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晋华宫煤矿在煤矿地质防治水中的技术研究

2024-12-28 87 上传者：管理员

摘要：工作面顶板突水和水资源短缺是我国山西地区矿区面临的两大难题，采用现场实测、相似模拟和理论分析相结合的方法，构建了试验矿井上行和下行开采的物理模型，分析了不同开采顺序下顶板突水的动态演化规律和突水机理。结果表明，晋华宫煤矿下向开采后，11号煤层导水裂隙最大发育高度为43.1 m，裂隙采动比为14.4。在采动裂隙与顶板含水层的连接处形成突水通道，煤层的安全开采受到采空区突水的威胁。因此，通过比值检验和“三带”判别方法确定了上行开采的可行性，并对比了上行开采和下倾开采时的突水通道演化，提出采用上行开采控制顶板突水，该研究为晋华宫煤矿顶板突水灾害的防治提供了依据。

关键词：
上行开采
煤炭赋存
矿井水害
突水通道
顶板突水
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我国煤炭赋存的地质条件极其复杂。由于开采条件的不同，矿井水害的危险性也不同，山西地区顶板水问题具有复杂性、不确定性和困难性，给工作面的安全高效回采带来了极大的问题和挑战[1]。煤矿开采过程中顶板岩层导水裂隙演化规律及防治研究已被广泛研究，考虑顶板采动裂隙“三横三纵”的分布特征，采用双端堵水测漏、钻孔观测、钻井液消耗量、微震监测、钻孔透水率等多种方法，可获得不同采动地质、水文地质条件下不同导水裂隙的发育高度[2,3]。综合相似模拟和数值模拟方法，可以揭示顶板导水裂隙的完整发育过程。虽然注浆堵水、打孔抽吸、排水等方法已被提出用于防治顶板水害，但存在适用性低等问题[4]。基于晋华宫煤矿水文地质条件和矿井涌水量变化，采用物理相似模拟和现场实测相结合的方法，研究了当前下行开采过程中顶板岩层导水裂隙的演化规律，并通过理论分析和物理模拟确立了上行开采的可行性，提出了防治顶板突水的方法，提高矿井安全和生产效率的途径。

1、研究区概况晋华宫煤矿

11号煤层307盘区地面位置对应原榆涧村庄山西部，丘陵地形，冲沟较发育。井下位置位于河北11号煤层307盘区东翼，东邻8716工作面，南至盘区回风巷，西部为实体、北部为实体，工作面掘进走向为自南向北。含煤地层11号煤赋存稳定，走向整体呈褶曲构造，属中侏罗纪中统大同组含煤地层，煤层整体走向近南北，倾向东，煤层倾角1°～7°，煤层南部较薄，北部较厚，厚度0.70～4.87 m，11号与7号层2025年第1期网站/投稿　http://mkxdh.xml-journal.net/第34卷· 107 ·.间距约29 m。直接顶为细砂岩与粉砂岩互层，灰黑色粉细砂岩互层，厚度为8.78 m；直接底为，深灰色细砂岩，成分以石英为主。根据2019年至2023年矿山现场的月平均降雨量数据，矿井涌水量与大气降雨呈正相关，尤其是在6-10月。在此期间，顶板水通过采动导水裂隙进入采空区，威胁11号煤层的安全开采。2019-2023年矿井平均涌水量分别为81.8、86.6、90.0、116.5 m3/h。随着工作面开采面积的增大，年平均降雨量逐渐增大，导致覆岩总体破坏加剧，尤其是顶板砂岩含水层，矿井涌水量随着开采的不断进行和年降雨量的增加而增加。

