摘要：采空区积水会改变煤层的力学特性，进而影响采场采动下围岩的应力和变形特征，主要通过数值模拟的方法对采空区积水作用下围岩的应力场和位移场进行分析。研究表明，随着煤体含水程度的增加，工作面开采后形成的应力集中现象减弱，但水平应力对采空区顶底板的挤压作用增强，表现为顶底板移近量的增大，总体上采空区围岩的稳定性随着煤体含水率的增加而减弱，基于此提出了相应的采空区积水防治方法。
关键词：采空区积水；采场采动；围岩稳态；防治水
1 引言
近些年来矿井水害事故发生次数呈现出逐年上升状态，不仅对煤矿安全生产有直接影响，同时对工作人员的生命安全造成严重威胁。采空区突水在煤矿水害事故中占大部分比例。时间短、水量大及破坏性强等是采空区突水的显著特点，因此加强对煤矿采空区积水探放工作势在必行。
2 采空区水探查与防治的原则
2.1 坚持“全面分析，逐条排查，细致查疑，有疑必探”的原则
在实际进行巷道掘进工作时，每进行一个掘进都需要至少一名工作人员跟进进行监督与检查，同时该工作人员需要有相关水文地质方面的知识，禁止将探查工作交给非水文地质工作人员的现象发生。在实际进行严查工作时要对发现的情况进行及时处理，确保安全后再继续进行掘进工作，这不仅可在一定程度上实现煤矿安全生产，同时对工作人员的生命安全及财产安全进行保障；
2.2 坚持对采空区水进行细致入微调查和分析的原则
在实际进行采空区水调查工作时必须保持严肃认真的态度，深入细致地对该项工作进行完成。为对采空区积水进行明确标记，可在实际进行该项工作时对充水性图纸进行充分利用。同时注意标明“三线”位置。“三线”分别指积水线、探水线及警戒线。中国大部分地区季节性变化显著，因此，必须将采空区积水量和积水的水位变化做实时监控。促使采空区探查工作发挥真正的意义与作用；
2.3 坚持对采空区积水进行动态监测的原则
由于采空区积水具有不稳定性，其积水量是呈积少成多的状态，因此，相关部门必须加强对煤矿采空区的监控力度，对其积水范围和水位状况进行实时监控，以下是提出的几点建议：（1）巷段施工工序的简化使该地段的积水处大量减少，因此为了填充巷段的积水空缺处，应及时对该地段水位降低的地点进行补水；（2）针对该地段水位测绘后的精确数值进行分析，从而制定相关措施改善其水积环境，并有效防止积水扩散，对积水的疏漏处应进行重点标注。
3 采空区积水对煤层开采的影响分析
3.1 工作面充水通道分析
（1）主要充水通道。工作面开采对采空区覆岩稳定性的影响效果较为显著，岩体完整性和稳定性降低，则内部容易形成次生裂隙，原生裂隙也会发生拓宽扩展。在采场采动作用下发生失稳破碎的覆岩根据其形态的不同可分为规则下沉带和不规则冒落带，其中，较高层位的覆岩形成规则下沉带，较低层位的覆岩形成不规则冒落带；随着工作面的不断推进，规则下沉带变形逐渐加大，然后发生破断咬合。当形成的冒落带和下沉带波及到上方含水层时，则形成了工作面的主要充水通道。（2）次要充水通道。当煤层埋深较小时，随着采空区范围的扩大以及采掘系统的延伸，地表容易形成塌陷，从而形成地裂缝，导致地表积水延伸地裂缝渗流到矿井中，容易加大矿井涌水量。对于断层等特殊地质构造而言，在采场采动引起的重分布的应力场作用下，断层的结构面容易从压性转变为张性，鉴于岩体抗压不抗拉的特性，则断层容易导水，在某些应力场异常区域断层发生导水的概率更高。
3.2 探放水钻孔布置及施工技术要求
