闫志强

（西山煤电集团西曲矿，山西 太原 030200）

矿井水害一直严重影响矿井安全生产。矿井工作面回采、掘进过程中，矿井水害时有发生。本矿水源主要来自于邻近含水层或临近的老空区，周边区域的水源补给直接影响涌水量大小。目前矿井水害防治措施坚持“预防为主、防治结合、综合治理”的指导方针。关于矿井水害防治问题，我国专家学者做过大量研究工作。王胜进行了大水矿井综放工作面波浪式开采及综合防治水技术研究，针对波浪式开采过程中水害问题进行阐述，制定了专项防治水措施。高运增等人进行了倾斜长壁综采工作面采空区涌水治理系统研究，并进行了现场应用，效果明显。马艳等人进行了综采面过富水区开采全周期水资源利用技术研究，对开采周期内富水区水运移规律进行了研究，为水害防治奠定了理论基础。龙天文进行了彬长矿区东北部矿井导水裂隙带发育高度及涌水量预测研究，关于彬长矿区裂隙水运移规律进行了研究。张博龙进行了杭来湾煤矿301盘区矿井涌水量变化特征及来源分析研究，对杭来湾煤矿的涌水量情况进行了分析，为后期水害防治措施的制定奠定了基础。之前的研究主要针对于机理研究或工程研究，对于水害问题的微观研究、综合探测、工程应用综合研究较少【1-13】。

山西西山煤电股份有限公司西曲矿14308工作面回采过程中，工作面异常涌水，水量逐渐增大，到一定时间淹没运输巷部分区域，为预防和控制该工作面产生水害，通过对现场水害情况进行综合分析，采用物探、钻探等技术进行探测和治理，并进行效果考察。

西曲矿设计生产能力300万t/a，主采煤层有2、3、4、8号煤层。目前在采工作面为14308工作面，工作面长度1 280 m，面宽190 m，开采4号煤层，煤层倾角10°工作面采用综合机械化采煤法。为低瓦斯矿井；
矿井水文地质情况复杂，工作面地质情况比较复杂，存在断层构造等9个；
工作面上方存在已采完的采空区。工作面回采至269 m区域时出现涌水，运输巷积水量增加。通过随后14 d对工作面涌水量进行统计（如图1所示），涌水量从251 m3/h增加到360 m3/h，且整体仍呈现增涨趋势，涨幅也在增大。该区域水害治理迫在眉睫。

图1 14308工作面涌水量统计图

14308工作面主采煤层4号煤层，顶板为粉砂岩，底板为泥质砂岩。上方为13308工作面，工作面已经采完，采空区内存在积水。14308工作面出水位置点为距离运输巷20 m距离点，该点标高+998 m，运输顺槽标高+996 m，回风巷标高+1 028 m。14308工作面距离上部13308工作面垂高为56 m，当13308工作面回采后，工作面整体下沉。根据《矿井水文地质规程》（试行），开采冒落带和导水裂缝带高度计算一般经验公式如式（1）、式（2）：

式中：m为矿层开采厚度，m；
K为岩石松散系数；
a为矿层倾角，°；
h1为导水裂缝带高度，m；
h2为导水裂缝带高度，m。

据上经验公式得出14308工作面冒落带高度约为7 m，导水裂缝带高度为63 m。导水裂缝带高度及上方的13308工作面积水采空区。主要出水点距离14308运输巷20 m处，现场观测水量为368 m3/h。

通过对工作面水害情况的综合分析，急需进行水害控制治理。采用FLAC、FLUENT数值运算、综合物探和钻探的方法对水害情况进行探测和治理。

2.1 14308工作面裂隙水运移规律模拟研究

通过综合分析14308工作面涌水量情况，工作面上方导水裂缝带高度为63 m，为研究该区域内裂隙水运移规律，为进一步地球物理勘探、防治水措施的制定提供更加可靠理论基础，现对14308工作面区域水害情况进行数值模拟研究。对工作面裂隙水运移规律影响比较大的是应力场和渗流场，现采用软件FLAC进行应力场研究，采用FLUENT进行渗流场模拟研究。

