采空區積水;主關鍵層;導水裂縫帶;底板破壞深度

        華北型煤田經歷一個多世紀的大規模開采,大部分煤礦上組煤資源瀕臨枯竭,進入深部下組煤開采,圍繞深部煤層開采頂板上覆含水層(體)、底板下伏含水層突水機理、水害治理技術等科技問題,國內外學者開展了大量的研究[1-4]。劉天泉[5]通過理論分析及長期的工程試驗提出了煤層頂板突水“上三帶”理論,認為煤層開采將在上覆巖層中形成垮落帶、裂縫帶和彎曲下沉帶,其中垮落帶和裂縫帶會成為導水通道;李白英[6]在多年的奧灰透水機理研究及實踐中提出了“下三帶”理論,認為承壓水體上開采存在底板導水破壞帶、有效隔水層保護帶和承壓水導升帶;錢鳴高[7]利用薄板理論將底板各隔水層劃分為若干個隔水能力不同的巖層,認為一些較為堅硬的厚巖層在采場上覆巖體的變形和破壞中起著主要的控制作用,對底板突水起著決定作用的一層隔水層作為關鍵層;許家林[8-9]提出了基于關鍵層位置的導水裂縫帶高度預計方法,認為關鍵層破斷裂縫貫通的臨界高度可以粗略按(7~10)M(M為煤層采厚)估算;趙兵朝[10-12]研究認為主關鍵層在覆巖中的位置與基載比和基采比存在一定的關系;楊國勇[13]基于層次分析-模糊聚類分析法確定了各影響因素的權重,預計導水裂縫帶發育高度與實際情況較為相符;衛兆祥[14]應用統計學理論、數值模擬、現場實測等手段分析了煤層底板破壞深度。雖然以上研究對頂板導水裂縫帶和煤層底板破壞深度進行了深度探究,但均沒有將兩者結合研究應用于煤層突水危險性評價。

        筆者以王坡煤礦即將開采的15號煤層是否會導通上覆3號煤層采空區積水為研究對象,通過對底板破壞深度和頂板導水裂縫帶發育高度的預測,分析評價王坡煤礦上覆采空區積水條件下開采下組中厚煤層的突水危險性,為礦井老空水水害防治工作提供技術依據,以期對同類型煤礦防治水害工作提供一定借鑒。

        1 礦井概況

        王坡煤礦位于華北型煤田沁水煤田中東部,主要含煤地層為二疊系山西組和石炭系太原組,主要可采煤層為山西組3號煤層和太原組15號煤層。3號煤層平均厚度5.27 m,15號煤層厚度為2.33~5.48 m,平均厚度3.40 m,煤層傾角0°~12°,平均傾角6°,屬緩傾斜煤層;3號煤層和15號煤層間距平均88.02 m,巖性主要為含生物碎屑及燧石灰巖、砂巖、粉砂質泥巖、泥巖及煤層(線)等,幾種巖性呈交替出現的互層狀。砂巖極限抗壓強度為26.97~80.51 MPa,屬中等堅硬-堅硬巖石,石灰巖極限抗壓強度為41.2~70.0 MPa,平均極限抗壓強度55.5 MPa,屬堅硬巖石。目前開采3號煤層,即將進入深部15號煤層開拓。

