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第 46 卷 第 4 期煤田地质与勘探Vol. 46 No.4 2018 年 8 月COALGEOLOGY caving structure; water filling characteristic; water filling coefficient; expansion coefficient 正确预计老空区积水量是煤矿安全探放老空水 的前提条件。目前对于低水头水头高度 H≤5 m、顶 板岩性相对单一的采空区水量预计方法比较成熟[1-5]， 预计结果比较准确， 但对于复合顶板、 高水头H5 m 采空区的预计水量与实际放水量情况相差较大。 谢桥矿 12226 工作面为谢桥矿西翼采区 6 煤层 二阶段，于 2012 年 6 月 25 日开始回采，2013 年 7 月11日收作。 根据 12226工作面巷道起伏情况分析， 预计 12226 采空区总积水量为 111 501 m3，其中第 三积水段积水量为 102 805 m3，占总积水量的 92.2， 该积水段最大水头高度为 22.0 m， 影响走向 长度为 610 m，采空区结构及对应探放水钻孔位置 见图 1。由于 12226 下顺槽距 12326 上顺槽净煤柱 7.2 m，根据煤矿防治水规定[6]及相关规定要求， 需在 12326 上顺槽掘进期间对 12226 工作面采空区 内积水进行探放，确保巷道安全掘进。 2015年 7月 13日至2016年 1月 6日， 在 12326 上顺槽对 12226 采空区第三积水段进行了 7 轮探放 水，共放出老空水 56 000 m3，仅为预计积水量的 50.2。这样大的误差，在以往低水头H≤5 m、顶 板岩性相对单一的采空区水量预计过程中是绝无仅 有的。通过大量调研发现，全国不少矿井在老空水 探放时，都碰到过类似的情况，大多数煤矿工作者 和学者都简单地归结为是充水系数 K 取值过大造成 ChaoXing 100煤田地质与勘探第 46 卷 图 1第三积水段采空区结构及对应探放水钻孔位置 Fig.1Goaf structure and the locations of water detection and drainage boreholesin the third water-accumulating section 的，而未对于这种复合顶板、高水头采空区岩石 层的冒落结构和充水性特征进行分析研究，造成长 期以来采空区积水量预计一直不准，误差较大，直 接影响了矿井的安全、高效生产[7-8]。鉴于此，本文 以谢桥矿 12226 工作面采空区第三积水段为例，对 高水头复合顶板采空区的冒落特征进行分析，研究 采空区内岩石层空间冒落结构与充水性特征之间 的关系，为今后类似条件下采空区积水量准确预计 提供新思路和新方法。 1工作面概况 12226 工作面位于 12126 工作面和 12326 工作 面之间，上阶段 12126 工作面已回采完毕，下阶段 12326 上顺槽正在掘进。 工作面内 6 煤层均厚 2.7 m， 煤层倾角 15，平均采高 3.0 m。根据 12226 工作面 及 12326 上顺槽实际揭露资料表明，12226 工作面 采空区第三积水段 6 煤层直接顶板伪顶为泥岩厚 02.0 m，均厚 1.0 m，局部被基本顶细砂岩直接覆 盖厚 3.010.0 m，均厚 7.0 m，基本顶向上 20 m 分 别发育有煤线厚 01.2 m，均厚 1.0 m、泥岩厚 04.8 m，均厚 2.0 m和砂质泥岩厚 8.619.6 m，均 厚 17.0 m；直接底板为泥岩厚 0.34.2 m，均厚 0.8 m和煤线厚 00.8 m， 均厚 0.6 m组成的复合底板。 6 煤层顶、底板岩性见图 2 所示。 根据地面钻探实测、地球物理勘探及理论计算等 方法， 12226 工作面 6 煤层顶板冒落带高度为 915 m， 冒裂带高度为 2436 m。假设工作面回采冒落后， 采空区内岩石层未发生碎胀作用即岩石碎胀系数 Kc1，冒落后的岩石体积等于原岩体积，则该积水 段水头高度 22 m均处在冒裂带内， 且水头高度 15 m 以下的采空区处于冒落带中。这种顶、底板岩性组 合的采空区冒裂带，可近似概化为如图 3 所示的含 隔水层结构。