煤矿涌水量预测及防治策略研究

陕育博

(晋能控股煤业集团西河煤矿，山西 阳城 048100)

引 言

一直以来，煤矿安全生产备受企业及作业人员的关注。影响煤矿安全生产的主要威胁包括有瓦斯浓度超标、透水事故以及设备、系统可靠性低等。针对煤矿综采工作面的透水事故展开研究。一般情况下，为解决煤矿的透水事故的发生常需采用相应的措施对其含水层等进行控制，所采用防水策略及措施的可行性和有效性是建立对工作面涌水量准确预测的基础上完成。本文将对煤矿涌水量进行预测，并针对性的提出相应的防治水策略。

1 工程概述

本文以某煤矿的31013工作面为例开展研究，31013工作面的走向长度为2 120 m，工作面宽度为240 m，倾斜工作面的长度为80 m，煤层倾角范围为35°～42°，平均倾角为37°，该工作面煤层的平均厚度为3.8 m。经现场探测可知，工作面煤炭的容重为1.43 t/m3，目前可供开采的煤炭储量有275 768万t。31013工作面的顶底板情况，如表1所示。

表1 31013工作面顶底板情况

水文情况：31013工作面的最大涌水量可达30 m3/h；瓦斯情况：31013工作面瓦斯的绝对涌出量可达0.43 m3/min，瓦斯相对涌出量可达2.65 m3/t。

2 矿井涌水量预测模型的建立

结合31013工作面水文地质条件，经研究可知：在实际生产中该工作面的涌水量主要来源于工作面顶板进水，从而导致上覆含水层被破坏，进一步增大该工作面中的含水层。此外，由于工作面岩层中裂隙发育的原因，导致工作面含水层透水性能越来越大[1]。因此，继续对工作面中透水性能越来越大的含水层进行疏放操作。在上述分析的基础上，针对31013工作面将其开采后对应的含水层涌水模型设计，如图1所示。

图1 31013工作面涌水量模型

如图1所示，将31013工作面开采后的煤层分为四个层面，主要为未被破坏的含水层、已经被破坏的含水层、导水裂隙带和煤层。其中，对含水层破坏的主要威胁源为导水裂隙带[2]。

3 矿井涌水量的预测

结合该工作面往年涌水量和本年度涌水量对未来涌水量进行预测。为保证涌水量预测的准确性和全面性。基于图1所建立的渗透补给模型、传统大井法和水文地质法对该工作面的涌水量进行综合预测[3]。

3.1 模型预测

经对该工作面进一步探测，其包含有延安-直罗组含水层和洛河-宜君含水层。因此，需对上述两个含水层的涌水量整体预测。导水裂隙带发育高度为影响工作面涌水量的关键因素[4]。因此，需根据该工作面的煤层、地质等条件基于式(1)求得其对应的导水裂隙带发育高度。

H=h(15.682-1.983h+1.16l)

(1)

式中，h为工作面的煤层高度，h=3.8 m；l为工作面的宽度，l=240 m。将取值代入式(1)计算得出该工作面的导水裂隙带发育高度值为177.56 m。

将计算所得的导水裂隙带宽度导入如图1中的涌水量模型中，得出延安-直罗组含水层的涌水量为132 m3/h；洛河-宜君含水层的涌水量为119 m3/h。因此，基于涌水量模型得出该工作面的涌水总量为251 m3/h。

3.2 基于传统大井法预测涌水量

基于传统大井法对工作面涌水量进行预测，除了考虑上述延安-直罗组含水层和洛河-宜君含水层外，还需考虑煤层顶板的砂岩含水层。此外，基于传统大井法对工作面涌水量的预测需综合考虑该工作面的渗透系数、水柱高度、含水层的厚度以及该预测方法对应的引用半径等相关。

鉴于篇幅有限，此处不对每个含水层的涌水量进行计算。综合上述分别得出延安-直罗组含水层的涌水量为50 m3/h；洛河-宜君含水层的正常涌水量为36.02 m3/h；煤层顶板砂岩含水层的涌水量为50 m3/h。因此，基于传统大井法可得出31013工作面的正常涌水总量为：50 m3/h+50 m3/h+36.02 m3/h=136.02 m3/h。

3.3 基于水文地质比拟法预测涌水量

所谓水文地质比拟法指的是对已开采工作面涌水量的实测值与已开采工作面的相关特征参数进行比对，从而实现对涌水量的预测，其所依据的公式，如式(2)所示。

(2)

式中，QI为已开采工作面的涌水量；SI为已开采工作面的工作面面积；Q2为预测工作面的涌水量；S2为预测工作面的工作面面积。本文所选择已开采工作面的长度为1 943 m，对应宽度为180 m，该工作面实际测得正常涌水量为120 m3/h；本文所预测工作面的长度为2 020 m，宽度为240 m，根据式(2)得出该工作面的预测涌水量为：166.34 m3/h。

综上所述，为保证基于涌水量预测所采用防水措施能够有效对工作面含水层进行防治。选用基于模型所得的涌水量提出防治水措施[5]。

4 矿井水防治策略

结合对煤矿涌水量预测的结果，为确保工作面的安全性生产还需采取一定的防治水措施，具体防治水工作可从以下几个方面开展。

1) 开采前采用物探手段进行探测，先对砂岩裂隙的含水层进行疏水操作，而后对覆岩地质软弱的位置进行注浆加固；

2) 当工作面进行开采或者掘进时需严格控制施工质量，防治工作面顶板出现局部冒顶的事故；

3) 准确掌握工作面地质、水文以及岩层等条件，掌握工作面各个含水层的水位动态；

4) 为避免工作面顶板岩层被非均衡破坏、局部抽冒和突水溃砂现象的发生，在实际开采过程中应保证工作面推进快速且均衡；根据31013工作面特征，要求工作面采高不超过4 m，并确保通风机和排水设备可正常运行。

5 结语

煤矿透水事故严重威胁着综采工作面的安全生产。在实际生产过程中常对工作面含水层进行疏水操作，并采取相应的注浆加固措施解决工作面透水事故的发生。为保证工作面防治水措施的可行性和有效性，需精确预测得出所研究工作面的涌水量，为防水策略的制定奠定基础。