崔振華

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

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水體下采煤對(duì)地表河流影響及保護(hù)措施

崔振華

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

由于煤礦礦區(qū)范圍內(nèi)各種地表水體存在，在開采過程中為提高煤炭資源回采率，不可避免的對(duì)地表水資源、水環(huán)境產(chǎn)生影響。為保證水體下采煤安全，以新疆肖西煤礦為例，分析水體下采煤的兩個(gè)重要影響計(jì)算參數(shù)導(dǎo)水裂縫帶最大高度和防水煤巖柱垂直高度，并提出了水體下采煤保護(hù)措施，對(duì)礦區(qū)礦井水害防治和水資源保護(hù)具有重要意義。

水體下采煤；導(dǎo)水裂縫帶；防水煤巖柱

新疆煤炭資源豐富，礦區(qū)分布面廣，并且大多數(shù)生產(chǎn)煤炭的礦區(qū)，地面井田范圍一般都比較大，大部分礦區(qū)井田范圍內(nèi)都存在不同類型的水體，在新疆煤炭生產(chǎn)礦區(qū)較為普遍存在的地表水體是河流。煤炭生產(chǎn)過程中為提高煤炭資源的回采率，使得地表和地下開采范圍不斷擴(kuò)大，因此開采過程中不可避免的對(duì)地表水資源、水環(huán)境產(chǎn)生不同程度影響。水體下采煤，如果水體受到開采的破壞影響，水體的水就會(huì)流入或者潰入井下，威脅礦井的安全生產(chǎn)和井下人員的生命安全，因此，水體下采煤應(yīng)針對(duì)煤炭開采過程中不同覆蓋巖層和開采條件，分析煤礦開采對(duì)水體的影響，制定專門的安全和技術(shù)措施以保障煤礦生產(chǎn)安全。通常煤炭開采對(duì)水體的影響主要有兩個(gè)方面：一是開采后上覆巖層的冒落帶和導(dǎo)水裂縫帶對(duì)水體的影響，一是上覆巖層的變形和破壞，使水體中的水，滲透和潰入井下，影響礦井的安全生產(chǎn)。本文以新疆肖西煤礦為例，分析煤礦開采后上覆巖層的冒落帶和導(dǎo)水裂縫帶對(duì)地表水體的影響及保護(hù)措施。

1　導(dǎo)水裂縫帶計(jì)算

煤層采出后，采空區(qū)周圍的巖層會(huì)發(fā)生位移、變形甚至破壞，上覆巖層根據(jù)變形和破壞程度的不同分為冒落、裂縫和彎曲三帶，其中裂縫帶又分為連通和非連通兩部分，通常將冒落帶和裂縫帶的連通部分稱為導(dǎo)水裂縫帶。開采沉陷對(duì)地下水含水層的影響主要表現(xiàn)在煤炭開采后頂板發(fā)生垮落形成垮落帶和裂縫帶，進(jìn)而導(dǎo)致地下含水層遭到破壞、地下水漏失、水位下降，并間接對(duì)與已被破壞含水層存在水力聯(lián)系的其他含水層產(chǎn)生影響。同時(shí)，開采沉陷對(duì)含水層的影響程度主要取決于覆巖破壞形成的導(dǎo)水裂縫帶高度是否波及煤層上覆水體。

水體下采煤的實(shí)踐表明，掌握上覆巖層破壞規(guī)律，是實(shí)現(xiàn)水體下采煤的關(guān)鍵。而導(dǎo)水裂縫帶最大高度又是上覆巖層破壞規(guī)律中的主要參數(shù)，導(dǎo)水裂縫帶最大高度的計(jì)算對(duì)水體下采煤是十分重要的，而導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度與煤層賦存地質(zhì)條件、頂板巖性、煤層開采厚度等均有密切關(guān)系。根據(jù)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)編制的《三下采煤新技術(shù)應(yīng)用與煤柱留設(shè)及壓煤開采規(guī)程實(shí)用手冊(cè)》(2005版)，煤層開采后所形成的導(dǎo)水裂縫帶最大高度、冒落帶最大高度可參照表1、表2中的公式進(jìn)行計(jì)算。

