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陕北浅埋煤层采空区积水下安全开采技术研究

文档作者：张立其1，刘洋2，方刚2 文档来源： 1. 鄂尔多斯煤炭局 2. 中煤科工集团西安研究院有限公司		点击数：	更新时间： 2022年11月19日
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第43 卷 第6 期 煤田地质与勘探 Vol. 43 No.6
2015 年12 月 COAL GEOLOGY &amp;amp; EXPLORATION Dec. 2015
收稿日期: 2015-01-27
基金项目: 国家自然科学基金青年科学基金项目(41402265)；陕西省自然科学基础研究项目(2014JM2-5064)
作者简介: 张立其 (1969—)，男，河北元氏人，硕士，高级工程师，从事煤矿安全监督管理工作.
E-mail：799923720@qq.com
引用格式: 张立其，刘洋，方刚. 陕北浅埋煤层采空区积水下安全开采技术研究[J]. 煤田地质与勘探，2015，43(6)：
60–64.
文章编号: 1001-1986(2015)06-0060-05
陕北浅埋煤层采空区积水下安全开采技术研究
张立其1，刘 洋2，方 刚2
(1. 鄂尔多斯煤炭局，内蒙古 鄂尔多斯017000；2. 中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)
摘要: 浅埋煤层上覆采空区水威胁着陕北地区诸多煤矿的安全生产。以陕北地区某煤矿为例，针
对该类水害问题进行分析，通过经验公式、数值模拟等方法计算，开采3–1 号煤层产生的覆岩导水
裂缝带高度至少为66 m，运用类比法及经验公式预计，矿井正常涌水量为163 m3/h，最大涌水量
203 m3/h，3–1 号煤层上覆采空区积水量约为2.6×106 m3。根据各计算结果，提出“物探先行、钻探
验排、先治后采、有掘必探”的安全开采技术方案和思路，为矿井后期制定合理有效的煤层顶板采
空区水综合防治措施打好基础。
关 键 词：浅埋煤层；采空区积水；导水裂缝带；矿井水量；安全开采
中图分类号：TD741 文献标识码：A DOI: 10.3969/j.issn.1001-1986.2015.06.012
Research on safe mining technology for shallow buried coal seam under the goaf
water in northern Shaanxi Province
ZHANG Liqi1, LIU Yang2, FANG Gang2
(1. Ordos Coal Board, Ordos 017000, China;
2. Xi′an Research Institute, China Coal Technology and Engineering Group Corp, Xi′an 710077, China)
Abstract: Goaf water above shallow coal seams is threatening the safe production in many coal mines in north
Shaanxi Province. The paper, taking a mine in north Shaanxi Province as an example, aiming at such kind of water
hazards, through using empirical formula, numerical simulation,conducted analysis, calculated that the water-
conducting height in the overlying rock due to mining seam 3–1 was at least 66 m. Using analogy method and
empirical formula, it was predicted that the normal mine inflow was 163 m3/h, the maximum mine inflow 203 m3/h,
the accumulated goaf water above seam 3–1 about 2.6×106 m3. According to the calculation results, the technical
scheme and idea for safe mining were put forward, that is, geophysical prospecting goes first, drilling verifies the
drainage, control is followed by mining, detection must be carried out before any excavation, laying the foundation
for formulating effective and reasonable comprehensive control measures of goal water in the roof of seam.