现场采样，带顶、底板岩层样本及4号煤层样本到实验室，现场取样样本如图2所示，

图2 煤岩样本及应力参数测试图

表1 模拟参数表

采用FLAC进行14308工作面围岩应力分布数值模拟，基本假设：①模型底部和左、右两边均为固定约束；
②模型顶部边界载荷为13 MPa；
③围岩为均匀介质；
④模拟过程中不考虑构造影响。

模拟模型在顶部边界载荷的作用下工作面围岩竖向应力分布和水平应力分布情况，模型2个方向应力分布情况如图3所示。

图3 14308工作面围岩应力分部云图

根据14308工作面围岩应力分布情况分析，14308工作面竖向应力集中区域主要分布在工作面顶板和底板，整个工作面围岩竖向应力分布集中区域呈现“马蹄”形，竖向应力达到煤岩介质极限应力便会出现集中区域竖向垮落现象，最终垮落形状和竖向应力集中分布情况基本一致。根据图3（a）中底板应力分布情况分析，回采后工作面底板会出现大面积底鼓现象。应力出现反向应力，最大应力为13 MPa，最小应力为6 MPa。根据现场观测，应力为13 MPa位置区域内为垮落区域，应力为6 MPa区域仅仅出现裂隙，该裂隙将含水层和工作面、掘进巷道导通，形成导水通道。根据图3（b）可知，在顶板应力作用下，14308工作面水平位移主要为采面上部区域以及底板位置区域，正上方一段区域出现应力集中区域后水平应力集中面积变小，随后又出现大面积水平应力集中区域，整体呈工字形，出现以上情况主要原因为上覆岩层岩性不同，直接顶在回采完毕后必然出现大面积沉陷，产生倒U型垮落区域，垮落区域上覆坚硬岩层会在破碎围岩的支撑下产生一定的平衡力来抵御水平位移，含水层区域围岩在下覆岩层的应力变化及自身含水层的水平影响下最终产生平向大面积位移情况。

通过综合应力分析可知，14308工作面上覆岩层在回采后会出现整体下沉垮落的现象。在不考虑构造影响的情况下，回采后工作面上覆岩层会出现整体沉降，产生的应力失衡形成裂隙带将含水层和工作面导通。

为进一步研究构造情况下裂隙水分布情况，现采用软件FLUENT进行工作面断层构造情况下裂隙水运移规律，数值模拟指标参数为渗透率。假设工作面通过F3断层，根据矿区地质勘察报告可知，F3断层为正断层，断距3.2 m，倾角46°。根据以上情况进行数值模拟得到回采后工作面区域渗透率分布云图如图4所示。

由图4可知，14308工作面上部含水层产生的采空区在水压作用下沿着断层裂隙开始渗透，假设断层周围岩体为裂隙岩体，通过现场采样进行实验室测试，裂隙带平均孔隙率为0.65，边界压力水头为6 kPa，在水压作用下，老空区的水进行渗透，由于断层断面周边围岩在断层自由面一侧空隙较大，随着距离自由面不断增大，裂隙逐渐闭合，因此出现图4中渗透率逐渐递减的渗透率演化分布云图。图4中，断层区域最大渗透率为1.6×10-8，断层产生的有效影响范围和应力分布有关，断层上盘有效影响范围为8 m，断层下盘有效影响范围为4 m，在地应力作用下，断层上盘破碎区域比较大，破碎范围比较大，因此渗透率有效影响范围比较大。由于上部老空区水压比较大，水量逐渐向下渗流，但上部围岩整体完整性较好，靠近采空区位置围岩破碎范围比较大，因此水平方向下部渗透率突出区域面积比较大，上部靠近采空区位置渗透率突出区域面积较小。