其中，由 6 煤层直接底板泥岩、煤线 和直接顶板泥岩组成了底部隔水层均厚 2.4 m， 由基 图 26 煤层顶底板岩性 Fig.2Roof and floor lithology of coal seam 6 图 3采空区冒裂带含隔水层结构 Fig.3Aquifer and aquiclude structure of fractured zone of goaf 本顶细砂岩组成了中部含水层均厚 7.0 m，由基本 顶上方煤线和泥岩组成了中部弱透水层均厚 3.0 m 和由砂质泥岩组成了上部弱含水层均厚 17 m。 2积水量预计及结果分析 2.1采空区积水量预计 根据12326 上顺槽探放 12226 工作面采空区 积水设计 ，第三积水段共设计了 7 轮 21 个探放水 孔，其中每轮最靠近迎头的 1 个探放水孔兼作测压 孔，且首先施工该孔，测出本轮探放水的水头高度。 各轮探放水实测水头高度和积水长度见表 1，每轮 探放水以所有钻孔无水且水头高度为“0”表示结束。 ChaoXing 第 4 期张海涛等 采空区冒落结构与充水性特征101 另据淮南矿区多年实践证明[9]， 当煤层顶板上有中、 细砂岩覆盖时，采空区充水系数 K 应取最大值 0.3。鉴 于12226 工作面伪顶泥岩较薄均厚1.0m， 其上为稳定 厚层细砂岩均厚7.0m覆盖， 因此本次预计第三积水段 采空区积水量时，充水系数K 也取了最大值0.3。 利用修正后的空间积水公式1[10-11]，分别预算 出每轮探放水对应采空区的积水量，其结果见表 1。 式1中对应的相关参数的物理意义见图 4 所示。 修正后的空间积水公式为 22 1212 1/6cotVKL HHHHKMDL1 式中 V 为采空区预计积水量，m3；L 为采空区积水 段走向长度，m；H1、H2分别为积水段始端和末端 的水头高度，m；α为煤层倾角，；M、D 为掘进 巷道高度和宽度，m；K 为采空区充水系数。 表 112226 采空区第三积水段探放水情况对比表 Table 1Comparison of water detection and drainage in the third water accumulating section of goaf of working face 12226 第三积水段 探放水轮次 水头高度 ΔH/m 累计水头高度 H/m 积水段长度 L/m 采空区水量 V/m3 充水系数 K 预计积水量 V1实际放水量 V2 差值ΔV 预计实际 第一轮00零点860000.3 第二轮3.73.761030 1448 41221 7320.30.08 第三轮2.46.152721 3445 43815 9060.30.08 第四轮3.910.043423 91514 9208 9950.30.19 第五轮3.213.235412 52410 8191 7050.30.26 第六轮3.817.02989 60310 176–5730.30.32 第七轮522.02555 2766 235–9590.30.35 合计22102 80556 00046 805 注①累计水头埋深在数值上等于累计水头高度，但方向相反。②差值ΔV预计积水量 V1－实际放水量 V2；负号表示预计积水量 大于实际放水量。 图 4积水空间法积水量计算示意图 Fig.4Diagrammatic sketch for calculating water accumulation with water accumulating space law 2.2探放水结果分析 根据表 1 可知，12226 采空区第三积水段预计 总积水量为 102 805 m3， 实际共放出水量 56 000 m3， 比预计积水量少了 46 805 m3。除第一轮探放水外， 其余六轮预计积水量与实际放水量均不相同， 其中第 二轮至第五轮预计积水量比实际放水量大 21 732 1 705 m3， 且随着累计水头埋深的增大， 预计积水量 越接近实际放水量；而第六轮和第七轮预计积水量 比实际放水量小 573959 m3，且随着累计水头埋深 的增大，预计积水量远离实际放水量。 通过对实际放水量和预计积水量的结果分析， 利用式1反推计算得出采空区充水系数 K 值，其结 果见表 1。通过对表 1 分析发现，除第二轮和第三 轮对应采空区充水系数值 K 均为 0.08 外， 从第三轮 至第七轮对应采空区的充数系数 K 值呈对数增长， 如图 5 所示，其关系式为 K0.170 4ln H 0.076 9， 相关系数 R20.997 9， 表明随累计水头埋深 H 增加， 充水系数 K 呈对数型增大。 