Key words: shallow coal seam; goaf water; water-conducting fractured zone; mine water yield; safe mining
陕北侏罗纪煤田资源量丰富，地质条件相对简
单，是我国煤炭重要的生产基地之一，但多年来受
水害影响严重。侏罗系含煤岩系较厚，各煤组拥有
较多煤层，对于间距较近的浅埋煤层，下部煤层必
然会受上覆煤层开采后的影响，其所形成的采空区
积水将对下部煤层开采构成重大的水害隐患。目前
来看，这种浅埋多煤层小间距开采，上覆采空区水
对下伏煤层回采造成威胁影响的情况存在于陕北侏
罗纪煤田内的诸多矿井中。本文以陕北地区某煤矿
为例，针对采空区积水对下伏煤层后期回采产生的
影响和威胁这一水害问题进行分析，进而对矿井的
深部煤层未来安全开采技术和方案进行探讨和研
究，为矿井后期制定合理有效的煤层顶板采空区水
综合防治措施打好基础[1-2]。
1 概 况
该煤矿位于神木县北端陕蒙省界3~4 km 处。井
田东西长4.7~5.1 km，南北宽2.1~3.0 km，井田面
积12.42 km2。矿井采用斜井多水平开拓方式，共有
4 个斜井，矿井开采煤层共五层，属于近水平煤层
第6 期 张立其等: 陕北浅埋煤层采空区积水下安全开采技术研究 · 61 ·
群，其中1–2 上为局部可采，1–2 为部分可采，2–2、3–1、
4–2 号煤层属于大部分可采或者全部可采。由于1–2 上
和1–2 号煤层间距小，合并为一个水平，其余各层煤
形成各自的开拓水平。采用综合机械化采煤工艺，
通风方式为中央并列式通风，抽出式通风方式。该
矿前期开采1–2 上、1–2 号煤层，且均已回采完毕；目
前开采的2–2 号煤层也将完成采掘工作，矿井生产布
局已经开始向2-2 号煤层下部的3–1 号煤层转移。由
于1–2、2–2 号煤层间距较小，平均约29 m，均属于
近距离煤层重复开采，2–2 号煤层在开采过程中，其
形成的导水裂缝带已与1–2 号煤层采空区沟通。计划
开采的3–1 号煤层与2–2 号煤层平均间距约为37 m，
在3–1 号煤层采厚2.65 m 的情况下，其形成的导水
裂缝带也将与2–2 号煤层的采空区沟通，届时位于
3–1 号煤层上部的2–2 号煤层采空区积水将极有可能
会进入3–1 号煤层工作面，造成矿井突水灾害，威胁
矿井安全生产。井田地层关系见图1，井田水文地
质剖面见图2。
通过对矿井水文地质条件及充水水源分析，本
区内第四系松散层潜水位下降至基岩内的地段，矿
井涌水量基本恒定；基岩薄、土层厚度薄、潜水富
水性好、大气降水易于汇聚地带，矿井涌水量较大
并可能伴有溃沙现象，尤其是冒落带沟通潜水地段，
充水量一般是由大逐渐变小，充水的延续时间和过
程受充水水源的储水量大小控制，以有限的静储量
为主。
根据上述矿井充水原因和矿井水文地质条件，
井田范围内局部地段的第四系松散岩类潜水与1–2
煤、2–2 煤开采后形成的采空区有所沟通，但目前所
形成的采空区积水充水水源主要是煤系及其上覆基
岩砂岩裂隙水，水源以静储量为主，且水量有限。
未来矿井开采3–1 号煤层，上覆煤层的采空区积水对
其将形成一定的影响，需采取相关疏放水措施，保
证矿井安全生产。
2 覆岩导水裂缝带高度预计
覆岩导水裂缝带高度预计是分析下伏煤层采动
裂隙对上覆煤层先期回采后所形成的采(老)空区积
水的波及程度、评价在积水区下煤层开采安全性等
工作的必要前提准备环节[3-4]。
2.1 经验公式[5-6]
根据岩样测试结果分析，煤层顶板覆岩为中硬
度岩层。综采条件下，导水裂缝带高度的确定主要
有2 种方法：
a. 根据《煤矿防治水规定》确定计算公式
图1 井田地层关系示意图图
Fig.1 Mine formation diagram
图2 井田水文地质剖面简图
Fig.2 Hydrogeological section
100 5.1
li 3.3 3.8
H M
n
= +
+
(1)
式中 M 为累计采厚；n 为煤分层层数；5.1 为修正