图4 14308工作面渗透率云图

通过数值模拟研究结果可知，靠近工作面顶板断层区域为渗透率最大区域，该区域会出现大量积水，老空区内水流通过断层、工作面上部岩层断层裂隙最终导入工作面，工作面位置会出现渗水现象，从而形成14308工作面采空区积水，最终形成工作面水害隐患，重点区域为断层和工作面交界区域。

2.2 物探

探测采用瞬变电磁法，设备为瞬变电磁仪TEMHZ75。物探点布置见图5。主要探测工作面前方水平距离400 m，垂直高度10 m范围内的水害情况。通过对工作面前方数据进行采集、数学反演计算，得到此范围内电阻率反演云图，见图6。

图5 物探测点布置图

图6 物探反演数据图

由图3可知，运输巷一侧距离14308切眼位置前方100 m采空区域大面积积水，采空区其他积水点为小积水点。

2.3 钻探

为确定物探成果，同时对采空区内水害大小定量探测，采用钻探技术进行探测，钻孔设计图如图7所示。钻探钻孔设计依据物探、现场涌水量观测，以及工作面开采区域地质情况确定，钻孔共计6个。

图7 钻孔设计图

钻孔过程中，出水量比较多的为4、5、6号钻孔，其区域与物探结果一致；
1、2、3号钻孔出水量较小，因此在靠近回风巷区域也存在积水点（见表2）。

表2 钻孔出水情况表

根据分析，目前矿井开采区域水源主要为工作面上方采空区积水，主要积水区域在运输顺槽一侧。为解决该区域水害问题，采用注浆的方法进行封堵。注浆材料为硅酸盐水泥浆，添加速凝剂，水灰比为1∶1.6。注浆点如图8所示。

图8 工作面注浆施工图

为有效控制整个工作面后期出现的水害，对整个工作面前方进行注浆封堵，分别在距离运输巷20、70、120、170 m位置点打孔注浆，注浆管伸入13308采空区内4m。根据采空区内孔隙率约30 %计算，注浆完成后可形成80 m的注浆墙，根据经验，有效堵水墙厚度可达到30 m。根据探放水规定，超前20 m即安全距离，因此该注浆措施可以满足阻隔13308工作面积水继续向下透入14308工作面。

现场注浆量10 000 m3。据资料统计分析，采空区孔隙率约为30 %，则注浆量延伸至工作面前方88 m区域，形成水泥浆阻隔带，基本可以对水害进行控制。注浆作业完成后，对现场积水进行排水，封堵注浆管。对前方涌水量进行观测，观测周期为一周，观测结果如图9所示。

图9 注浆后14308工作面涌水量图

由图6可知，注浆完成后，14308工作面初始涌水量为12 m3/h，随后涌水量不断增加到33 m3/h，最终稳定在33 m3/h。综合分析，注浆完成后，仍有一些积水从裂隙中流出。随着时间的推移，出水量开始有所增加，当到达一个稳定值后，不再增加。稳定数值33 m3/h远远小于探测区域的涌水量251～360 m3/h值，说明浆液已经有效阻断了工作面上方采空区积水区域的裂缝通道，有效控制了水害发生。

本文通过物探、钻探技术探测出14308工作面积水区域，使用注浆技术对涌水进行治理，结论如下。

1）14308工作面回采至269 m时，运输巷出现积水14 d，水量由251 m3/h增至360 m3/h。

2）数值模拟结果显示，14308工作面主要积水区域为工作面采空区和断层交界位置。

3）物探结果显示，工作面主要技术区域位置14308运输顺槽前方月100 m位置点；
钻探结果和物探结果基本一致。

4）注浆范围为工作面前方采空区88 m范围，注浆完成后对工作面涌水量进行观测，观测稳定值为33 m3/h，说明注浆效果较好。

5）通过整体分析，采用物探钻探技术探测出水害区域；
采用注浆技术有效隔阻前方采空区积水，效果较好。

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