2、下采顶板导水裂隙演化

2.1 导水裂隙带高度

307盘区共钻孔3个，其中钻孔1和钻孔2为试验孔，钻孔3为对比孔，采用ZDY8000LPS履带式全液压坑道钻机对3个勘探钻孔进行施工和试验。根据统计不同钻孔的漏水情况，分析了钻孔断面漏水变化规律，确定了覆岩导水裂隙带发育高度。从3号钻孔的漏水结果可以看出，当顶板未损坏时，试验段钻孔的平均漏水量为4.7 L/min，试验深度内的漏水量波动范围为3.1～5.1 L/min。由于1号井在试验过程中发生坍塌，因此忽略该井数据。从2号井眼的漏水情况来看，在68～78 m的井眼深度内，漏水情况为3.5～5.0 L/min，与对比井眼（3号钻孔）的漏水情况一致，说明该剖面岩层未受破坏。在钻孔深度36～68 m范围内，漏水量增加，远高于钻孔3，甚至达到19.2～22.3 L/min，表明该剖面为导水断裂带的顶界面。因此，钻孔2确定的顶板导水裂隙带顶界面位于井深68 m处，距煤层顶板垂直高度为43.1 m，裂隙开采比为14.4。

2.2 相似材料模拟采用实验室相似材料模拟

11号煤层下向倾斜开采，揭示下向开采过程中覆岩及砂岩含水层导水裂隙演化规律。

2.2.1 模型建立

在建立矿井物理模型时，假定当导水裂缝发育至顶板砂岩底部时，将触发矿井突水。支架长2.5 m，宽0.2 m，高1.3 m，试验模型几何相似比为1∶100，单位重量相似比为1∶15 .5。模型高度设计为120cm，煤层厚度为3.0 cm，倾角设置为3°。模型采用细干河砂作为骨料，硼砂作为缓凝剂，轻质碳酸钙和石膏作为水泥，云母片被用来铺层岩层。模型未对280 m厚覆盖层进行模拟，而是使用试验台的液压柱来模拟等效载荷。由图1位移测量线的位置图可知，在模型背部3条位移测线（第1～3行）处，以10 cm为间隔共设置69个位移测点。1线布置在11号煤层上覆砂岩顶部，2线布置在煤层上覆砂岩底部，3线布置在煤层底部。

2.2.2 仿真结果及分析

图2显示了下行开采下模拟11号煤层顶板岩层导水裂隙的演化特征，工作面充分回采后，在工作面后方及开切眼处产生了发育至顶板砂岩含水层中部的裂隙，形成开放性的突水通道。工作面推进至150 m时，工作面后方形成了3条主要的突水通道。开切眼处的主要突水通道夹角为60 °，工作面后方的2条主要突水通道夹角分别为56 °和59 °，导水裂隙最大发育高度为 45 m。当工作面推进至 190m 时，顶板再次发生周期性破断，工作面后方形成新的突水通道。但这些裂隙不再向上发育，裂隙采0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250−2500−2000−1500−1000−5000模型左边界的距离/cm沉降位移/mm测线1测线2测线3

图 1　顶板下沉曲线

煤层 150 m 推进（b）煤层 190 m 推进200 2500 50 100 150 200 25011#煤层顶板砂岩推进方向主要突水通道主要突水通道11#煤60°56°59°Water45 m7#煤11#煤层顶板砂岩推进方向主要突水通道主要突水通道11#煤60°56°Water45 m7#煤图 2 11号煤层顶板导水裂隙演化特征出比为15.0。远离工作面的突水通道逐渐闭合，导水能力逐渐减弱。尽管如此，工作面后方总有2条大的突水通道，含水层中的水可以通过这2条突水通道持续流动,因此矿井工作面总会受到顶板涌水的影响。

2.3 下向开采覆岩运动及变形特征

图1展示了11号煤层下向开采覆岩的移动变形特征，11号煤层下行开采后，顶板砂岩含水层的下部和上部均发生了不同程度的移动变形，而11号煤层底部测线3的位移量变化不大，1号线位于砂岩含水层顶部，1号线位置岩层仅发生弯曲下沉，受采动影响较小。测线2位于砂岩底部，受采动影响，该处岩层破碎垮落，位移变形较大。开切眼附近岩层位移明显大于停采线附近岩层位移，主要原因是切眼一侧岩层在重力作用下向停采线方向滑移，进一步加剧了模型右侧岩层的下沉。11号煤层下行开采后，下层煤底板破断下沉，测线3附近岩层位移变化较大，测线1、2附近岩层因下煤层的开采进一步移动变形。