        2 15號煤層頂板導水裂縫帶高度預計

        2.1 關鍵層理論預計導水裂縫帶高度

        礦井15號煤層尚未采掘,無法獲取實測數據[15],筆者基于“關鍵層”理論,由文獻[10-12]可知,主關鍵層在覆巖中的位置與基載比(JC)和基采比(JZ)存在如下關系:當JZ<0.8、JC<10~15時主關鍵層位于“垮落帶”,當JZ<0.8、10~15<JC<25~30時,主關鍵層位于“裂縫帶”,當JZ>0.8、JC>25時主關鍵層位于“彎曲下沉帶”。本次研究3號煤層與15號煤層均為基巖段厚度88.02 m,無松散層,只計算基采比為25.88(>25)的情況,初步推斷主關鍵層位于彎曲下沉帶。由文獻[8-9]可知,關鍵層破斷裂隙貫通的臨界高度可以粗略按(7~10)M(M為煤層厚度)估算,煤層平均厚度3.40 m,估算的關鍵層破斷裂隙貫通的臨界高度最大值為34 m,第2、4、7層亞關鍵層被破斷裂隙貫通,導水裂縫帶將發育至34 m上方最近的關鍵層底部,即16層巖層底部。結合兩種結果,可推斷第16層7.7 m厚的細粒砂巖為主關鍵層,并且處于彎曲下沉帶,所以覆巖導水裂縫帶最大發育高度最大值約為第16層巖層底部距15號煤層頂板的垂直距離69.13 m,關鍵層位置判別如圖1所示。

        2.2 經驗公式預計導水裂縫帶高度

        3號煤層和15號煤層間距平均88.02 m,通過圖1可以看出巖性主要為含生物碎屑及燧石灰巖、砂巖、粉砂質泥巖、泥巖及煤層(線)等,多屬堅硬巖層。目前,應用最為普遍的導水裂縫帶發育高度經驗公式主要有《煤礦防治水細則釋義》和《煤礦床水文地質、工程地質及環境地質勘查評價標準》中推薦的統計經驗公式,計算結果見表1。

        表1 開采15號煤層導水裂縫帶高度計算

        采用規范覆巖巖性推薦公式煤層厚度/m計算值/m《煤礦防治水細則釋義》堅硬Hd=100∑M1.2∑M+2.0+8.9Hd=30∑M+103.4064.8265.31《煤礦床水文地質、工程地質及環境地質勘查評價標準》堅硬Hd=100M2.4n+2.1+11.23.4086.76

        注:Hd為導水裂縫帶高度;∑M為累計采厚;n為煤層分層數

        圖1 關鍵層位置判別

        經驗公式主要適應于采用單一薄及中厚煤層或厚煤層分層開采,它是在大量實測數據的基礎上,采用數學化思路,考慮煤層傾角、頂板管理方法,將覆巖巖性的強度和厚度運用數理統計方法加權平均后分類為堅硬、中硬、軟弱、極軟弱等,以煤層厚度為唯一參數,推導出的數學公式,在很長時間內滿足了我國煤礦水體下采煤設計要求。根據15號煤層初步設計在煤層厚度低于2.8 m時采用一次采全高,大于2.8 m時采用放頂煤開采。一次采全高或分層開采時,垮落帶和裂縫帶的高度與采高呈近似直線關系,水平至傾斜煤層厚煤層分層開采或近距離煤層群重復開采條件下,垮落帶和裂縫帶高度增大幅度隨分層次數增加而遞減;而大采高和放頂煤開采的垮落帶和導水裂縫帶高度要比分層開采高[15]。

        3 3號煤層底板破壞深度研究

        根據“下三帶”理論,煤層底板受采動礦壓影響,底板巖層的完整性受到破壞,產生各種裂隙,破壞了巖層的阻水能力[6]。目前研究煤層底板采動破壞深度主要有現場觀測、經驗公式計算、理論估計等手段。

        3.1 煤層底板破壞深度觀測

        本次以王坡煤礦正在回采的3310綜放工作面為試驗場地。工作面設計長度2 083 m,開切眼斜長175 m,走向南北,傾向東西,煤層傾角2°~8°,平均傾角4°,煤厚5.1~5.6 m,平均5.4 m,工作面整體為一單斜構造,東北高西南低,平均標高+450 m;地表為構造剝蝕中低山區,溝谷發育,切割較破碎,地形坡度多為20°~30°,總的地勢為中部及東北部高,北部、南部及東部低,最高點位于工作面東北部的山梁上,最低點位于南部的沖溝中,平均海拔+1 050 m,開采深度平均500 m。

