吕 扬，马晓涛，王嗣桐，李 强

(陕西陕煤曹家滩矿业有限公司，陕西 榆林 719000)

近年来，随着西部现代化矿井的建设力度大幅度增加，特别是榆神府矿区各现代化矿井均为高强度回采矿井，各煤炭生产区的发展前景良好，但各矿井在高强度回采过程中面临着诸多矿井水害问题[1-5]，例如开采引起地下水位大幅度下降、泉水消失、溃水溃砂等水害问题[6-12]。当矿井属于联合调试初次回采阶段时，矿井水文地质只停留在建井期间，且矿井的涌水量值和覆岩破坏高度值只停留在经验公式计算阶段，所以开采过程中矿井的动态涌水量、覆岩导水裂隙发育情况无法获取现场实时数据，因而极易引发井下水害事故。程香港等[13]分析了覆岩采动渗透率的动态变化规律，并根据导水裂隙带发育趋势分段预测了工作面矿井涌水量。赵兵朝等[14]理论分析了主关键层位置、基载比、基采比等开采参数对覆岩导水裂缝带发育高度的影响，通过理论分析和相似模拟实验对榆阳矿区覆岩导水裂缝带的发育高度进行准确地预计。李艳飞等[15]分别采用微震监测和数值模拟等手段对顶板导水裂隙带的发育高度进行研究，通过对微震系统台网布置方式进行误差分析得知，工作面直接顶、老顶的破坏程度远大于其上覆岩层，顶板的连续破坏区域整体呈“钝三角形”。

国内外专家对相关问题进行了大量的研究[16-18]，但现榆神矿区规划区内的矿井基本属于回采初期，部分规划区还未进行回采仍属于基建矿井。因此，对于榆神矿区受水害影响的矿井，需要充分了解矿井回采过程中水文动态变化规律，为其矿井防治水措施的改进和完善提供理论基础。本文以地表脆弱生态的曹家滩矿井的首采工作面为例，通过对煤层顶板富水性分区与煤层开采过程中覆岩裂隙发育规律研究，提出防治水对策，为矿井及同类型矿区后期开采提供重要的理论与技术支撑。

1 矿井概况

1.1 首采区煤层赋存概况

曹家滩首采盘区为一水平12盘区，东西倾向宽2.8km，南北走向长12.5km，面积约35.0km2。首采煤层2-2煤全区可采，煤层结构简单，一般不含夹矸，局部顶部或底部有一至两层夹矸，厚度0.04～0.26m。煤层倾角平缓，地质构造简单，开采技术条件优越，煤层埋藏深度在255～338m之间，煤层平均厚度为11.5m。首采工作面为位于一水平12盘区东翼的122106工作面，该工作面位于延安组第四段顶部，煤层近水平赋存，煤层厚度为6.29～12.7m，煤层开采采用分层开采，第一分层的采厚为7m。

1.2 水文地质概况

122106工作面曹家滩井田内大部分地区被风积沙所覆盖，部分地段有第四系黄土及新近系红土出露。据钻孔揭露及地质填图资料，区内地层由老至新依次有：三叠系上统永坪组(T3y)、侏罗系下统富县组(J1f)、中统延安组(J2y)、直罗组(J2z)、安定组(J2a)、新近系上新统保德组(N2b)、第四系中更新统离石组(Q2l)、上更新统萨拉乌素组(Q3s)、全新统风积沙(Q4eol)。

1.3 工作面充水因素

1)充水水源。工作面主要充水水源包含大气降水、地表水、地下水，其中由于存在稳定的离石黄土保德红土层等稳定的隔水层的存在，所以大气降水和地表水均为间接充水水源。导水裂隙带高度和各岩层厚度的对比分析后，煤层顶板导水裂隙带波及范围内的延安组、直罗组和基岩风化带含水层的水为直接充水水源。

2)充水通道。充水通道分为渗入性通道和溃入性通道两种，根据工作面的实际矿井资料及相邻矿井开采经验可知，该工作面的主要充水通道主要是煤层开采造成的顶板的导水裂隙带，其次是局部区域的断裂破碎带、封闭不良钻孔及其他导水通道。

3)充水强度。通过对充水强度影响因素的具体分析可以得知，该工作面的充水强度主要决定于风化基岩孔隙裂隙承压含水层和沙层潜水含水层的富水性，而煤层上覆基岩厚度及导水裂隙带沟通各含水层的程度；大气降水特征；采动后红土隔水层的隔水性能；采煤方式和开采强度等因素在综合分析后，对充水强度的影响相对较小。