3、顶板突水治理技术

3.1 上采顶板突水控制原理

考虑到下向开采时11号煤层及其7号煤层均受到顶板突水威胁，参考近距离煤层下向开采导水裂隙时空演化规律。由于7号煤层距顶板含水层较远，该工作面在抽采期间不应受到顶板水的威胁。故在11号煤层回采过程中，其下部煤层回采产生的导水裂隙应作为突水通道，水可从工作面后方顶板涌入7号煤层采空区，避免对11号煤层开采造成不利影响。

3.2 上行开采的可行性

采用比值检验和“三带”判别法，探讨了上行开采的可行性。配比试验：配比试验中，以采动影响系数K为标准。具体来说，当单一煤层在其最低部位开采时，只有满足开采影响系数K＞5.5的，才能进行上部煤层的开采，此时开采影响系数K为：K =HM（1）式中：H为上下煤层间距（m），M为下煤层开采厚度。根据晋华宫煤矿地质条件，11号煤层在7号煤层上方29.0 m，7号煤层开采厚度3.0 m。由此计算得到7号煤层对上部11号煤层的采动影响系数为9.7，说明上行开采是可行的。“三带”判别法：11号、7号煤层顶板岩层多为硬度适中的砂岩，冒落带和导水裂隙带的理论发育高度可以通过以下方程求得：下沉带：HL =100∑M1.6∑M +3.6±5.6（2）裂隙带：HL = 20√∑M +10（3）冒落带：Hm =100∑M4.7∑M +19±2.2（4）7号煤层采高 ≈3.0 m，采动垮落带高度为6.7～11.3 m，裂隙带高度为30.1～44.6 m。11号煤层在7号煤层上方29.0 m，处于导水裂隙带的上部，11号煤层受采动影响较小，表明上行开采应该是可行的。

4、上行开采可行性相似模拟研究

4.1 上行开采覆岩破断特征

为进一步评估上行开采的可行性，建立了物理相似模型，如图3所示。采用与下行开采模型相同的物理力学参数、模型尺寸和岩层比例数。开挖顺序发生了改变，具体为先开采7号煤层，后开采11号煤层，并掌握了上行开采的裂隙演化规律。随着7号煤层工作面推进至85 m，覆岩向11号煤层底板破断，底板发生离层。随着工作面推进至105 m，覆岩裂隙继续向上发育，裂隙发育高度延伸至27.0 m。随着工作面的不断推进，顶板周期性出现裂隙，但裂隙不再向上发育。此时最大裂缝发育高度为 45.0 m，位于开切眼一侧。随着 11 号煤层回采工作面推进至 55 m，顶板发生周期性破断，开切眼侧裂隙发育至模型顶部，与上部的砂岩含水层连通。随着 7 号煤层的不断开挖，顶板几乎不断发生周期性破裂，并产生了多条与上部含水层连通的突水通道。同时，工作面后方采空区不断下沉、压密，裂隙逐渐闭合，开切眼和工作面两侧始终存在贯通的突水通道。7 号煤层下行开采后，11 号煤层底板破坏变形，3 号线最大下沉位移为−1.5 m（图 4(a)）。砂岩上部受采动影响较小，测线 1 下沉位移较小；砂岩下部在采动影响下发生弯曲变形，最大下沉值为−0.4 m。11 号煤层进行下向开采后，砂岩发生断裂变形。1 号线最大下沉值为−0.9 m，2 号线最大下沉值为−2.5 m。由于 11 号煤层的开采，11 号煤层与 7 号.煤层之间的岩体进一步被压实，3 号线岩层进一步变形下沉（图 4(b)）。

