| 神府矿区岩石浸水膨胀对采空区充水系数影响 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 作者： 发布于：2018/12/21 10:05:04 点击量： | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
神府矿区岩石浸水膨胀对采空区充水系数影响
高国生；谢伟
（陕西德源府谷能源有限公司 三道沟煤矿管理处，陕西 府谷 719400）
[摘要]通过对神府矿区三道沟煤矿综采工作面采空区探放水工作的研究，提出采空区充水系数与采空区地表下沉量及煤层顶底板岩石浸水膨胀性间的关系，给出了神府煤田地质条件下充水系数计算修正方法。
关键词：神府矿区；充水系数；采空区；岩石浸水膨胀性
在各类矿井突水事故中，采空区突水危害极大，具有来势凶猛、瞬间流量大、流速快、冲击力大、破坏性强等特点，严重威胁着矿井的安全生产[1]。目前，神府矿区受工作面布置影响，综采工作面采空区内普遍存有大量积水，给邻近及下层工作面开采及掘进工作带来突水隐患。在探水过程中采空区积水水量的准确预报显得尤为重要。采空区积水水量与采空区面积、地表下沉量、岩石碎胀系数等有密切关系，采空区积水水量计算的精确程度，关键取决于充水系数K值的选取。
1. 矿区概况
三道沟煤矿位于陕北黄土高原北部，全区地形支离破碎，沟壑纵横，为典型的黄土高原地貌，区内植被稀少，水土流失严重，区内河流流量有限，受季节性降水影响大，常年断流。
井田地质构造简单，其主采煤层5-2煤赋存于延安组第一段的顶部，平均倾角1～3°，顶板岩性以粉砂质泥岩和泥岩为主，底板主要为粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，覆盖厚度最大232.72m，最小23.49m，一般在110～200m之间。雨季大气降水和延安组基岩裂隙水为工作面的主要充水水源。大气降水通过松散层及基岩裂隙直接下渗补给井下，井下采空区积水的另一来源为生产过程中产生的系统回水等，但总水量较小。
本矿采空区分为两种类型：其一为柱式体系采煤法形成的采空区，此区煤层顶板较为稳定，亦无地压灾害，该类型采空区形成后一般巷道基本保持原貌，极少发生垮塌现象，因此该种类型采空区积水量测算的重点是弄清采空区巷道分布状况，与其他因素无关系；其二为长壁综合机械化采煤工艺完全垮落法形成的采空区，该种类型采空区水量计算较为复杂，影响因素较多，主要有底板走势、标高、采空区垮落程度、填实程度及后文涉及到的岩石浸水膨胀系数等，为本次研究的重点对象。
2. 影响充水系数变化的因素
2.1 充水系数K值选取讨论
按传统理论，采空区充水系数主要和采煤工艺、煤层倾角、采后间隔时间、采出率、顶板岩石垮落后的碎胀程度等因素有关。而这些因素综合作用的结果都集中且直观地表现在地表下沉上[2]。因此按传统理论公式K=1-H/M，只需对工作面采煤高度，及相对应的地表下沉量进行较为精确的测量，便可以计算出采空区积水量大小，该公式适用于壁式体系采煤完全垮落法产生的采空区，且工作面面积越大、采后间隔时间越长、采空区垮落越完全，K值约接近真实值。
 图1 顶板岩层移动分带
I—垮落带；II—裂隙带；III—整体沉降带；IV—地表下沉量（H）
2.2 实例分析
三道沟煤矿35101综采工作面是三道沟煤矿首采工作面，设计工作面走向长度2400m，倾向长度280m，平均倾角1～3°，属水平煤层，顶板岩性以粉砂质泥岩和泥岩为主，底板主要为粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，煤层平均厚度1.92m，平均采高2.2m，已回采完毕。现在其工作面一侧施工采区集中巷，所留安全煤柱40m，在集中巷掘进至1700m（等同于工作面1700m）处发生透水事故，无人员伤亡。事故发生后需进行采空区水量计算，以确定排水能力及时间。经计算本次透水事故集中巷内积水7014m3，水位标高1114.7m，透水点标高1112.1m，采空区充水区体积300846m3，动水量11.5m3/h，总排水为16301 m3，动水补充量为2886.5 m3。
《35101工作面地表移动规律研究报告》勘查结果显示，该区地表下沉量为1.8～1.9m之间。K取值为0.14～0.18，计算本次采空区内积水量的理论值应在42118～54152m3之间。
实际积水量应为：采空区积水量=总排水-动水补充量-被淹巷道内水量
通过计算实际采空区积水量仅为6400.5 m3。该实际测量结果与理论计算结果相差甚远，则可据此推断，可能存在影响采空区富水区充水系数的其他因素。
3. 岩石浸水膨胀性对充水系数K值的影响
3.1 岩石浸水膨胀性与充水系数的关系