2 煤层顶板富水性分区评价

本文采取物理探测和“三图”法相结合的方法对曹家滩首采区煤层顶板富水性特征进行综合论证分析，从而指导矿井安全高效回采。

2.1 顶板含水层富水性物探分析

根据上述对矿井首采区的水文地质分析可知，工作面采掘活动主要受基岩风化带含水层、侏罗系中统直罗组及延安组承压含水层等内部地下水的威胁。为了进一步分析顶板含水层的富水情况，本文采用地面瞬变电磁法对各个充水含水层的富水异常区的区域分布范围、相对强弱等特征进行探测分析。探测结果如图1—图3所示，其中，蓝色区域(低电阻异常区)代表富水范围，且颜色越深富水程度越大。

图1 风化岩底界附近低阻异常区分布

图2 直罗组底界附近低阻异常区分布

图3 延安组2-2煤顶板上15m附近低阻异常区分布

根据图1—图3可知：风化基岩含水层共发现低阻异常区4处，分别命名为F-1、F-2、F-3、F-4号低阻异常区，其中，F-1、F-2、F-3号低阻异常区范围较大、幅值较强，为该层位主要异常区；直罗组底界共发现5个低阻异常区，且Z-2和Z-3低阻异常区出现了连同现象，异常区范围大且幅值较强；延安组2-2煤顶板附近地层富水异常区共6处，但整体范围较小。根据上述不同地层富水性分析可知，测区的主要含/富水层位为基岩风化层和直罗组地层，且与钻探实际揭露情况相吻合。

综合分析三个平面低阻异常区分布情况，发现直罗组中部Z-3异常与其上下岩层的F-4和2M15-5位置大致相同，说明在此区域的岩层的富水性较其他区域更强，当煤层采动造成覆岩裂隙发育至该区域时，易造成覆岩含水层的连通，造成顶板涌水事故。

2.2 煤层顶板富水区域判定

为了进一步分析煤层顶板涌突水的危险性，应用“三图法”对2-2号煤顶板富水性进行分区研究，2-2煤顶板直接充水含水层富水性分区如图4所示。

从图4中可以看出，2-2煤层顶板富水区域具有明显的分布趋势，总体上从东北向西南区域的富水性逐渐减弱，强富水区和较强富水区主要位于井田东北部，包括12盘区的北部，该预测结果也和地面物探结果、井下实际揭露情况保持一致；弱富水区和较弱富水区主要位于井南部和西北部，中部黄色区域为过渡区。将本次水文地质补充勘探钻孔的单位涌水量标注在图上，可以看出单位涌水量较大的点均位于强富水区和较强富水区，在强或较强富水区煤层进行开采时，需要预防矿井顶板突水。

3 煤层覆岩裂隙发育规律研究

3.1 模型的设计和建立

为了进一步分析开采过程中对覆岩含隔水岩层的破坏程度，研究煤层顶板覆岩裂隙发育规律，选取FLAC数值模拟分析在开挖过程应力与塑性区演化规律。根据曹家滩煤矿首采面的地质概况，采用有限差分软件FLAC3D建立三维数值模型，确定尺寸为长×宽×高=500m×550m×353m。煤岩体物理力学参数见表1。

表1 煤岩体物理力学参数

在模型左右两侧各留设100m区域以减轻边界效应。模型边界条件：①力学边界：模型的X方向约束左右边界位移，Y方向约束前后边界位移，Z方向约束下部边界位移，用fix命令控制模型边界速度，模型覆岩采用自身重力作为应力条件；②渗流边界条件：模型底板为隔水边界，两帮为定水压边界，根据试验设计在此施加一定水压。采用莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)屈服准则判断不同采动条件下覆岩变形破裂情况。

3.2 模拟结果分析

模型开挖步距30m，采厚6m，从左向右开挖。本文选取了开采过程中初次来压和工作面开挖800步后，覆岩垮落和各测线下沉情况，如图5所示。

图5 数值模拟结果

根据图5中塑性破坏区分布情况可以得知：工作面推进时，覆岩主要破坏区域集中在工作面的两边，并且随着工作面的不断推进，其破坏范围不断扩大，并逐渐呈现“马鞍”状。当工作面推进至180m后，覆岩的破坏范围增长速度开始加快，导水裂隙带高度快速增加，此过程中当裂隙带沟通含水层时，易发生顶板突水事故。当工作面推进距离为240m时，塑性区判定的导水裂隙带达到最大高度约159m，其主要塑性区的高度在发生明显增长。之后随着工作面的持续推进，其主要的塑性区在横向方向上扩展，且主要向回采工作面方向集中分布，在覆岩内依次形成拉伸破坏区、拉伸裂隙区、剪切破坏区等，最后通过模拟结果可以得到覆岩的裂采比为26.5。

