李 曌,王金安

(1．北京科技大學(xué)金屬礦山開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2．北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，能源需求強(qiáng)勁，煤炭產(chǎn)量日益增大，使得河流下、建筑物下和公路、鐵路下壓埋的復(fù)雜難采煤炭資源得以開(kāi)發(fā)。作為煤礦企業(yè)，無(wú)論是站在國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的高度，還是站在企業(yè)效益穩(wěn)定的角度，把“三下”煤炭資源開(kāi)采出來(lái)都是非常必要的。天祝煤礦3225上、3225、3227工作面已開(kāi)采完畢，正在準(zhǔn)備開(kāi)采3229工作面，開(kāi)采難度和開(kāi)采風(fēng)險(xiǎn)較大，影響了礦山生產(chǎn)的持續(xù)性。因此，急需開(kāi)展河下采煤的研究工作。本文就3229工作面分段試采后地表移動(dòng)變形和導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行預(yù)測(cè)，分析對(duì)金沙河河床的影響。

1 工程概況

天祝煤礦三號(hào)井分為一采區(qū)、二采區(qū)、三采區(qū)，一、二采區(qū)位于炭山嶺煤田的中部，三采區(qū)位于炭山嶺煤田的南部。一、二采區(qū)位于炭山嶺煤田中部，北至F11、F12斷層，南以12#勘探線與千馬龍煤礦相鄰，東、東南到煤層零點(diǎn)邊界，西以中煤層2750底板等高線垂直向上投影至地表；三采區(qū)位于炭山嶺煤田之南部，西以2630煤層底板等高線垂直向上投影至地表為界，東、南、北界以煤層可采邊界為界。礦井開(kāi)采面積10.9084km2。三采區(qū)地層走向一般為北10°～40°西，傾向北東，傾角一般為9°～18°之間。受F2逆斷層影響，淺部(西部)煤層傾角加大甚至倒轉(zhuǎn)，而深部(東)則受基底起伏影響，煤層走向變化大，出現(xiàn)了較為寬緩的背向斜，19～22線深部局部地段傾角緩,甚至出現(xiàn)了小構(gòu)造盆地。

侏羅系中統(tǒng)窯街組(J2Y)為區(qū)內(nèi)主要含煤地層，含煤總層數(shù)為四層(自上而下分別為：頂層煤、上層煤、中層煤及下層煤)，平均總厚度為9.94m，其中可采煤層兩層：上層煤及中層煤，局部可采煤層一層(頂層煤)，可采煤層平均總厚度為9.82m。埋芷深度，以西部煤層露頭線一帶最淺，大致向東漸變深，最深達(dá)510m(南17號(hào)孔)，本層平均厚度215m，最大厚度315m，最小厚度40m。據(jù)專門(mén)水文地質(zhì)鉆孔揭露本層系為孔隙裂隙承壓含水層，為井田內(nèi)主要含水層。水頭壓力較大，多數(shù)能自流，涌水量變化較大。炭25(一采區(qū))、南13(三采區(qū))的單位涌水量分別為0.073kL/S·m和0.0016kL/S·m。

天祝煤礦煤層以全部垮落法的方式進(jìn)行開(kāi)拓。3229工作面位于三采區(qū)。其中金沙河自井田北部流入，沿南北走向幾乎貫穿了整個(gè)三號(hào)井田。為季節(jié)性河流，金沙河走向大致平行于煤層走向。圖1是天祝煤礦工作面與金沙河位置對(duì)照?qǐng)D，圖中坐標(biāo)原點(diǎn)(0,0)的大地坐標(biāo)是(62500,86000)，其中X-正軸指向北、Y-正軸指向西(圖1、表1)。

2 計(jì)算參數(shù)

參照天祝煤礦地質(zhì)和開(kāi)采技術(shù)條件，以及有關(guān)開(kāi)采沉陷理論研究和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析結(jié)果，應(yīng)用基于隨即介質(zhì)理論的三維概率積分方法計(jì)算對(duì)各工作面開(kāi)采引起的地表移動(dòng)變形的計(jì)算參數(shù)如下[1]：

