工作面老空水形成原因分析及其防治

孔德玺

（华亭煤业集团赤城煤矿有限责任公司，甘肃 平凉 744000）

水害事故是煤矿井下开采过程中常见的重大灾害之一，其中老空区突水具有突水水量大、突发时间短、破坏能力大等特点[1-2]。在井下采掘过程中若发生老空区突水事故，容易造成设备损坏、巷道被冲毁，严重时会造成人员伤亡事故，给矿井安全生产带来很大影响。因此，调查研究老空水来源、影响老空水突水因素，分析其形成机理，提前制定具有针对性的防治措施，对保障矿井安全生产显得尤为重要。

1.1 工作面概况

赤城煤矿设计生产能力为0.90 Mt/a，矿井主要开采煤层为2号煤层，煤层赋存较稳定。2301综采工作面位于矿井23采区西翼，东为21采区采空区，西邻井田边界保护煤柱，南邻23采区皮带运输巷保护煤柱，北邻吴庄逆断层上盘断煤交线。工作面煤层厚度1.8～4.6 m，平均厚度3.8 m，煤层局部有夹矸，煤层埋深280～360 m。2301工作面煤层顶底板综合柱状图如图1所示。

图1 工作面煤层顶底板综合柱状图

1.2 工作面水文地质情况

2301综采工作面开采的2号煤层顶底板均为砂岩裂隙水弱含水层。预计回采初期王苇坑向斜轴部涌水稍大；
工作面内存在2411地质钻孔，封孔质量合格，不存在钻孔导水威胁；
不存在相邻工作面老空积水威胁；
在徐庄背斜、王苇坑向斜轴部及断裂小构造发育密集地点采煤时，可能受周期来压影响而揭露顶板较多的导水裂隙，顶板滴淋水会增大，导致采空区内的涌水量增加。工作面煤层上覆岩层中黄土层覆盖厚度为98～195 m，基岩厚度为282～368 m。工作面回采期间预测正常涌水量50 m3/h，最大涌水量100 m3/h。

工作面形成老空积水需要同时具备3个要素：分别为充水水源、充水通道和聚水空间[3-4]，其形成要素如图2所示。

图2 工作面形成老空水三要素

2.1 充水水源分析

工作面老空水充水水源主要有大气降水和煤层顶底板岩层含水层[5]。

（1）大气降水

大气降水是地下岩层中岩石空隙、裂隙和各类岩溶裂隙含水层的主要补给水源[6]。赤城煤矿地表以平原为主，地势较为平坦，形成的沟渠数量较少，大气降水后在地面不容易形成积水，部分积水作为补给水源渗入到地下含水层。根据近5年矿井涌水量与大气降水量统计，两者联系不甚密切，大气降水进入矿井的水量较少。

（2）煤层顶板砂岩孔隙裂隙水

赤城煤矿开采的2号煤层顶板砂岩裂隙含水层是矿井直接充水水源。工作面回采时顶板断裂形成的导水裂缝带会导致工作面采空区涌水量增大；
但顶板砂岩含水层富水性较弱，含水量较小，在工作面回采过程中容易被疏干，通常不会对工作面安全生产造成较大影响。

（3）煤层底板灰岩岩溶裂隙水

矿井开采的2号煤层底板水主要由石炭系与奥陶系～寒武系灰岩岩溶裂隙水组成，奥陶～寒武系灰岩水为矿井间接充水水源，由于受导水断层和裂隙的影响，在断裂发育地段，垂向上可构成含水层间的水力联系。

L7-8灰岩岩溶裂隙水位于石炭系太原组上部，厚度2.0～13.47 m，平均8 m，上距2号煤底板2.60～37.61 m，平均17.28 m。东部为富水性中等的岩溶裂隙承压水，掘进过程中已将该含水层的水疏放完。由于L7-8灰岩与煤层底板之间有隔水层的存在，该隔水层主要由砂质泥岩与泥岩组成，且层位稳定，在自然条件下，该隔水层能够阻止太原组岩溶水渗入到2号煤层。但在工作面开采过程中，受工作面采动影响，煤层底板岩层会遭到破坏，使隔水层失去隔水作用，L7-8灰岩岩溶裂隙水进入2号煤层，成为2号煤层底板直接充水水源。但该充水水源在无其它强含水层补给时，对矿井安全生产影响不大。

（4）奥灰含水层

奥陶～寒武系灰岩岩溶裂隙水是矿井底板充水的主要间接充水水源。该含水层灰岩岩层厚度较大，且岩溶裂隙较为发育，总体上富水性极强，但其导、富水性差异较大。因受多层隔水层阻隔，正常情况下，在开采浅部煤层时，对矿井直接充水影响不大。但开采至断层附近时，当太原组上下段灰岩水与奥陶～寒武系灰岩含水层出现水力连通时，岩溶裂隙水将会通过断层裂隙进入到工作面，是工作面采空区的主要充水水源。