新疆肖西煤礦為新建井工礦工程，礦井煤炭產(chǎn)能為6.0 Mt/a大型煤礦工程，礦區(qū)東西長(zhǎng)15.2～20.3 km，南北寬2.5～5.5 km，面積68.44 km2。礦區(qū)內(nèi)有地表水體河流薩布拉克河流過，由于受降雨和氣候條件影響，薩布拉克河為常年流動(dòng)的小河，水面不寬、河水淺、流速流量小，河水補(bǔ)給來源十分有限。根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)勘查報(bào)告，薩布拉克河位于井田13勘探線位置，此勘探線主采煤層為29號(hào)煤層，結(jié)合該煤層覆巖巖性及開采厚度，經(jīng)分析計(jì)算29煤層導(dǎo)水裂縫帶最大高度為248.8 m。

2　防水煤巖柱高度計(jì)算

煤礦開采過程中留設(shè)煤巖柱是確保在水體下進(jìn)行安全采煤的主要技術(shù)措施，留設(shè)防水安全煤巖柱的目的是不允許導(dǎo)水裂縫帶波及水體，只要采煤引起的導(dǎo)水裂縫帶的最高點(diǎn)不觸及水體的底面，當(dāng)開采深度達(dá)到一定值時(shí)，或者說在水體與煤層開采上邊界之間保留一定高度的煤巖柱，就可以避免發(fā)生潰水事故，礦井涌水量也不會(huì)急劇增加，從而也就可以實(shí)現(xiàn)水體下安全采煤。

安全防水煤巖柱布設(shè)原則，當(dāng)?shù)乇硭w中的水量較大，補(bǔ)給來源充足，煤系地層上方無松散層或雖有松散層但較薄，或松散含水層水體的水量較大，且含水層水體的底界面下無穩(wěn)定的厚度較大的粘土層，一般應(yīng)留防水煤巖柱，以防止導(dǎo)水裂縫帶波及水體，使水滲漏到井下。防水煤巖柱的高度必須大于導(dǎo)水裂縫帶高度。根據(jù)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)編制的《三下采煤新技術(shù)應(yīng)用與煤柱留設(shè)及壓煤開采規(guī)程實(shí)用手冊(cè)》(2005版)，防水煤巖柱垂直高度等于導(dǎo)水裂縫帶高度加上保護(hù)層厚度，即H水=H裂+H保。按照上述公式，薩布拉克河防水煤巖柱高度計(jì)算結(jié)果見表3。

表1　煤層開采時(shí)導(dǎo)水裂縫帶最大高度計(jì)算公式表

備注：M為開采厚度

表2　厚煤層分層開采的冒落帶最大高度計(jì)算公式表

表3　薩布拉克河防水煤巖柱計(jì)算高度表(13勘探線)

3　影響保護(hù)措施

3.1防水煤巖柱布設(shè)

為提高煤炭資源水下開采回采率，防止煤炭開采時(shí)出現(xiàn)河水沿開采形成的裂隙滲入井下的情況。新疆肖西煤礦按照表3計(jì)算的結(jié)果，對(duì)薩布拉克河留設(shè)了保護(hù)煤巖柱，本煤礦開采時(shí)不會(huì)對(duì)河道產(chǎn)生影響，不會(huì)出現(xiàn)河水沿開采形成的裂隙滲入井下的情況。具體布設(shè)如下：薩布拉克河煤柱開采時(shí)，回采上限的防水安全煤巖柱的最小厚度440.47 m，保護(hù)層最小厚度191.67 m，防水煤巖柱的保護(hù)層厚度與采厚比值最小15.41倍，大于《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》在一次采出厚度小于3.0 m(包括厚煤層分層厚度)采礦條件下，覆巖條件最不利時(shí)，防水安全煤巖柱的保護(hù)層厚度要大于采出厚度的6倍的要求，并且防水安全煤巖柱的保護(hù)層中起隔水作用的粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖占比95%以上，具有阻隔滲透水的巖層占比較大，回采是安全可行的。由于有191.67 m厚的隔水巖層的作用，采后第四紀(jì)潛水或河的潛流對(duì)地下各含水層的水力聯(lián)系及補(bǔ)給關(guān)系不會(huì)發(fā)生質(zhì)的變化，補(bǔ)給強(qiáng)度不變或微量增加。