首先，布置原则。（1）有疑必探；（2）先探后掘；（3）经济有效；其次，超前距、允许掘进距离、帮距的确定。（1）超前距。在展开探放作业的进程中，应先确定探水线并绘制在采掘工程平面图上，并对探水作业流程进行详尽掌控，对其中的每个环节进行安全测定。因为钻探的孔位始终保持超前，所以这段安全距离又被称为超前距；（2）允许掘进距离。当结束探水作业后，为了证明开采环节不会遭遇到水害的胁制，应计算出合适的掘进长度，而这段长度便被称为准许或允许掘进距离；然后，钻孔布置。在各个掘进工作面考虑超前探放水，从预计的探水线开始，每50m施工一组钻孔。单个钻孔孔径为Φ75mm，其它如长度、方位角、倾角等具体施工参数由要根据各掘进工作面的实际布置进行单孔设计；最后，施工技术要求。（1）钻孔打漏后立即插带控制闸阀的Φ75mm的钢管，长度不小于4m。并根据实际涌水情况，控制放水；（2）开孔方位及俯角误差≤1°；（3）孔口管固结。固壁方法是正循环压浆自孔底返出管外，若固结效果不理想，则采用间歇注浆固壁。
3.3 围岩的应力场研究
煤体含水率分别为4%、6%、8%时采空区围岩的垂直应力分布情况如图1所示。从图1中可以看出，工作面开采后在采空区两侧一定深部的煤体范围内形成了明显的集中应力区，这是由于采空区覆岩失去了原来煤体的支撑作用，其自重载荷由两侧实体煤承担；同时在采空区上部覆岩应力等值线呈拱状分布，当含水率分别为4%、6%、8%时，对应的应力峰值分别为45.40、43.19、37.56MPa，应力集中系数分别为2.22、2.11、1.84。由此说明随着煤体含水程度的增加，工作面开采后形成的应力集中现象减弱，但应力集中区的范围增大；究其原因，当煤体含水率较高时，煤体的强度和刚度减小，弹性增大，从而容易对集中应力进行缓冲，从而将较小范围的集中应力扩展到较大范围。从图中还可以发现，覆岩拉应力区的范围随着煤体含水率的提高而扩大，由于煤岩体的抗拉强度要远小于其抗压强度，则说明煤体含水率的增加会加剧覆岩的破坏。煤体含水率分别为4%、6%、8%时采空区围岩的水平应力分布特征如图2所示。当含水率为4%、6%、8%时，对应的水平应力峰值分别为28.29、28.65、30.41MPa，则随含水率增加，水平应力有所增加，但增加的幅度不大，所以含水率对水平应力的影响较小。从图中还可以明显发现采场两侧水平应力随着含水率的增加而增大，这说明随着含水率的升高煤壁更容易向采空区移动。
3.4 采空区积水的防治方法
（1）加强对断层、陷落柱导水性的研究，对特殊地质构造的发育程度和导水性进行详查，避免奥灰水给底板岩层带来的突水威胁。（2）及时查明地表是否存在地裂缝及地表塌陷，确保可以及时进行填埋治理。在矿井建设以及煤层开采工作中，需要加强水文地质勘测力度，这样会更加有利于矿井防治水工作的指导。
4 结束语
随着煤体含水程度的增加，工作面开采后形成的应力集中现象减弱，但应力集中区的范围和开采引起的水平应力增大。采空区含水率越高，水平应力对采空区顶底板的挤压作用越明显，表现为顶底板的移近量增大；同时地表下沉更为显著。整体上采空区围岩的稳定性随着煤体含水率的增加而减弱，由此提出的防治水措施包括做好采掘工作面的探放水工作、加快工作面的推进速率以及加强对特殊地质构造导水性的研究等。
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论文作者:李超
论文发表刊物:《基层建设》2018年第25期
论文发表时间:2018/9/17
标签：采空区论文; 积水论文; 应力论文; 工作面论文; 围岩论文; 含水率论文; 煤层论文; 《基层建设》2018年第25期论文;