2.2 充水通道分析

老空区充水通道的类型主要有采动裂缝导水通道、断裂构造导水通道及封闭不良钻孔通道。

（1）采动顶板裂缝充水通道

工作面开采过程中受采动影响而形成的顶板岩层裂缝，是造成顶板含水层水进入到工作面的主要通道之一。该矿2号煤埋深280～360 m，煤厚1.8～4.6 m，平均厚3.3 m。根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》，煤层回采垮落带高度可按照公式(1)计算[7-8]：

式中：Hk为垮落带高度，m；
∑M为累计采厚，m。

该矿只开采2号煤层，计算时分别取2号煤层最小厚度1.8 m和最大厚度4.6 m代入进行计算。

导水裂缝带高度计算可以按照公式（2）进行计算：

式中：Hli为导水裂缝带高度，m；
ΣM为累计采厚，m。

该矿只开采2号煤层，计算时分别取2号煤层最小厚度1.8 m和最大厚度4.6 m代入进行计算。

经计算，垮落带高度Hk为8.75～13.52 m，导水裂缝带高度Hli为33.38～47.57 m。2号煤层导水裂缝带最大高度约为47.57 m。煤层开采后，受采动影响形成的导水裂缝带将会导致2号煤层顶板隔水层岩层和直接充水含水层出现破坏，被破坏的含水层在重力作用影响下会出现水位下降，从而导致径流场中水流渗流方向发生改变，同时其水力坡度也会增大，工作面开采后煤层顶板砂岩含水层中的裂隙水将会通过导水裂隙进入到工作面。由于山西组顶板砂岩裂隙含水层的含水性较弱，补给量不大，在生产中顶板多为淋水、滴水状态，对矿井安全生产影响不大。

（2）采动煤层底板裂缝导水通道

根据煤层底板岩性、厚度及力学性质分析，煤层底板岩层发生破坏的情况主要有三种：软岩底板底鼓，在其底鼓周围产生裂隙；
硬岩底板中的隔水层完整性被破坏，承压能力降低，有效隔水层岩层厚度变小；
在底板隔水层薄弱地带，采动形成的底板岩层裂缝直接进入到底板含水层。

受围岩应力作用，在工作面采掘过程中煤层底板岩层会遭到一定程度的破坏，其破坏深度可根据经验公式（3）进行计算：

式中：h1为2号煤层底板破坏带深度，m；
L为工作面切巷倾斜长，m。

2301工作面切巷倾斜长L为150 m，代入公式，经计算可得回采对底板破坏带深度h1为15.95 m。根据地质资料，2号煤底板隔水层厚度为5.60～37.61 m，平均17.28 m，由此可见此破坏厚度已基本使2号煤底板隔水层受到破坏。

（3）断裂构造导水通道

工作面存在的断层将会导致煤层顶底板含水层之间的距离出现变化，减小有效隔水层的厚度。在工作面回采过程中，当揭露断层时，会使原处于封闭状态下的承压含水层冲破隔水层而突然涌出，造成工作面突水，如图3所示。

图3 断层破坏形成导水通道

根据矿井精查报告和钻探揭露资料及2301工作面上下两巷巷道和切巷在掘进施工期间揭露的地质资料分析，工作面开采范围内会揭露8条断层。断层导水性弱，且形成的裂隙发育程度较低，对工作面安全回采影响较小。

综上分析可知：2301工作面现开采阶段还未出现明显导通奥灰水和顶底板水的通道，但在工作面回采期间仍需加强水量变化观测，当出现涌水量变化异常时，立即停止生产，查明涌水来源和涌水量大小，消除工作面突水隐患后，才能继续生产。

在临近2301工作面采空区区域范围内划分出积水线、探水线和警戒线。根据各区域的不同情况采用不同的防治水技术措施进行治理，具体划分如图4所示。

图4 采空区区域划分

利用物探方法对采空区积水区域进行探测，当积水线区域范围的边界被确定以后，在其边界范围以外50 m作为探水线，在探水线区域范围内设计布置探查钻孔进行探水，在探水线以外40 m设定为警戒线。当采空区进入到警戒线区域范围内后，需要时刻观察工作面是否有突水预兆，同时需采取防水措施，对工作面采空区积水提前进行疏放。

2301工作面回采过程中，在工作面回风巷布置观测点，对工作面采空区积水变化情况进行观测，通过现场观测，工作面自开始回采至推进到停采线位置，未出现过突水现象，工作面实现安全回采。

赤城煤矿2301工作面老空水主要水源为煤层底板太灰岩溶裂隙水和奥灰含水层，其主要充水通道为煤层底板采动裂缝导水通道和断裂构造导水通道。为对工作面老空区积水进行治理，采取在临近2301工作面采空区区域范围内划分出积水线、探水线和警戒线。在探水线区域范围内施工探放水钻孔进行探放水，在探水线以外40 m的警戒线区域范围加强观察等措施，对工作面老空区积水进行了有效治理，工作面回采过程中未出现过突水现象，也没有发生突水事故，保障了工作面回采期间的安全，可为类似条件下工作面采空区水害治理提供了技术参考。

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