圖1 天祝煤礦工作面位置

表1 工作面開(kāi)采順序與開(kāi)采技術(shù)參數(shù)

1) 下沉系數(shù)η=0.87

2) 水平移動(dòng)系數(shù)b=0.24

3) 主要影響角正切tgβ=1.7

4) 拐點(diǎn)偏移距S走向=48m，S傾向=51m

5) 最大下沉角θ=80

3 試采預(yù)測(cè)結(jié)果

3.1 開(kāi)采影響范圍地表移動(dòng)變形預(yù)測(cè)結(jié)果

地表移動(dòng)觀察表明，在工作面開(kāi)采到一定距離后，隨著采空區(qū)范圍的擴(kuò)大，巖層移動(dòng)逐漸發(fā)展到地表，使地表產(chǎn)生移動(dòng)和變形。開(kāi)采沉陷研究顯示，開(kāi)采引起的地表移動(dòng)過(guò)程，受開(kāi)采深度、開(kāi)采厚度、采煤方法以及煤層產(chǎn)狀和覆巖力學(xué)性質(zhì)等多種地質(zhì)采礦因素的影響[2]。本報(bào)告依據(jù)上述計(jì)算參數(shù)，計(jì)算出了由3225上、3225、3227、3229工作面開(kāi)采引起的地表移動(dòng)變形，包括地表下沉、水平移動(dòng)、水平變形、傾斜和曲率(表2、表3，圖2)。

表2 沿煤層走向地表最大移動(dòng)變形值匯總

表3 沿煤層傾向地表最大移動(dòng)變形值匯總

圖2 開(kāi)采影響范圍地表下沉等值線

3.2 金沙河河床移動(dòng)變形預(yù)測(cè)結(jié)果

地下開(kāi)采對(duì)河流的影響主要表現(xiàn)在下沉、水平變形和傾斜。對(duì)3229工作面開(kāi)采后分析金沙河河床的移動(dòng)變形情況(圖3、表4)。

(“+”表示拉伸變形，“-”表示壓縮變形)

表4 金沙河河床最大移動(dòng)變形值匯總

4 導(dǎo)水裂隙帶理論

覆巖破壞，無(wú)論是其形態(tài)、最大高度還是裂縫的連通性都是有規(guī)律可循的。采空區(qū)上覆巖層按破壞程度劃分為冒落帶、裂隙帶和整體彎曲帶，其中冒落帶和裂隙帶都是透水的，合稱為導(dǎo)水裂隙帶。對(duì)于塑性較好的巖體來(lái)說(shuō)形成“三帶”的過(guò)程較為明顯；對(duì)于可塑性較差的巖體來(lái)說(shuō)，其“三帶”發(fā)展過(guò)程較為劇烈、突然。整體彎曲帶的巖層和地表基本是連續(xù)的，不存在覆巖破壞與地表破壞的連通性問(wèn)題，不構(gòu)成導(dǎo)水通道。按照巖層開(kāi)裂的程度，導(dǎo)水裂隙帶分為四個(gè)區(qū)域：冒落性破壞區(qū)、嚴(yán)重開(kāi)裂區(qū)、一般開(kāi)裂區(qū)和微小開(kāi)裂區(qū)[3]。如圖4所示。

圖4 覆巖破壞的分帶示意圖

4.1 規(guī)程下二帶高度計(jì)算

根據(jù)2000年5月26日國(guó)家煤炭工業(yè)局指定的《建筑物、水體鐵路即主要井巷煤柱開(kāi)采規(guī)程》為標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)《建筑物、水體鐵路即主要井巷煤柱開(kāi)采規(guī)程》，厚煤層開(kāi)采的導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算公式，對(duì)天祝煤礦導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)行預(yù)計(jì)：

Hf=20(∑M)1/2+10=73.2m

式中,Hf為導(dǎo)水裂隙帶高度；∑M為累計(jì)采厚，取6.32m[1]。

根據(jù)《建筑物、水體鐵路即主要井巷煤柱開(kāi)采規(guī)程》中關(guān)于開(kāi)采單一煤層的垮落帶最大高度計(jì)算公式，對(duì)天祝煤礦冒落帶最大高度進(jìn)行預(yù)計(jì)：

