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煤矿采空区积水精准预测方法试验研究

2025-02-08 57 上传者：管理员

摘要：为了精准预测煤矿采空区积水情况，减少因采空区积水情况预测不准确造成的钻探进尺浪费，防范因采空区积水情况预测不准确造成的顶水作业安全隐患及事故，基于目前煤矿采空区积水预测方法的局限性和斜沟煤矿生产地质情况及十多年来的防治水工作实例，通过观测涌出水量，计算涌入水量，确定储水构造边界、储水构造空间块段划分、块段水量和积计算、水量耦合及积水边界圈定等环节进行了试验研究和分析总结，得出煤矿采空区积水精准预测的方法及工作流程，经实践应用对比，研究得出的煤矿采空区积水精准预测方法预测精度高，指导的探放水工程效果显著，可供煤矿防治水工作者借鉴。

关键词：
探放水
煤矿安全生产
精准预测
采空区积水
防治水
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在煤炭资源采出的同时形成了煤矿采空区,煤矿采空区随时间的推移逐渐成为其影响范围内水源的汇集地,这些汇集在煤矿采空区内的积水称之为煤矿采空区积水,通常在重力作用下经运动最终停滞在煤矿采空区的低洼区｡煤矿采空区积水给煤矿生产带来了不同程度的安全风险,进而制约着煤矿的后续高效生产,是煤矿安全生产的重要影响因素,也是煤矿开采过程中要特别重视的灾害防治内容[1]｡煤矿采空区积水情况主要包括积水范围､积水量和积水标高,如何科学合理地预测煤矿采空区积水情况,对做好煤矿防治水工作及采取正确的防治水措施至关重要｡多年来,在煤矿防治水工作中关于采空区积水的防治面临诸多问题｡隐形的有:采空区积水预测不准确经常导致采掘活动安全分析评价偏离实际,排查时存在风险却不易发现｡显形的有:因采空区积水范围预测不准确而造成顶水作业或浪费大量探放水准备工作和钻探进尺等情况,如图1､图2所示｡因采空区积水量预测不准确而造成探放水效率低下或探放水工程实施超预期,影响矿井生产衔接等情况多见;因采空区积水标高预测不准确而造成探放水工程实施过程中安全措施失控的情形多发｡为此,通过分析总结斜沟煤矿十多年来的防治水工作实例和近期实践试验,开展煤矿采空区积水精准预测方法试验研究以解决或减少上述防治煤矿采空区积水过程中存在的一系列问题｡

图2积水区范围预测较实际大

1、煤矿采空区积水预测方法技术现况

目前国内对煤矿采空区积水情况的预测方法可大致归纳为蓄水构造判断法､采空体积估算法､矿坑涌水计算法､物探解释推断法[2]｡蓄水构造判断法,因煤层受地质构造演变的影响,煤矿采空区积水受控于地质构造,常贮存在有利于地下水汇集的构造地段,适用于地层褶皱明显､倾角较大的地区,受各矿井地质条件及水源补给强度的差异性影响,以往经验不具有借鉴性,通常预测值与实际值偏差较大;采空体积估算法,有效采空积水体积常受采煤方法､回采率､顶板管理方法等因素的影响,该方法主要适用于开采煤层近水平､采空区时间较久的老(古)空区地区,通用性差;矿坑涌水计算法,是根据采空区原有水文地质条件下的涌水量乘以采空区形成后的时长计算的,该方法主要适用于密封的独立采空区,有相应观测资料且涌水量基本稳定的情况,因煤层开采后围岩破坏其原有的完整性,水文地质条件早已发生变化,充水强度也随着时间变化而发生变化,涌水量稳定性差,预测值变化幅度无规律可循;物探解释推断法,是利用地层及采空区电性特征进行解释采空区大致位置及富水性,主要适用于采空区资料较少､范围及积水情况不明､开采煤层历史较久等情况[3-4],在物探施工过程中往往受地理环境､地形地物､人为操作等因素的干扰,在资料解释过程中还受仪器灵敏度､人为判别等限制,其解释成果与实际相比常存在很大偏差,一般估算结果范围较大,积水层位不明确｡