图 5充水系数 K 随累计水头埋深 H 的变化关系 Fig.5Variation of water filling coefficient K with the cumulative waterhead depth H 综上分析发现，预计积水量 V 和充水系数 K 与实际概况的变化规律， 实质上是采空区内不同空 间位置上，岩石层冒落结构和充水性特征差异的 体现。 ChaoXing 102煤田地质与勘探第 46 卷 3采空区内充水性特征 在采空区冒裂带范围内，整个采空区空间体积 是由煤层顶板冒落岩石层的体积、岩石层空隙间 水和气体的体积 3 部分组成，其中水所占据饱水空 间的体积百分百比称之为充水系数 K[12]。据矿井 地质工作手册[13]上所述，充水系数 K 与岩石层 的碎胀系数 Kc之间存在以下关系 c 1 1/KK  或 c 1/ 1KK（） 2 式中 K 为采空区充水系数； Kc为岩石层碎胀系数。 岩石层破碎后易发生膨胀，碎胀后岩石体积 与固体原岩体积之比，通常用碎胀系数 Kc表示。根 据矿井地质工作手册 ，在冒落带岩石碎胀系数 Kc一般为 1.31.5。 本文首先假设 12226 工作面回采后，顶板细砂 岩均厚 7.0 m碎胀系数 Kc1.0， 即工作面回采冒落 后顶板细砂岩不发生碎胀作用。根据表 1 可知，第 七轮探放水水头高差ΔH5.0 m对应采空区为细砂 岩冒落带，其充水系数 K0.35，根据式2可以计算 得出 Kc1.5， 即工作面顶板细砂岩冒落后其体积或 冒落高度是原体积或原厚度的 1.5 倍，冒落后的 顶板细砂岩高度为 10.5 m。 由表 1 可知，第六、七轮探放水对应采空区内 积水的累计水头高度为 8.8 m小于 10.5 m，因此第 六、第七轮探放水对应采空区空间全部在细砂岩冒 落带内，从第五轮到第二轮探放水对应采空区的细 砂岩冒落带范围逐渐缩小，而采空内的泥岩、煤线 和砂质泥岩的范围逐渐增大。根据表 1 及采空区内 岩石层冒落结构特征，利用式2计算得出顶板岩 性与充水系数 K、碎胀系数 Kc之间的关系，结果见 表 2。 表 2顶板岩性与充水系数及碎胀系数之间对应关系 Table 2Correspondence between roof lithology and water filling coefficient and expansion coefficient 应用条件预计方法充水系数 K碎胀系数 Kc顶板岩性 采空区冒 裂带 积水空 间法 0.151.18泥岩、煤线 0.150.261.181.35砂质泥岩 0.260.351.351.55细砂岩 由表 3 及前文分析可知，12226 工作面顶板细 砂岩的充水系数K0.260.35和碎胀系数Kc1.35 1.55均较大，其冒落后对应采空区充水性较强，可 概化为强含水层厚度约 10 m；泥岩、煤线组成的 岩石层充水系数K0.15和碎胀系数Kc1.18均 较小，冒落后对应采空区导水性差，可视为相对弱 透水层厚约 3.3 m；砂质泥岩的碎胀系数 Kc1.18 1.35、充水系数 K0.150.26，冒落后对应采空区内 纵向裂隙较发育，横向裂隙不发育，且向上裂隙发育逐 渐减弱、充水性减弱，为相对弱含水层厚约20m。因 此，12226 采空区第三积水段充水性模型如图6 所示。 图 612226 采空区第三积水段充水性模型 Fig.6Water filling model of the third water accumulating section of the goaf of working face12226 4结 论 a. 提出对复合顶板、 高水头采空区内积水量预计 时，首先要结合采空区冒落后顶板岩性的组合特征， 建立含水层结构模型；再根据不同岩性充水系数 K 和 碎胀系数 Kc之间的关系，优化并完善充水性模型；最 后以此为基础，对采空区内积水量进行准确预计。 b. 从理论和实践上，初步探究了不同顶板岩性对 应充水系数 K 和碎胀系数 Kc之间的定量关系，填补了 以往充水系数 K 和碎胀系数 Kc在实践研究中的不足。 参考文献 [1] 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，2005，32210–12. 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