图3　上行开采11号、7号煤层覆岩破断特征

图4　上行开采时顶板下沉位移变化曲线

图6　发展上行开采顶板突水通道特征

图5　上行开采顶板断裂特征

4.2 上行开采过程中裂隙发育

图 5 显示了 7号煤层上行开采后的裂隙发育特征，煤层采动裂隙贯通11号煤层，发育至砂岩底部。由于倾角影响岩层向左下方移动，在开切眼处裂隙相对发育。图6展示了7号煤层上行开采时覆岩裂隙高度的变化曲线。当7号煤层推进至145 m时，覆岩裂隙高度达到最大值（即47.0 m），裂隙采出比为15.7。此时，导水裂隙最大发育高度位于灰岩底板处。顶板下沉量随着11号煤层的开采而增大，煤层顶板裂隙完全贯通整个模型。11号煤层的开采显著影响了7号煤层采空区的稳定性，7号煤层采空区上部岩层进一步被压实，但仍有多条导水裂隙贯穿11号、7号煤层。

5、上行和下向开采时涌水通道对比及分析

对比分析了不同开采顺序下导水裂隙的发育情况可知，上行开采优于下行开采，11号煤层向下开采推进150 m时，顶板水可通过原生裂隙和采动裂隙涌入采空区，直至11号煤层开采完毕，顶板水才涌向回采工作面。7号煤层回采期间，顶板水从11号煤层采空区通过导水裂隙进入7号煤层采空区。由于倾斜开采，水会流向开采工作面，因此，2层煤下行开采无法解除顶板水的威胁。当7号煤层向下开采推进至190 m时，采动导水裂隙仅在模型右侧开切眼上方产生，并发育至砂岩底板。随着开采工作面的不断推进，导水裂隙的高度并未延伸至砂岩底部，表明整个回采工作面不会完全与砂岩含水层连通，也不会与上部的含水层连通。因此，7号煤层的开采不受顶板水的危害。当11号煤层开采75 m时，顶板采动裂隙发育至砂岩含水层，使得该含水层中的水通过裂隙涌入煤层采空区。但11号煤层开采过程中水通过底板裂隙进入7号煤层采空区，避免了11号煤层开采过程中顶板水的威胁。因此，上行开采可以有效控制煤层顶板水问题。

6、结　论

1）山西地区煤炭开采受顶板水威胁，矿井涌水量与大气降水呈正相关，随着开采的进行，顶板灰岩含水层的破坏面积越来越大。预计随着继续开采，矿井涌水量将增加，威胁11号煤层的安全开采。2）采用双端堵水探测，确定11号煤层上方导水裂隙带最大发育高度为43.1 m，裂隙采动比为14.4，裂隙已发育至顶板砂岩中部。同时，采用物理相似模拟揭示了11号和7号煤层开采过程中导水裂隙的演化特征和突水通道的演化规律。结果表明，下向倾斜开采时，11号和7号煤层的开采将受到顶板水的威胁。3）根据上覆岩层导水裂隙发育高度，研究了上行开采和下行开采2种开采方式。建议采用上行开采方式，避免水从上覆含水层对井下开采盘区造成威胁。比值检验和“三带”判别方法均表明上行开采是可行的。4）基于本文研究成果，提出了天然水与煤共采的设想，采用倾斜综采和上行开采，应避免顶板水对回采工作面的威胁，开采后下部煤组的采空区将被用于水资源的储存和利用。

参考文献:

[1]林海飞,刘思博,双海清等. 沿空留巷开采覆岩裂隙演化规律及卸压瓦斯抽采技术 [J/OL]. 采矿与岩层控制工程学报:1−13[2024-01-27].

[2]杨泽斌,李浩,马立强,等. 河下浅埋厚煤层采动覆岩裂隙涌水量时空演化的 FDEM-CFD 耦合分析 [J/OL]. 煤炭科学技术:1−11[2024-01-27].

[3]冯春学,张宇科.房柱式采空区下行开采顶板突水危险性分析 [J]. 陕西煤炭,2023,42(3): 43−47.

[4]作者简介:蒋莎莎(1983−),女,山西大同人, 2018 年毕业于中国矿业大学地质工程专业,学士学位,助理工程师,从事地质工作｡

文章来源:蒋莎莎.晋华宫煤矿在煤矿地质防治水中的技术研究[J].煤矿现代化,2025,34(01):107-111.