2、试验地区地质及生产概况

煤矿采空区积水精准预测方法试验研究选择在显现问题且有较多工作实践的斜沟矿进行｡斜沟井田构造简单,总体上为一走向近南北,倾向西的单斜构造,地层倾角小于15°,一般为9°~12°,井田内共发现119条断层,主要为5m断距以下小断层,未发现岩浆岩侵入､陷落柱｡区域地层由老至新为:古生界奥陶系中统,石炭系中统､上统,二叠系下统､上统;中生界三叠系下统､中统;新生界新近系､第四系｡井田内含煤地层主要为石炭系上统太原组(C3t)和二叠系下统山西组(P1s),另外下石盒子组(P1x)和本溪组(C2b)各发育1~2层薄煤层｡山西组和太原组共含煤14层,自上而下分别为山西组的2号､3号､4号､5号､6号､8号､8下号煤层和太原组的9号､10号､11号､12号､13号､14号､15号煤层,斜沟矿现开采8号､13号煤层,8号煤层厚度为0.93~8.34m,平均4.57m,采用走向长臂式综采一次采全高方式回采,全部垮落法管理顶板;13号煤层厚度为5.95~16.68m,平均13.54m,采用走向长臂式综采放顶煤开采方式回采,全部垮落法管理顶板｡

3、试验研究方法

3.1观测涌出水量

采煤工作面回采期间,在回采工作面标高低的一巷呈下坡趋势推进过程中,观测工作面和采空区分别涌入巷道内的水量,记录下坡趋势推进过程时长,通过公式(1)､公式(2)可得出下坡趋势推进过程中工作面及采空区涌入巷道内的平均水量｡若条件允许的情况下,可通过公式(3)单独观测计算采空区涌水量｡

式中:Q1为下坡趋势推进过程中工作面及采空区涌入巷道内的水量,m3;t1为记录回采工作面标高低的一巷距工作面最近一处低洼汇水点的水泵排水时间,h;q1为水泵有效功率流量,m3/h.

式中:q2为下坡趋势推进过程中工作面及采空区涌入巷道内的平均水量,m3/h;Q1为下坡趋势推进过程中工作面及采空区涌入巷道内的水量,m3;t2为下坡趋势推进过程时长,h.

式中:q2'为单独的采空区涌水量,m3/h;Q1'为下坡趋势推进过程中采空区涌入巷道内的水量,m3;t2为下坡趋势推进过程时长,h.

3.2计算涌入水量

同一回采工作面各区段水文地质条件基本一致,在回采工作面标高低的一巷呈上坡趋势推进过程中,单位时间内工作面和采空区涌入采空区低洼处的水量,与下坡趋势推进过程中工作面和采空区涌入巷道内低洼处的水量基本平衡[5],如图3所示｡

图3采空区涌水､积水过程示意

采煤工作面回采期间,在回采工作面标高低的一巷呈上坡趋势推进过程中,记录回采工作面标高低的一巷呈上坡趋势推进过程时长,通过公式(4)可得出上坡趋势推进过程中工作面和采空区涌入采空区低洼处的积水量｡若下坡趋势推进过程中有条件观测计算得出了单独的采空区涌水量有q2',将工作面和采空区涌入采空区低洼处的积水量分别进行计算,计算时q2'需使用采空区面积同单位时间水量的正比关系按比例换算为涌水量q〃2,积水时长t〃3须计算至截至预测积水量或水文地质条件发生重大变化的日期,通过公式(5)可最终得出,上坡趋势推进过程中工作面和采空区涌入采空区低洼处的积水量｡

式中:Q2为上坡趋势推进过程中工作面和采空区涌入采空区低洼处的积水量,m3;t3为记录回采工作面标高低的一巷呈上坡趋势推进过程时长,h;q2为下坡趋势推进过程中工作面及采空区涌入巷道内的平均水量,m3/h.

式中:Q2为上坡趋势推进过程中工作面和采空区涌入采空区低洼处的积水量,m3;t3为记录回采工作面标高低的一巷呈上坡趋势推进过程时长,h;q2为下坡趋势推进过程中工作面及采空区涌入巷道内的平

均水量,m3/h;q2'为单独的采空区涌水量,m3/h;q〃2为使用采空区面积同单位时间水量的正比关系按比例换算的涌水量,m3/h;t〃3为采空区积水时长,须计算至截至预测积水量或水文地质条件发生重大变化的日期,h.

3.3确定储水构造边界通常在不具备承压条件的自然环境下,水往低处流[6],煤矿采空区低洼处在积水的过程中属不具备承压条件的自然环境｡水在低洼处汇集,回采工作面标高低的一巷在一定长度范围内呈“高-低高”段具备储水条件,水满则溢[7],若积水面上升至该低洼边界的一端则会溢流至下一个低洼区,“高低-高”段溢流的一端称作次高点,次高点在该巷道内的水平线及巷道帮煤岩柱可视为储水构造边界线的一侧,根据回采工作面标高低的一巷巷道剖面图确定该边界;另外,煤层开采过程中采用走向长臂式综采一次采全高和综采放顶煤开采方式,均沿煤层底板回采,煤层底板岩层可视为储水构造底边界,依据煤层底板等高线图插入次高点同等标高的一条煤层底板等高线,由次高点在该巷道内的水平线及巷道帮煤岩柱､与次高点同等标高的煤层底板等高线､煤层底板岩层所圈闭的范围可视为储水构造边界｡如图4所示｡然后在储水构造边界立体范围内排查是否存在泄水条件及泄水点标高[8],经排查若不存在,储水构造边界保持不变;若存在,则以泄水点标高所在的水平面与巷道帮煤岩柱､煤层底板岩层所圈闭的范围确定为最终的储水构造边界｡