通过上述实例发现，传统理论公式K=1-H/M，仅是考虑了采空区在完全塌陷后形成的状态，此理论在顶底板岩石遇水膨胀系数不大时较为准确，但是忽略了顶底板岩性及其破碎浸水后对该原始空隙空间的后期重填改造。当顶底板为泥岩等遇水膨胀系数较大的岩石时，岩石的遇水膨胀的特性就凸显出来了。设岩石的浸水膨胀系数为β，假设原采空区岩石体积为1，则岩石在浸水膨胀后的体积为（1+β）。采空区坍塌后，水缓慢浸入破碎的岩石, 岩石的遇水膨胀特性会随着时间的推移逐渐增强，尤其是破碎的泥质岩性岩石遇水膨胀后会大量充填入原始空隙空间，进行二次充填，则采空区富水空间相应减少（见图2）。其浸水膨胀特性对采空区富水区域的影响可通过K=1-H（1+β）/M进行修正计算。
 图2 岩石浸水膨胀对空隙的充填改造示意图
I—垮落带；II—裂隙带；III—整体沉降带；IV—地表下沉量（H）；V—浸水区域
4. 三道沟煤矿K值的计算
研究区可采煤层5-2煤顶底板岩性均以泥岩和粉砂质泥岩为主，其矿物成分主要为粘土矿物，其次为石英，在一些砂质泥岩中还有钾长石，自由膨胀率平均为37％～50％，具弱膨胀性及遇水软化等特点。
表1 采区5-2煤层顶底板岩性
根据文江泉、韩会增膨胀岩分级标准中的研究结果，可推断研究区5-2煤顶底板泥岩极限膨胀量应为3~15%。
表2 文江泉、韩会增膨胀岩分级标准
该采区顶板岩性以粉砂质泥岩和泥岩为主，底板主要为粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，通过对研究区可采煤层5-2煤顶底板岩石的取样实验，确定该岩石的遇水膨胀率为11~14%。
通过该公式计算，研究区域充水系数K取值为0.015～0.084之间。
根据实际测得水量反推实际K值可得，在该区间中，K=6400.5 m3/300846 m3≈2.2%，因此暂取2.2%为本矿的充水系数。
5 实例验证
例证1：研究区三盘区集中巷掘进至1700m处发生透水事故后，矿方为消除采空区水灾隐患，在集中巷450m处对35101工作面内部分采空区积水进行疏导，水位标高1116.7m，放水点标高1114.29m，采空区充水体积222513m3，动水量8m3/h。
计算得Q=KV=0.022x222513m3=4895m3
实际测量水量：总排水10940m3，动水补充量6144m3，通过计算实际采空区积水量为4796m3，该值与理论值相差不大。
例证2：35103工作面安装完毕进行试运转前，对其北侧的35102工作面采空区积水进行疏放，放水点为35103工作面切眼，标高1110.4m，水位标高1115.1m，采空区充水体积85600m3，无动水补充量。计算得Q=KV=0.022x85600m3=1883m3。
实际测量水量：总排水2152m3，该值与理论值有一定出入。
以上实例证明本矿K值应为2.2%左右，实例2中实际水量超出理论值14%，应与工作面采后间隔时间较小及切眼处放水有关，采后时间间隔较小地表未完全沉降，且该放水位置处于切眼，易形成托盘效应，采空区富水空间较稳定沉降的采空区大，因此在K值选取时应偏大。
6 结束语
影响充水系数的因素很多，在实际生产中各煤矿取值存在很大差别，其除与采煤工艺、煤层倾角、采后间隔时间、采出率、顶板岩石垮落后的碎胀程度等因素有关联外，与煤层顶底板岩石浸水膨胀性亦有重大关联。可根据岩石浸水膨胀系数β的不同，对公式K=1-H（1+β）/M进行修订。因此此理论具有普遍适用性。
通过本次研究，计算出本矿采空区充水系数为2%~3%左右，为矿井防治水方面提供了可靠的技术依据。
参考文献
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[2]张运海，吴祥，李新华．顶板托板存在对采空区充水系数的影响[J]．煤炭科学技术，2006年7月第34卷第7期：33-35
[3]张景海．煤矿安全手册[M]．北京：煤炭工业出版社，1992
[4]何国清，凌赓娣，杨伦，等．矿山开采沉陷学[M]．徐州：中国矿业大学出版社，1992
[5]李思标，孔令珍．用地表下沉量预计采空区积水量[J]．山东煤炭科技，1998年03期
[6]李新郑，魏俊林．浅析采空区积水疏放[J]．煤矿现代化，2005年05期
[7]熊崇山，王家臣．矿井采空区积水量的研究[J] ．矿业安全与环保，2005年02期
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[9]修中标，李彬．张集矿13-1煤采空区充水系数定量研究[J]．河北煤炭，2008年01期
[10]曹海东，刘峰，李泉．神东矿区矿井水开发利用潜力研究[J]．煤炭工程，2010年01期
作者简介：1：高国生(1969年3月—)，男，汉族，山东淄博人，工程师，山东科技大学在职研究生，目前在陕西德源府谷能源有限公司担任副总工程师。
2.谢伟（1982—），男，山东聊城人，硕士研究生，2009年毕业于长安大学，现任神东煤炭集团有限公司三道沟煤矿技术员，从事煤矿生产技术及管理工作。
收稿日期：2018.11.13
责任编辑：郑庆红 |