根据图5中应力分布情况可以得知，在采空区上方形成应力释放区，并且随着工作面的不但推进，应力释放区不断向上发育、扩展，其发育规律与塑性区发育规律大致相同，在经过180m后，整体应力释放区发育扩展有位明显。同时在工作面两端，即煤壁前方和工作面后方会发生明显的应力集中现象，随着工作面的推进其应力集中区域缓慢增大。同时位于采空区两端的应力释放区与集中区之间的区域存在拉压应力区，其易发生拉伸破坏，受采动影响裂隙发育较为充分，成为主要的导水裂隙带，沟通含水层与采空区后，易发生突水事故。

4 煤层开采防治水技术措施

根据上述对曹家滩首采工作面的顶板富水性分区特征以及煤层覆岩裂隙发育规律分析可知，矿井在回采过程中，若采取不恰当的防治水措施，工作面极有可能发生水害事故。为避免水害事故的发生，提出下述防治水技术措施。

1)完善矿井水害监测系统。首先采用物探和钻探相结合的方法，通过井上下立体联合探查等方式，对开采区进行含水层富水性分区探测，结合探测结果对富水异常区进行疏放水工作，并坚持“先可控疏放、后渐进回采”的原则，实现顶板水平稳泄出；其次，根据矿井钻探结果，安装钻孔水文动态监测仪进行长期水文监测，从而实现矿井水文动态监测；最后，建立井下涌水量动态监测系统，并将实时涌水量进行传输至防治水工作站，进行矿井水害动态。

2)合理确定回采参数。依据导水裂隙带发育高度的经验公式可知，煤层开采厚度越大，覆岩导水裂隙带的发育高度越高，进而对顶板覆岩含隔水岩层的破坏强度越大，当含水层水体沿着导水裂隙进入到工作面的瞬时涌水量大于矿井的排水能力时矿井将发生水害事故。因此，在工作面回采之前，应根据防治水需求确定合理的回采方法及参数。特别是，西部生态脆弱矿区在回采煤层时，必须进行采煤方法和采煤工艺的合理确定。

3)建设防排水系统。矿井应严格按照《煤矿防治水规定》要求，建设采区水仓，特别是高强度回采矿井的采区水仓应严格按照《煤矿防治水规定》要求进行。另外，矿井应以防排水系统建设为核心，适当提高矿井抗灾设防标准，提高采区和工作面临排能力。同时，在矿井地面建设临时蓄水池，缓解矿井排水压力。

4)培训防治水专业人员。为进一步满足矿井防治水需求，必须提高工作人员的防治水的相关专业知识与意识水平，让他们了解一些基本的判断突水前兆的一些方法。例如，掘进工作面或其它地点突水前，一般都有以下预兆：挂红、挂汗、煤壁变冷、出现雾气、水叫、顶板淋水加大、顶板来压、底板鼓起、水色发深有异味、工作面有害气体增加、裂隙出现渗水等。当发现上述突水预兆时，必须停止作业，判断情况，向矿有关部门或领导报告。如果情况紧急，必须立即发出警报，撤出所有受水威胁所在地的人员。同时，建立矿井防治水标准化，即对相同问题的处理过程、方法、依据等采用统一标准，明确工作责任和任务，工作不应人员变动而变动。

5 结 论

1)通过对矿井水文地质分析得出，大气降水和地表水矿井的间接充水水源，风化基岩裂隙承压水和煤层顶板基岩裂隙承压水是工作面的直接充水含水层；在回采过程中矿井充水强度主要决定于风化基岩孔隙裂隙承压含水层和沙层潜水含水层的富水性；采矿扰动形成的顶板导水裂缝带将是曹家滩井田的主要充水通道，其次为局部为断裂破碎带、封闭不良钻孔及其他导水通道。

2)采用物理探测和“三图”法对曹家滩首采区煤层顶板富水性特征进行综合论证分析得出，矿井风化基岩含水层富水性较强；延安组为弱含水层，在没有大的断层或破碎带的前提下，对掘进影响不大，以静储量为主。

3)采用离散元FLAC数值模拟软件对122106工作面开挖过程覆岩破坏发育规律进行分析得出，工作面推进至180m后，导水裂隙带发育速度增加，推进至240m后达到最大值约159m。采空区两端的拉压应力区易发生拉伸破坏，发展成为主要的导水通道，诱发突水事故。