一种煤矿采空区积水量的测控方法与流程

本发明涉及一种煤矿老空区积水量的预测方法，尤其涉及的是一种煤矿采空区积水量的测控方法。

背景技术：

煤矿生产过程中因老空区积水溃出造成水害事故约占煤矿水害事故的30％，虽然造成的淹井事故不多，但经常造成工作面停产或人身伤亡事故，给煤矿安全生产和经济效益造成较大的影响。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，经过多年来对采空区积水调查、分析、研究，总结出了一套适合淮南井田老区缓倾斜岩层条件下的老空区积水量定量评价方法，即积水空间法，为井田老区老空水防治提供了技术保障。但是，由于淮南井田老区和新区地质、水文地质情况差异较大，且积水空法理论计算公式的不完整性及部分计算参数的不确定性，造成该种方法在预计井田新区采空区积水量时与现场实际情况差距较大，使得探放水工作与采、掘工作面接替计划有时发生冲突，间接影响了矿井的安全、高效生产。

目前，各矿井主要通过积水空间法来预计采空区积水量。韩必武,朱文,孙兴平，老空区充水定量评价[J].淮南职业技术学院院报,2002,2(3):78-82。吴发红，老塘水的预测与防治[J].煤炭技术,2004，23(4):59。积水空间法是将老空区积水空间的转化为三棱台数学模型，其体积计算公式为：

Q为采空区积水量m³；L为采空区积水走向长度m；H为采空区积水水头高度m；K为采空区充水系数；α为煤层倾角°，如图1所示。

积水空间法充分考虑到老空区积水状态，根据不同的积水空间划分不同的积水段，分段预计各段的积水量，力求使预算结果更切合实际。

积水空间法将充水系数K同顶板岩性有机相结合，使计算公式的参数选取更加合理。

淮南老矿区的大量实践证明，积水空间法对于预计积水水头高度位于冒落带(＜5倍采高)范围内的水量，计算精确度达90％。

但是这个公式本身有缺陷，只计算了部分的积水空间，没有考虑掘进巷道的积水量，并未得到完全的积水量，这就造成了老空区的极大隐患。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种煤矿采空区积水量的测控方法，实现对采空区的积水量精准的计算。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

(1)测量采空区积水走向长度L，煤层倾角α；

(2)然后测量积水水头高度H₁和H₂，下顺槽巷道宽度D；

(3)将采空区的积水空间视为三棱锥模型，然后根据公式：

+掘进巷的积水量，得到采空区的积水总量Q。

所述步骤(3)中，采空区的积水量：

K为采空区充水系数，K0为掘进巷道充水系数，H₁和H₂分别为采空区积水起点和终点水头高度。

作为本发明的优选方式之一，所述采空区充水系数K和掘进巷道充水系数K₀其中至少一个大于0.3。

作为本发明的优选方式之一，所述采空区充水系数K为0.04，掘进巷道充水系数K₀为0.45。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明充分考虑掘进巷的积水量，通过探测和实际放水量相比，本发明的探测方法符合谢桥矿13-1煤层顶板的岩性组合特征，对今后矿井13-1煤层采空区积水量预计具有较好的指导性作用，能够极大的提高矿井安全性，确保高效生产。

附图说明

图1是现有技术中积水空间法水量计算方法的示意图；

图2是本发明实际采空区水量计算示意图；

图3是本发明实际采空区水量计算示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

对照例

本对照例的积水量计算方法采用本公式：

引入老空区充水系数K，是因为老空区积水基本在冒落带范围内，整个积水空间由水的体积与顶板冒落岩石的体积两部分组成，即实际积水体积与积水空间体积之比(即空隙率)，一般取值0.15～0.3之间，如表1所示。

表1对照例中充水系数K与煤层顶板岩性关系表

注：M为采高或煤厚，m。

但在预计老空区积水量时，为防止水量预计过小，通常充水系数K都取最大值0.3，这与实际情况明显不符。现有分析与研究还表明，采空区积水系数K值不仅与顶板岩性有关，而且与采煤方法、回采率、煤层倾角、岩石碎胀程度以及采后的间隔时间等密切关联。如果将本对照例的掘进巷道充水系数K₀值目前尚未确定，简单的认为K₀值等于K值，明显与实际情况不符。