Hm=100∑M/(4.7∑M+19)±2.2=15.2m

式中，Hm為冒落帶最大高度；∑M為累計(jì)采厚，取6.32m。

4.2 變形分析法導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算

擬采用變形分析方法確定導(dǎo)水裂隙帶的頂點(diǎn)。水體下采煤實(shí)踐表明，軟弱巖層較堅(jiān)硬巖層更能承受較大的水平拉伸變形。一般認(rèn)為，堅(jiān)硬巖層沿層面方向斷裂的產(chǎn)生就意味著巖體破壞，亦即導(dǎo)水，而對(duì)于軟弱的巖層(如泥巖)，在其時(shí)水平拉伸變形達(dá)到1～2mm/m時(shí)才會(huì)產(chǎn)生裂隙并導(dǎo)水。對(duì)于基巖柱較小的中硬覆巖中的堅(jiān)硬巖層來(lái)說(shuō)，當(dāng)工作面走向長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)時(shí)一般都會(huì)發(fā)生斷裂破壞，而其中的一定層位上的軟弱巖層則可能只發(fā)生塑性破壞，也就成為了抑制導(dǎo)水裂隙帶向上進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵層所在，因此上覆軟弱巖層受采動(dòng)影響產(chǎn)生的水平拉伸變形值決定了巖體破壞的產(chǎn)生和破壞程度的大小。對(duì)上覆軟弱巖層受采動(dòng)的水平拉伸變形進(jìn)行分析，其產(chǎn)生臨界值點(diǎn)的高度即為“冒落帶”的頂點(diǎn)，所以應(yīng)用巖層的臨界水平拉伸變形值確定導(dǎo)水裂隙帶頂點(diǎn)位置是一種可行的方法。

由于導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)的巖層保持原有的層次，且位于導(dǎo)水裂隙帶頂點(diǎn)內(nèi)的巖層只是產(chǎn)生微小開(kāi)裂而不斷開(kāi)，因此仍可以用固支梁力學(xué)模型來(lái)分析水平拉伸變形[4]，如圖5所示。

通過(guò)解算，可得固支梁的最大撓度為：

圖5 固支梁力學(xué)模型

由于在彎曲粱的中性軸下端面產(chǎn)生的水平拉伸變形，并且在粱的下端即y=h/2的端面上水平拉伸變形值最大，因此只要此處的最大變形值εmax不超過(guò)巖層的臨界水平拉伸變形值，那么該巖層就不會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)水裂隙帶，其中：

在裂隙帶發(fā)展到一定高度后，裂隙帶范圍的軟弱巖層(如泥巖)是抑制導(dǎo)水裂隙帶向上發(fā)展的關(guān)鍵。在此取泥巖等軟弱類巖層的臨界水平拉伸變形值為2mm/m，則可以得到巖粱受力彎曲產(chǎn)生最大水平拉伸變形值時(shí)的跨距：

這種條件下所對(duì)的該巖層下端面到煤層頂板的距離H就是此時(shí)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的極限高度[4]。

本次計(jì)算以南45鉆孔資料為計(jì)算基礎(chǔ)，確定有關(guān)巖層厚度和主要巖性參數(shù)。結(jié)合變形分析方法計(jì)算原則、力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，覆巖巖性列出該計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表5。

表5 部分巖層力學(xué)參數(shù)

上覆巖層的荷載q系由巖梁自重及其上覆巖層共同作用，可按下式計(jì)算：

式中：qi為第i層巖層承載載荷，kN/m；γ為表示平均容重，在此巖層取26kN/m，土層24kN/m；Hi為第i層巖層分層厚度，m。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 上覆巖層承載荷載

考慮巖層移動(dòng)變形最終穩(wěn)定狀態(tài)下上覆巖層最大自由下沉空間計(jì)算公式：

根據(jù)表7的變形分析計(jì)算結(jié)果，可以看出覆巖的巖層中，序號(hào)為14的砂巖分層厚度為5.66m，其產(chǎn)生臨界水平拉伸變形值時(shí)該巖層巖梁的跨距為451.34m，在該臨界跨距下的最大撓度遠(yuǎn)大于其最大允許下沉空間，離煤層頂板較遠(yuǎn)，抑制了導(dǎo)水裂隙帶向上發(fā)展；同時(shí)隨著開(kāi)采范圍的增大(多區(qū)段開(kāi)采互相影響效應(yīng))，14號(hào)控制層可能斷裂導(dǎo)水，可靠的控制導(dǎo)水裂隙帶的關(guān)鍵層為8號(hào)層。