        由于各個煤田礦區地質條件的差別,對底板破壞深度的觀測研究的方法也多種多樣,由于其各自適用條件的不同,在不同煤田礦區觀測得到的結果也不盡相同。其中大多數方法在各自煤田礦區觀測應用中都取得較好效果,幾乎都得到了有效的底板破壞深度,能夠很好地指導煤礦底板防治水工作。目前國內常用的底板破壞深度觀測研究方法有鉆孔注水法、電磁波法、鉆孔聲波法、震波CT技術、超聲成像法、應力應變技術等。在王坡煤礦采礦地質條件基礎上,綜合考慮各種方法的優缺點,計劃采用鉆孔注水法觀測底板破壞深度。本次采用鉆孔注水法之一的雙端堵水器試驗法,該方法的實質性特點是在井下采煤工作面周圍選擇合適的觀測場所,例如可在相鄰工作面巷道(軌中巷)或可測工作面停采線或開切眼以外的巷道中開掘鉆窩(機房),向工作面下方打俯斜鉆孔。在工作面回采前可以研究底板巖層的原始裂隙發育規律,在工作面回采以后可以研究煤層底板的破壞深度。綜合考慮工作面采掘進度及巷道情況,選擇3310工作面規劃停采線齊平位置及停采線后50 m作為觀測位置,施工位置為距3310工作面35 m的3308運輸巷。依據采動底板的“倒馬鞍形”破壞原則,在3310工作面采后30 d內進行觀測施工,3308運輸巷設置2個觀測鉆場,每個鉆場各布置2個鉆孔,共布置4個鉆孔,如圖2所示。在停采線位置設置鉆場1,向3310已采工作面區域底板打2個鉆孔進行觀測,鉆場1觀測完畢后,在停采線后50 m位置設置鉆場2,向3310面停采線后未采區域底板打2個鉆孔進行觀測,見表2。

        表2 3號煤層底板破壞深度實驗觀測孔設計參數表

        鉆孔施工位置平距/m垂距/m孔深/m傾角/(°)方位角/(°)觀測段(孔深段)/mZ-1Z-23308運輸巷與3310工作面停采線平齊位置562063-2029539~60562262.5-2229539~60Z-3Z-43308運輸巷與3310工作面停采線后50 m平齊位置552063-2030639~60552263-2230639~60

        圖2 觀測孔平面布置圖

        鉆場1鉆孔沖洗液漏失量變化如圖3所示。由圖3(a)可以看出,Z-1號鉆孔深度小于44 m時,漏失量為0.1 L/s左右,44 m處漏失量突然增大,為0.8 L/s,并且鉆進過程中有塌孔、卡鉆現象,鉆孔開始漏水,表明進入破碎帶邊緣;隨著探測深度的增大,直至59 m時漏失量減小,44~58 m漏失量基本大于0.5 L/s,最大為1.9 L/s;59 m位置有卡鉆、掉塊現象,之后漏失量明顯減小,表明58 m為裂縫帶頂點,則底板破壞深度為20.18 m。由圖3(b)可以看出,Z-2號鉆孔深度小于41 m時,漏失量為0.05 L/s左右,41 m處漏失量突然增大,為0.8 L/s,并且鉆進過程中有塌孔、卡鉆現象,鉆孔開始漏水,表明進入破碎帶邊緣;隨著探測深度的增大,直至56 m時漏失減小,41~56 m漏失量基本大于0.6 L/s,最大為1.8 L/s;55 m位置有卡鉆、掉塊現象,之后漏失量均小于0.1 L/s,表明56 m為破碎帶頂點,則底板破壞深度為20.39 m。

        圖3 鉆場1鉆孔沖洗液漏失量變化

        鉆場2鉆孔沖洗液漏失量變化如圖4所示。由圖4(a)可以看出,Z-3號鉆孔施工過程中無漏水塌孔現象,在整個測試過程中,漏失量無較大變化,漏失量為0.05 L/s左右,最大為0.1 L/s,說明該鉆孔巖層基本穩定,無較大裂隙產生。由圖4(b)可以看出,Z-4號鉆孔施工過程中無漏水塌孔現象,鉆孔在整個測試過程中,漏失量無較大變化,漏失量為0.06 L/s左右,最大為0.09 L/s,說明該鉆孔巖層基本穩定,無較大裂隙產生。