在本对照例中，积水空间法计算公式中，采空区积水水头高度H默认为是一个定值，其计算的结果仅仅是采空区的静态积水量。但实际过程中，老空水水头高度H在每轮探放水后都在动态变化的，例如采空区冒落带内周围岩石空隙水的补给、顶板砂岩水的补给、灌浆水的补给都会造成水头高度H上升。因此，探放水工作时应加强采空区积水水压的观测。

实施例1

如图2和图3所示，图2是说明现有技术中积水空间法只计算了图2中“①”的部分水量，而少算了图中“②”的水量(平行四边形的水量)；图3是通过计算推演发现，图2中少计算的“②”的水量其实就等于图3中掘进巷的积水量“②”(矩形的水量)。图2和图3实际上是同一个采空区。

图2中平行四边形面积“②_左”，S②_左＝(H₁/sinα)*(D*sinα)＝H₁*D，图3的矩形面积“②_右”，S②_右＝H₁*D相等，其中，H₁、H₂代表积水水头高度m，D代表下顺槽1的巷道宽度m，K代表采空区充水系数，K₀代表掘进巷道充水系数，图2和图3中的积水线标记为2。本实施例的积水量计算方法为：

$Q=1/6*K*L*(H_1^2+H_2^2+H_1*H_2)*ctg\mathrm{\α}+1/2*K_0*(H_1+H_2)*D*L.$

将实施例1和对照例分别应用于1331(3)上顺槽，确定最优的采空区充水系数K，掘进巷道充水系数K₀。

1331(3)上顺槽西起东二C组采区上山，东至F22断层，上阶段1321(3)工作面已于2013年11月28日回采完毕。1331(3)上顺槽平行于1321(3)下顺槽布置，净煤柱7.2m。工作面内13-1煤层厚0.2m～6.5m，平均煤厚5.3m，煤层产状160°～215°∠11°～14°，平均倾角为12°，直接顶板为泥岩、砂质泥岩和13-2煤复合顶板，老顶为中细砂岩，直接底板为泥岩。

1321(3)工作面采空区有1个积水段，积水段走向长度508.9m，最大水头高度H＝6.6m，最大水压为0.066MPa，利用对照例的公式预计1321(3)采空区总积水量为4207.3m³，其中充水系数K取最大值0.3。

1331(3)上顺槽共设计四轮探放水，每轮探放水的预计积水段长度、最大水头高度和积水量见表2所示。从表2可以看出，在积水段长度、最大水头高度和充水系数(K、K₀)都相同的情况下，实施例1的方法计算的每轮(除第一轮外)放水量均比对照例的方法计算的放水量大335.7～1628.0m³，累计放水量大2326.7m³。

表2 1331(3)上顺槽每轮探放水预计情况

注：对照例和实施例1中老空区充水系数K与掘进巷道充水系数K₀都等于0.3。

前三轮探放水结果及分析

1331(3)上顺槽前三轮探放水工作从2014年10月7日开始至2014年11月21日结束，累计放出水量3975.3m³，每轮实际放水量及最大水头见表3所示。从表3可以看出，当充水系数K、K₀同时取0.3时，对照例和实施例1的方法计算的第三轮放水量比实际放水量都小，这说明K、K₀不可能同时取0.3，且K、K₀其中至少有一个大于0.3。通过第二、三轮的实际放水量和预计放水量之间关系建立下列建立线性方程：

11623.33K+13030.00K₀＝3218.60

6186.67K+580.00K₀＝756.70

联立计算求得K＝0.04，K₀＝0.45。

从计算结果可以看出，巷道充水系数K₀＝0.45比采空区充水系数K＝0.04大11.25倍，说明巷道内岩石的空隙率远大于采空区内岩石的空隙率，这与实际情况十分吻合。

表3 1331(3)上顺槽前三轮探放水情况

将K＝0.04，K₀＝0.45带入对照例和实施例1中计算出第四轮放水量，见表4。

表4 1331(3)上顺槽第四轮探放水情况

1331(3)上顺槽第四轮探放水工作从2015年1月9日开始至2015年1月11日结束，累计放出水量534m³(见表4)。这一结果与实施例1的方法计算值十分接近，说明K＝0.04，符合谢桥矿13-1煤层顶板的岩性组合特征，对今后矿井13-1煤层采空区积水量预计具有较好的指导性作用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。