表7 變形分析法綜合計(jì)算結(jié)果

因此在工作面開(kāi)采6.32m煤層的條件下，引起覆巖最大導(dǎo)水裂隙帶高度的理論計(jì)算高度為80m[5]。

根據(jù)變形分析法計(jì)算的導(dǎo)水裂隙帶高度大于《建筑物、水體鐵路即主要井巷煤柱開(kāi)采規(guī)程》公式計(jì)算出的，為了安全起見(jiàn)，確定導(dǎo)水裂隙帶高度為80m(圖6)。

5 結(jié)論與建議

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》，礦區(qū)的水體采動(dòng)等級(jí)及允許采動(dòng)程度規(guī)定，天祝煤礦允許采動(dòng)等級(jí)應(yīng)屬Ⅰ級(jí)，不允許導(dǎo)水裂隙帶波及地面水體。煤層位于中侏羅系(窯街組及新河組)孔隙裂隙承壓含水層內(nèi)。隨著煤層的開(kāi)采而垮落或斷裂，導(dǎo)水裂隙帶可能會(huì)破壞到中侏羅系孔隙裂隙承壓含水層，預(yù)計(jì)礦井涌水量會(huì)增大；第四系沖積層孔隙潛水強(qiáng)含水層，因河床下采煤有危險(xiǎn)，可能導(dǎo)致上面的第四系沖積層含水層的潛水或河水通過(guò)塌陷裂隙灌入井下巷道造成淹井。

在充分考慮到地表移動(dòng)變形特點(diǎn)、工作面接續(xù)和礦山壓力控制等因素，在最大限度地開(kāi)采有效資源的前提下，對(duì)金沙河造成了一定的影響；因此，今后開(kāi)采煤層要嚴(yán)防河水下滲造成水患，應(yīng)采取預(yù)防水患的安全措施：①加強(qiáng)地表檢測(cè)。在地表設(shè)立觀

測(cè)站，應(yīng)對(duì)地表的移動(dòng)變形進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)有地表裂縫，立即進(jìn)行充填處理措施，防止地表水滲透井巷；②加強(qiáng)水文地質(zhì)分析，對(duì)工作面進(jìn)行充水性調(diào)查；③對(duì)井下水量進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)井下探放水工作，完善井下排水設(shè)施，增強(qiáng)排水能力；④定期觀測(cè)金沙河流量，對(duì)河流入-出流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)；⑤嚴(yán)禁超挖、超采，保證充填和回采質(zhì)量；⑥加強(qiáng)地表河床的治理，人工修筑河床防滲，河床底板注漿；⑦加強(qiáng)對(duì)井下階段煤柱及區(qū)段煤柱的保護(hù)，必須留足、留好采區(qū)及水平防治水煤柱；⑧在地表塌陷區(qū)周邊埋設(shè)警戒標(biāo)志，從而杜絕意外事故的發(fā)生。

[1] 國(guó)家煤炭工業(yè)局．建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，2000.

[2] 何國(guó)清，楊倫，凌賡娣,等．礦山開(kāi)采沉陷學(xué)[M]．第一版．北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1991，4：79-116.

[3] 西石門(mén)鐵礦馬河下安全開(kāi)采與防洪對(duì)策研究報(bào)告[R]．河北省武安市西石門(mén)鐵礦，2004,7:3-6.

[4] 特厚煤層分層綜放開(kāi)采覆巖冒裂帶高度觀察研究報(bào)告[R]．甘肅華亭煤電股份有限公司陳家溝煤礦，2010，4:93-103.

[5] 許家林，朱衛(wèi)兵，王曉振．基于關(guān)鍵層位置的導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計(jì)方法 [J]．煤炭學(xué)報(bào)，2012，37(5)：762-769.