系数。
计算结果：
100 2.65 5.1 42.42 m
li 3.3 1 3.8 H ´
= + =
´ +
，
· 62 · 煤田地质与勘探 第43 卷
裂采比约为16。
b. 根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱
与压煤开采规程》确定计算公式
100
5.6
li 1.6 3.6
M
H
M
= +
+
å
å
(2)
式中 åM 为累计采厚；5.6 为修正系数。
计算结果：
100 2.65 5.6 39.40 m
li 1.6 2.65 3.6 H ´
= + =
´ +
，裂采比约
为14.87。
2.2 数值模拟
运用F-RFPA2D 软件模拟再现煤炭资源回采后，
工作面上覆岩层破坏的动态演变过程，在整个采场
开挖的过程中，通过提取顶板隔水层应力、位移变
化的信息，分析顶板隔水岩层的变形、破坏过程。
根据矿井水文地质条件，简化的耦合数学模型
长度为200 m，高160 m，将数值计算模型简化为
12 个岩层的结构体进行研究，划分为37 500 个单元
(图3)。通过分步开挖模拟采动的影响，开挖步距为
5 m，共20 步，累计开挖长度为100 m。模型开挖
的煤层为3–1 号煤层，开挖厚度为4 m。在试验过程
中，采用修正的带拉伸截断(tensile cut–off)库仑准则
作为破坏的判别准则。
图3 数值模拟力学模型示意图
Fig.3 The numerical simulation of mechanics model
数值模拟结果表明，工作面直接顶初次垮落步
距为5~10 m，此后随采随垮。老顶的初次垮落步距
为35~40 m，周期性垮落步距10~15 m。导水裂缝
带在老顶初次来压后5 m 范围内直接沟通上覆岩
层，导水裂缝带高度约69.20 m，裂采比约为26 倍。
2.3 现场实测
煤矿对于3–1 号煤层导水裂缝尚未开展针对性
的“三带高度”探查工作，而在先期数值模拟和理论
计算的基础上，对区内2–2 号煤层施工2 个探查钻孔
(8 号和G1 号)，综合钻探过程中的冲洗液漏失情况
分析，判断其导水裂缝带发育高度。在钻进至7.46 m
处的基岩顶界面时，冲洗液已不能返至孔口，说明
导水裂缝带已经发育到基岩的顶界面。第四系松散
层由于采用的泥浆护壁钻进技术，冲洗液漏失量观
测不到，无法判断导水裂缝带在其内部的发育情况，
不过根据钻进过程中的简易水文观测和地面塌陷情
况分析，导水裂缝带可贯通其上覆基岩面至地表。
说明在该地质条件和开采强度下，导水裂缝带发育
高度为110.11 m，裂采比不小于24.9(2–2 号煤层采
厚按4.43 m 考虑)。
2.4 导水裂缝带高度最终确定
对于经验公式，它简单易行，其原理主要以统
计学为基础，而且形成时期较早，当时我国煤炭井
工开采时大多处于浅部地区，所得的上三带发育高
度，大多适合于分层开采及煤层厚度较小的情况，
而且当时的采煤方法也与现今差异较大，生产实际
证明，采用这种采煤方法时采动导水裂缝带高度一
般大于经验公式计算结果，同时，很多复杂的地质
因素被概化或忽略，复杂地质条件下的工程问题误
差较大，且不能模拟覆岩的动态变形过程，所以，
该方法基本不太适合应用于现阶段我国高效综采的
采煤方法，不能充分地反映现研究区内的具体煤层
实际开采时的顶板扰动破坏特点。
综上所述，根据理论计算、数值模拟和现场实
测三个方法确定的导水裂缝带发育高度，认为理论
计算中所确定的导水裂缝带高度值及裂采比偏小，
不适用于本地区煤层开采后导水裂缝带发育高度值
计算；对于现场实测的导水裂缝带与数值模拟得出
的导水裂缝带发育高度相对较为接近，因此，以实
际探查结果为准，暂确定现煤矿综采条件下，裂采
比为24.9 倍，根据3–1 号煤层厚度计算，其导水裂
缝带发育高度至少为66 m 左右。
然而，根据对陕北地区多个矿井在类似地质条
件下开采的导水裂缝带发育高度实测资料统计，本
矿井的开采条件下裂采比应大于24.9 倍(如区内补