图4确定储水构造边界示意

3.4储水构造空间块段划分

确定的储水构造边界构成采空区具备储水条件的空间称作储水构造空间｡储水构造空间在不同标高处的面积不同,预测的积水面平行于煤层底板等高线所在的水平面,由若干条煤层底板等高线所在的水平面将储水构造空间虚拟划分成若干标段,形成若干个平行叠层的体积块段,如图5所示｡划分块段后再利用通用的采空区积水计算公式(6)得出各块段所能容纳的积水量｡

式中:Q为采空区积水量,m3;M为煤层采高(可视作水深),m;F为采空区淹没水平投影面积,m2;α为煤层倾角,°;K为采空区充水系数｡

图5块段分割示意

3.5块段水量和积计算

储水构造空间块段划分,依据采空区煤地层倾角大小确定标高间距及块段数量,倾角大则标高间距大一点,块段数量少一些;倾角小则标高间距小一点,块段数量多一些｡划分块段的数量与最终预测的采空区积水情况精度成正相关关系｡根据微积分原理,储水构造空间由划分的若干个块段空间所组成,总结得出的煤层底板等高线块段和积法估算采空区积水量计算公式(7):

式中:Q为采空区积水量,m3;h1,…,hn为各块段内水深,m;F1,…,Fn为各块段采空区淹没水平投影面积,m2;α为煤层倾角,°;K为采空区充水系数｡

根据公式(7)计算得出,储水构造空间所能容纳的积水量Q3.

3.6水量耦合及积水边界圈定

上坡趋势推进过程中工作面和采空区涌入采空区低洼处的积水量Q2已确定,假设将积水量Q2盛放于储水构造空间,与储水构造空间所能容纳的积水量Q3进行对比,若Q2>Q3,则在本储水构造空间溢流的一侧再次确定下一个储水构造边界,依次类推;若Q2Q3,则从储水构造空间由低向高累加各块段所能容纳的积水量,直至累加各块段所能容纳的积水量之和与Q2耦合一致时,将累加过程中块段标高最高的水平面在巷道､煤层底板等高线的延伸边界圈定为采空区积水边界线,该点标高视为采空区积水标高如图6所示｡

图6确定积水边界示意

4、实施效果验证

试验研究的煤矿采空区积水精准预测方法在斜沟矿23107､18108､23111采空区积水估算中进行了应用,通过在23105材料巷掘进期间探放23107采空区积水,18106材料巷掘进期间探放18108采空区积水,23109材料巷掘进期间探放23111采空区积水等探放水工程实践得到验证｡采空区实际探放水量与煤矿采空区积水精准预测方法所预计的积水量基本一致,误差率保持在10%以内;经测量首个探放水钻孔水压所推算的积水标高与煤矿采空区积水精准预测方法所预计的积水标高基本一致;按照探放水设计在第一处钻场施工的探放水钻孔均如期探放到了采空区积水,同时施工的顶水作业验证钻孔基本无水或少量出水,实际积水范围与煤矿采空区积水精准预测方法所圈定的积水边界线基本吻合｡实施效果如表1所示｡

表1煤矿采空区积水精准预测方法应用效果

5、结语

通过在斜沟矿开展的煤矿采空区积水精准预测方法试验研究,得出的煤矿采空区积水情况预测方法及工作流程,应用后在多个探放水工程实践中得到验证｡实践证明煤矿采空区积水精准预测方法在单斜地质构造的斜沟矿,采用走向长臂式采煤方法形成的煤矿采空区,实现了精准预测采空区积水情况的超高技术水平｡

煤矿采空区积水精准预测方法将广泛适用于类似斜沟矿的单斜地质构造矿井,在采用走向长臂式采煤方法形成的采空区,可以使采空区积水范围､积水量､积水标高的预测结果更接近实际,能更准确地为探放水工程设计提供依据,制定合理的水害防范措施,以最少的探测工程量防治水患,提高探放水效率和最终的探放水效果,彰显煤矿防治水技术水平的先进性,为杜绝煤矿水害事故提供技术支撑,可供煤矿防治水工作者们借鉴｡

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文章来源:贺斌,田渊辉.煤矿采空区积水精准预测方法试验研究[J].煤,2025,34(02):88-92.