矿井采空区冒落结构与充水性特征研究

2020-06-29靳琦

江西化工 2020年3期

靳琦

(山西焦煤汾西矿业集团柳湾煤矿，山西孝义 032300)

合理确定采空区内积水量、水头高度以及积水范围，对矿井采取针对性探放水工作具有重要的指导意义[1～3]。现阶段对于水头高度H≤5m且顶板岩性结构较为单一的采空区内积水预测积水较为成熟，预测结果较为准确。但是对于顶板结构复杂的复合顶板、水头高度≥5m采空区内水量预测结果与现场实际排放水情况有较大差异[4～6]。该种顶板类型下采空区内含水量与顶板冒落结构及充水特性有密切关联，文中就对采空区内冒落结构与充水性特征研究，以期能更好的促进采空区内积水防治工作。

1 工程概况

山西某矿3226采面现已回采结束4a，根据采面开采起伏情况推测出该采面采空区积水内约11.5万m3，其中第三段采空区内积水量约为10.2万m3，占采空区内积水量约92%，该段范围内水头压力最大为22.2m，走向影响距离610m。

图1 探放水钻孔布置及采空区顶板垮落结构

在3226采面与3228采面间有约8m煤柱，为了确保3228回采巷道掘进安全，在3228上顺槽内共计进行7次排放水，排放采空区内积水约5.6万m3，实际排水量仅为预测排水量的52%，预测结果存在较大误差，分析原因是对采空区内积水估算时取值K过大造成，未考虑采空区顶板冒落结构影响。

2 采空区冒落结构分析

3226采面位于3224与3228采面间，现阶段3224采面已回采完毕，3228采面回采巷道正处于掘进阶段。回采工作面开采3号煤层平均厚度3.0m，倾角15°。根据3226采面开采以及3228采面回采巷道掘进揭露地质资料显示，3226采面直接顶为泥岩、局部为细砂岩，基本顶为粉砂岩，直接底为泥岩、煤线组成的复合顶板，具体煤层顶底板岩性见图2。

以及现场实测发现，3226采面开采的3号煤层冒落带、裂隙带高度分别为9～15m、24～36m。若采面回采顶板冒落后采空区上覆岩层未发生膨胀作用(即岩石碎胀系数Kc=1)，则推测出采空区内积水段高度为22m，采空区内积水段水头处于顶板裂隙带内。在3号煤层顶底板岩性情况下，简化下的采空区上覆岩层中的裂隙带含水、导水结构模型见图3，其中煤层顶板中的泥岩、煤线，直接顶中的泥岩等共同构成了厚度约为2.4m的底板隔水层。在采空区上覆细砂岩(基本顶)构成了含水层(厚度在7.0m)，基本顶上覆的泥岩以及煤线构成中部弱透含水层(厚度在3.0m)；由上覆砂质泥岩构成了上部弱含水层(厚度在17m)。

图2 煤层顶底板岩性

图3 采空区冒落后含水、导水简化模型

3 采空区充水特征分析

在回采工作面顶板冒落带范围内，采空区内空间充填体积(V)由顶板冒落的煤、岩石体积(V1)，煤、岩石间水(V2)以及气体(V3)构成，其中水(V2)占体积比可以通过充水系数K表示。根据《矿井地质工作手册》有关规定，充水系数K与石碎胀系数Kc间关系为：

K=1-1/Kc

其中Kc取值一般为1.3～1.5。

设定3226采面回采完毕后，顶板7m厚细砂岩Kc取值1.0，即采面采空区顶板冒落后不发生碎胀。从现场探放水可知，在进行第七次探放水时采空区内的水头高度H7=5.0M，对应高度为煤层上覆细砂岩冒落带，此时的充水系数K=0.35，通过公式(1)可以反算出Kc=1.5，表示工作面上覆砂岩冒落后体积为原体积1.5倍，冒落后的顶板细砂岩发育高度为10.5m。

在第六、第七次探放水时采面采空区内积水水头高度在8.8m，因此可以断定两轮内采空区积水上限均位于采空区上覆细砂岩冒落带内；第二到第五次探放水时，采空区内水头高度在细砂岩冒落带内高度逐渐降低。根据现场探放水结果，并结合公式(1)可以对顶板冒落结构与岩石破胀系数Kc、充水细砂K间关系，具体见表1。

表1 顶板岩层破胀系数Kc、充水细砂K间关系

从上述分析结果及表1可以综合得出，3226采面上覆细砂岩垮落后碎胀系数Kc在1.35～1.55间，整体比较大；充水系数K在0.26～0.35间，冒落后可以在采空区内形成的空间具有较强的充水性，因此可以简化认为是采空区内的强透水层，发育厚度在10m左右；煤线、泥岩垮落碎胀细砂Kc在小于1.18，整体较小；充水系数K小于0.15，冒落之后形成的空间导水性差，可以简化认为是采空区内的弱透水层，发育厚度在3.3m左右；砂质泥岩垮落后的碎胀系数Kc在1.18～1.35间，中等；充水系数K在0.14～0.26间，冒落后岩层在水平方向上裂隙不发育，垂向方向(纵向方向)裂隙高度发育且随着高度增加垂向裂隙发育逐渐减弱，含水性以及导水性均较弱，冒落后可以在采空区内形成的相对较弱的导水层，发育厚度在20m左右。通过上述分析，可以将3226采空区内上覆岩层冒落后的充水模型简化，具体见图4。