连塔煤矿31401 工作面实测得出的裂采比为31.93~
34.98)。因此，需在3–1 号煤层后期开采过程中对其
“上三带”发育高度进行针对性的研究探查工作。
3 矿井水量预计
3.1 矿井涌水现状
根据煤矿2012–2014 年的矿井涌水统计情况(图4)，
涌水量135.0~190.6 m3/h。从矿井涌水量实际观测情况可
知，现阶段涌水量主要以采空区及生产工作面的涌水量
为主，其余水量来自巷壁渗水和盘区大巷。总体来看，
近几年来矿井涌水量变化不大，稳定在157 m³/h 左右。
第6 期 张立其等: 陕北浅埋煤层采空区积水下安全开采技术研究 · 63 ·
图4 2012–2014 年矿井涌水量统计
Fig.4 Mine water inflow of 2012–2014 years
3.2 工作面涌水量
根据井田现状及与其毗邻且条件类似矿井的实
际涌水情况，结合矿区多年涌水资料，开拓降深和
开拓面积与矿井涌水量之间的关系密切，并建立如
下计算公式：
0
0 0
Q Q S F
S F
= ⋅ ⋅
(3)
式中 Q、Q0 为预算矿井及现矿井正常涌水量，m3/h；
S、S0 为预算矿井及现矿井水位降低值，m；F、F0
为预算矿井及现矿井开拓面积，km2。
以此计算的矿井正常涌水量为163 m3/h，最大
涌水量为203 m3/h。此预算结果是在无特殊原因出
水参与的情况下的矿井涌水量。但随着开采深度的
不断增大，未来矿井开拓至带压区后，在受构造破
坏或隔水层沉积薄弱地段，水压、矿压增大、采掘
不断扰动的条件下，极有可能造成突水灾害，灾害
性突水水量理论上难以预测。矿井需按照预测涌水
量值布设矿井防排水系统，若矿井后期实施疏水降
压措施开采带压区煤层，需布设专门的疏放水工程，
疏降水量不影响先前布设的矿井防排水系统[7]。
3.3 采空区积水量
采空区积水量计算采用：
Q=KMS/cosα (4)
式中 Q 为采空区积水量，m3；M 为煤层采高，m；
S 为采空区淹没面积，m2；α 为煤层倾角，(°)；K
为充水系数。
M、S、α 皆为固定值，K 的取值范围为0.25~0.5，
K 的取值是采空区积水量计算的关键参数[5]。其还
与采煤方法、采出率、煤层倾角、顶底板岩性及其
碎胀程度、采后间隔时间等因素有关，对采空区充
水系数影响最大的因素是煤层顶板岩性及其碎涨程
度，而影响的结果最终都集中且直观地表现在地表
的下沉上。充水系数K 及地表下沉量H 都与采煤方
法等因素有关，经过论证，得到充水系数K 与地表
下沉量H 的关系为：
K=1－H/M (5)
现煤矿2–2 号煤层基本已完成回采工作，根据矿
井工作面接续计划，结合公式计算，得出井田内3–1
号煤层上覆采空区积水量约为2.6×106 m3，该采空
区积水对未来3–1 号煤层的安全开采将构成严重的
威胁。因此，对采空区积水要采取科学的、有效的
防治水措施。
4 煤层安全开采方案
为实现3–1 号煤层的安全开采，综合考虑煤层
埋深、作业条件和经济技术合理性，提出了“物探
先行、钻探验排、先治后采、有掘必探”的安全开
采技术方案[8-9]。
物探采用地面瞬变电磁法和井下直流电法等手
段，基于煤层上覆采空区积水的物探成果解释，在
下伏煤层采掘巷道及工作面施工仰上验证探水孔，
在可控疏水量的前提下逐步疏干工作面回采影响范
围内的积水，待积水基本疏干后进行采掘作业。与
此同时，根据采空区积水量的预计及施工钻探工程
的数量合理设置矿井排水系统，以防放水孔瞬间出
水量超过排水能力，造成不必要的损失。该安全开
采方案的合理性体现在以下4 个方面：
a. 在采空区积水探测方面，物探结合钻探的方
法相比完全依靠钻探手段探查优势突出，不仅可以
缩短探查工期、节约成本，还能从面上摸清积水区
分布概况，局部积水区域的井下钻探是对物探成果
解释的验证，验证钻孔同时还可以留作工作面排放
水钻孔。
b. 矿区地表条件较为简单，植被不发育，有便
利的地面物探工程的作业条件，同时，区内先期勘
探资料较为详实可靠，有利于井下物探、钻探工作