        圖4 鉆場2鉆孔沖洗液漏失量變化

        試驗段透水率、鉆孔測試過程中的壓力值(P)和流量值(Q)按下式計算:

        (1)

        式中:q——試段的透水率,Lu;

        L——試段長度,m;

        Q——漏失量,L/min;

        P——水壓,MPa。

        鉆孔各試驗段透水率計算結果見表3。

        表3 鉆孔各試段透水率計算表

        孔號39~40 m40~41 m41~42 m42~43 m43~44 m44~45 m45~46 mZ-1號10162012160300260Z-2號10160120240280300240Z-3號410162061610Z-4號410121061612孔號46~47 m47~48 m48~49 m49~50 m50~51 m51~52 m52~53 mZ-1號380240340220140340280Z-2號320220340220140360300Z-3號810181041012Z-4號1812101216128孔號53~54 m54~55 m55~56 m56~57 m57~58 m58~59 m59~60 mZ-1號2601003402402202010Z-2號2601201220162010Z-3號1610412161210Z-4號161041214128

        經過對3310工作面停采線位置鉆場1進行觀測可得,3號煤層開采底板采動破壞帶漏失量為0.5~2.0 L/s,采動破壞帶發育深度為20.39 m,破壞帶透水率為140~380 Lu,說明裂隙發育比較明顯。經過對3310工作面停采線后50 m位置鉆場2進行觀測可得,3號煤層開采底板漏失量為0.05~0.10 L/s,透水率為4~20 Lu,說明3號煤層開采底板巖層基本穩定,無較大裂隙產生,采動破壞影響波及超前范圍小于50 m。

        3.2 經驗公式預計底板破壞深度

        國內學者對因采動影響造成的煤層底板破壞深度開展了大量的實際觀測,通過對觀測數據的研究發現,在考慮煤層傾角和開采深度的情況下,推導出采動影響底板破壞深度公式為:

        h1=0.0085H+0.1665α+0.1079L1-4.3579

        (2)

        式中:h1——采礦對底板擾動的破壞深度,m;

        H——開采深度,m;

        α——煤層傾角,(°);

        L1——工作面斜長,m。

        3310工作面平均開采深度500 m,煤層傾角2°~8°,平均4°,工作面開切眼斜長175 m,將相關數值代入式(2),計算得3號煤層底板采動導水破壞帶深度為19.44 m。

        4 突水危險性綜合評價

        前文基于關鍵層理論預計的開采15號煤層導水裂縫帶的發育最大高度約為69.13 m,3個經驗公式預計的發育高度分別約為64.82、65.31、86.76 m,所以開采15號煤層導水裂縫帶的發育高度范圍約為64.82~86.76 m之內。受3號煤層采動破壞影響,底板巖層受到破壞的深度雙端堵水器試驗法測算值約為20.39 m,規程中經驗公式預計值約為19.44 m,所以受3號煤層采動破壞影響底板破壞深度的范圍為19.44~20.39 m。