3.2地面沉陷保護(hù)措施

地面沉陷的影響范圍受煤層厚度、上覆巖層的厚度、巖性、移動(dòng)角和邊界角影響，本項(xiàng)目開采過程中，為保護(hù)薩布拉克河后期采煤下沉的影響，煤礦開采過程中采用膏體充填方法回采，固體廢物膏體充填就是把礦井的矸石及附近電廠粉煤灰、工業(yè)爐渣在地面加工制成不需要脫水處理的膏狀漿體，采用充填泵或重力加壓通過管道輸送到井下，適時(shí)充填采空區(qū)，形成以膏體為主的上覆巖層支撐體系。薩布拉克河煤柱最大累計(jì)采厚16.97 m，按現(xiàn)有的充填膏體材料和充填技術(shù)，完全可以把地表的最終最大沉降值控制在2.0 m左右，2.0 m左右的下沉是在回采的10 a或20 a間分六次間斷形成的，采用膏體充填回采，單分層的最大下沉僅0.37 m，采后地表移動(dòng)與變形平緩，不產(chǎn)生地表裂隙；充填開采的采動(dòng)導(dǎo)裂縫帶高度大大降低或不產(chǎn)生導(dǎo)水裂縫帶，地下各含水層之間的水力聯(lián)系補(bǔ)給關(guān)系微變或不變，地下水與第四系水的水力聯(lián)系補(bǔ)給影響較小，確保薩布拉克河壓煤保護(hù)環(huán)境免遭損害。

4　結(jié)語(yǔ)

(1)煤礦開采過程中，由于巖石擾動(dòng)使得巖層之間失去平衡，產(chǎn)生冒落、斷裂、彎曲等移動(dòng)與破壞，形成裂縫帶，水體下采煤時(shí)，裂縫帶具有一定導(dǎo)水性，故導(dǎo)水裂縫帶最大高度的計(jì)算對(duì)水體下采煤是十分重要的，其指標(biāo)是影響地表水體主要參數(shù)。

(2)為提高煤炭資源水下開采回采率，防止煤炭開采時(shí)出現(xiàn)河水沿導(dǎo)水裂縫帶滲入井下，煤炭開采過程中應(yīng)留設(shè)防水安全煤巖柱，目的是不允許導(dǎo)水裂縫帶波及水體，因此防水煤巖柱高度計(jì)算也是水體下采煤的重要指標(biāo)參數(shù)。

(3)本文以新疆肖西煤礦為例，分析了煤礦開采過程中兩個(gè)重要參數(shù)，為保證水體下采煤生產(chǎn)安全，開采過程中應(yīng)留設(shè)防水安全煤巖柱，其尺寸應(yīng)滿足防水安全煤巖柱高度要求，同時(shí)對(duì)開采可能產(chǎn)生的地面沉陷給予回填保護(hù)。

[1]孫文華.三下采煤新技術(shù)應(yīng)用與煤柱留設(shè)及壓煤開采規(guī)程實(shí)用手冊(cè).中國(guó)煤炭出版社.2005.

[2]武雄，于青春，汪小剛，等.地表水體下煤炭資源開采研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào).2006，25(5)：1030-1035.

[3]張建成.大同地區(qū)煤炭開采對(duì)水環(huán)境的影響分析和對(duì)策研究[J].山西水利科技.2005，156(10)：34-36.

[4]許家林，王曉振，劉文濤，等.覆蓋主關(guān)鍵層位置對(duì)導(dǎo)水裂隙帶高度的影響[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào).2009，28(2)：380-385.

[5]張守仁，陳佩佩.大型水體下開采安全性評(píng)價(jià)[J].煤礦開采.2009(4)：43-46.

Effect and Protection Measurement on the Surface River Mining under Water Body

CUI Zhen-hua

(Xinjiang water and Hydropower Investigation, Design & Research Institute, Urumqi 83000, Xinjiang)

Because of many kinds of waters exist in many rang of mining area, for improving the mining recovery rate of coal, it will be inevitably produced different levels of impact to the surface water resources and water environment in the mining process. In order to keep mining safety under water body, this paper, taking the XiaoXi-coal mine as an example, analysises two important technical parameters: the maximum height of the water flowing fractured zone and the vertical height of the water-preventing coal pillars, on the basis of the latter parameter, suggests the protection measures of mining under water body, it has important significance for the ground water hazard survey and control in mine area and the water resources protection.

Mining under water body；Water flowing fractured zone；Water-preventing coal pillars

2016-03-21

崔振華(1979-)，男，河南永城人，工程師，主要從事水資源規(guī)劃方面工作。

P641.4+61

B

1004-1184(2016)04-0049-02