的开展[10-11]。
c. 井田内3–1 号煤层平均埋深约160~180 m，
该测深条件下可以发挥地面瞬变电磁法探测其上覆
采空区积水的优势，探测精准度高。
d. 通过导水裂缝带高度计算，工作面采动裂隙
必然导通煤层上覆采空区，而通过井下钻探手段，
其钻孔疏干过程可控，可操作性强，疏干后进行煤
层的采掘工作，以此可解除上覆采空区积水对下伏
煤层安全开采的威胁。
5 结 语
a. 矿井煤层开采面临的主要水害问题为上覆
采空区积水水害隐患。当采掘活动即将开展至采空
区下部时，应提前查清上覆采空区积水分布情况，
预计其采动裂隙发育高度，分析煤层采掘后对上覆
· 64 · 煤田地质与勘探 第43 卷
采空区积水的影响，评价煤层开采活动的安全性及
可行性，提出有针对性的安全开采技术措施。
b. 根据先期探查工作，运用数值模拟和现场实
测相结合的方法，对3–1 号煤层开采后覆岩导水裂缝
带高度值进行计算，得出裂采比至少为24.9，其导
水裂缝带发育高度至少为66 m。
c. 通过对矿井水文地质条件分析研究，运用水
文地质比拟法对未来矿井涌水量进行预算，预算矿
井正常涌水量为162.54 m3/h ， 最大涌水量为
203.18 m3/h；并预计井田内3–1 号煤层上覆采空区积
水量约为2.6×106 m3。
d. 综合考虑煤层埋深、作业条件和经济技术合
理性，提出了“物探先行、钻探验排、先治后采、有
掘必探”的安全开采技术方案和思路，为矿井后期制
定合理有效的煤层顶板采空区水综合防治措施打好
基础。同时为陕北地区条件类似井田煤层开采及矿
井防治水方面提供一定的参考和借鉴。
参考文献
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[11] 蒋邦远. 瞬变电磁法勘探[M]. 北京：地质出版社，1998.
(责任编辑 张宏)
“ZDY3500LP 型多变幅履带式钻机”等
三项科技成果通过中国煤炭工业协会鉴定
2015 年11 月3 日，中国煤炭工业协会在北京组织
召开了科技成果鉴定会，由中国工程院院士袁亮任主
任、中国煤炭科工集团董事长王金华研究员任副主任和
来自中国矿业大学、中国地质大学、西安科技大学以及
神华集团、陕西彬长矿业集团的9 位专家任委员的鉴定
委员会，对中煤科工集团西安研究院有限公司主持完成
的“ 煤矿井下大功率定向钻进技术与装备” 、
“ZDY3500LP 型多变幅履带式钻机”、“煤矿用全液压定
向钻机操作模拟培训系统”3 项科技成果进行鉴定。
“煤矿井下大功率定向钻进技术与装备”在煤层
中提高钻进效率15%以上，岩层中提高钻进效率30%
以上，排渣效果显著提高、钻孔事故发生概率有效降
低，有利于实现深孔钻进。采用该钻进技术与装备在
晋城寺河煤矿完成了主孔孔深为1 881 m 的超深近水
平定向钻孔，创造了煤矿井下定向钻进新的世界记
录。项目成果对保障煤矿安全高效开采，提高瓦斯抽
采效率具有良好的实用价值和应用前景。项目成果达
到国际领先水平。
“ZDY3500LP 型多变幅履带式钻机”开孔方位
角、倾角、高度调节范围大，适用于煤矿井下跨皮带、
穿层孔、多层孔钻孔施工，研究成果达到国际先进
水平。
“煤矿用全液压定向钻机操作模拟培训系统”研
制了数字化煤矿定向钻机操作模拟平台，控制信息传
输实时、准确；建立了虚拟钻机模型机虚拟钻场模型，
实现了实时反映钻机工作状态，准确地展示了钻进施
工场景；开发了钻机操作模拟教学模块，建立了操作
规程专家数据库，首次实现了煤矿坑道定向钻进全部
操作流程的操作模拟；系统具有理论教学、模拟操作、
特定场景教学、考试考核等7 大功能模块，能够快速、
有效提高受训人员钻机操作水平，满足不同水平受训
人员的培训、考核需求。该系统设计新颖、技术先进、
实用性强，改变了现有钻机操作技能培训方式。项目
成果达到国际先进水平。
(梅 新)

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