        因各礦井的采礦地質條件各異,經驗公式計算和理論估計往往與實際情況產生較大誤差,所以現場觀測應用最為廣泛和準確[16-18],本次對底板破壞深度開展了實測,所以底板破壞深度取值20.39 m?!睹旱V防治水細則釋義》經驗公式預計導水裂縫帶發育高度加上3號煤層底板破壞深度總高度約為85.21~85.70 m,略小于3號煤層與15號煤層平均間距88.02 m,開采15號煤層不受上覆3號煤層采空區積水影響;《煤礦床水文地質、工程地質及環境地質勘查評價標準》經驗公式預計的導水裂縫帶發育高度加上3號煤層底板破壞深度總高度約為107.15 m,大于3號煤層與15號煤層平均間距,開采15號煤層將受上覆3號煤層采空區積水威脅;基于關鍵層理論預計的開采15號煤層導水裂縫帶的發育高度加上3號煤層底板破壞深度總高度約為89.52 m,大于3號煤層與15號煤層平均間距,開采15號煤層將受上覆3號煤層采空區積水威脅。文中導水裂縫帶發育高度采用的是分層開采經驗公式預計,根據實踐經驗大采高和放頂煤開采的垮落帶和裂縫帶高度要比分層開采高[15],所以預計3號煤層底板破壞帶將與原始狀態下15號煤層頂板裂縫帶貫通,實際導水裂縫帶會直接貫通3號煤層采空區,開采15號煤層將受上覆3號煤層采空區積水威脅,開采15號煤層前需對上覆3號煤層采空區積水進行疏放。

        5 結語

        (1)將“上三帶”中導水裂縫帶、“下三帶”中底板破壞深度、關鍵層等理論應用于開采上覆采空區積水條件下的煤層,實測得到3號煤層受采礦影響實際的底板破壞深度,通過理論預測了15號煤層在原始條件下的導水裂縫帶發育高度,二者相加的高度大于3號煤層與15號煤層之間的間距,得出開采15號煤層將受上覆3號煤層采空區積水威脅的結論。

        (2)后期開采15號煤層時在首采面開展疏放水工程后進行采空區水疏放效果評價,確保疏干放凈后方可進行回采;理論計算和實際情況存在誤差,首采面在回采過程中要及時開展15號煤層導水裂縫帶發育高度的實測研究;15號煤層底板下伏高承壓奧灰含水層,還應同時開展15號煤層“下三帶”研究。

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        Study on water inrush risk of coal seam with accumulated water in overlying goaf

        CHEN Chao

        (Shanxi Tiandi Wangpo Coal Industry Co., Ltd., Jincheng, Shanxi 048021, China)

        Abstract In order to find out whether the mining of No. 15 coal seam in Wangpo Coal Mine was threatened by the goaf water of No. 3 coal seam, the parameters such as the position of the main key layer between No. 3 coal seam and No. 15 coal seam, the ratio of base thickness to mining thickness and the critical height of the fracture penetration of the key layer were theoretically analyzed, and it was predicted that the height of water conducting fracture zone in the overlying rock of No. 15 coal seam under the original conditions was 69.13 m, while it was calculated as 64.82~86.76 m by empirical formula. The floor failure depth under the influence of No.3 coal seam mining was measured as 20.39 m by double-end water shutoff test method, while it was calculated as 19.44 m by empirical formula. As the average distance between No. 3 coal seam and No. 15 coal seam was 88.02 m, and the height of caving zone and water conducting fracture zone during large mining height mining or top-coal caving mining was higher than that during layered mining, so it was concluded through comprehensive analysis that the mining of No. 15 coal seam would face the threat of goaf water of overlying No. 3 coal seam, it was necessary to drain the goaf water before mining of No. 15 coal seam.

        Key words overlying goaf; goaf water; main critical layer; water conducting fracture zone; floor failure depth

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        引用格式:陳超.上覆采空區積水煤層開采突水危險性研究[J].中國煤炭,2021,47(10)∶31-37. doi:10.19880/j.cnki.ccm.2021.10.005

        CHEN Chao.Study on water inrush risk of coal seam with accumulated water in overlying goaf[J].China Coal, 2021,47(10)∶31-37. doi:10.19880/j.cnki.ccm.2021.10.005

        基金項目:中煤科工能源科技發展有限公司項目資助(2020QN01)

        作者簡介:陳超(1988-),男,漢族,江蘇徐州人,碩士,工程師/注冊安全工程師,主要從事礦山地質與水文地質技術管理工作。E-mail:867826653@qq.com

        中圖分類號 TD745.21

        文獻標志碼 A

        (責任編輯 張艷華)

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