蔣澤泉，雷少毅，曹虎生，郭亮亮，張金柱，喬曉英

(1.國(guó)土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710026； 2.陜西省一八五煤田地質(zhì)有限公司，陜西 榆林 719000；3.陜西省礦產(chǎn)資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

沙漠產(chǎn)流區(qū)工作面過(guò)溝開(kāi)采保水技術(shù)

蔣澤泉1,2，雷少毅2，曹虎生2，郭亮亮2，張金柱2，喬曉英3

(1.國(guó)土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710026； 2.陜西省一八五煤田地質(zhì)有限公司，陜西 榆林 719000；3.陜西省礦產(chǎn)資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

沙漠產(chǎn)流區(qū)是榆神礦區(qū)重要的水源地，同時(shí)也可能成為安全生產(chǎn)的水害隱患。為保護(hù)沙漠珍稀水資源，保證煤炭安全高效開(kāi)采，開(kāi)展沙漠產(chǎn)流區(qū)保水采煤分區(qū)關(guān)鍵技術(shù)研究。采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值計(jì)算等手段剖析了過(guò)溝開(kāi)采保水采煤的影響因素及分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，并基于分區(qū)特性提出了過(guò)溝保水關(guān)鍵技術(shù)。研究結(jié)果表明：過(guò)溝開(kāi)采對(duì)水資源的影響可分為地表徑流漏失和匯流區(qū)地下水漏失兩類(lèi)，其中匯流區(qū)進(jìn)一步劃分為突水潰沙區(qū)、突水區(qū)、滲漏區(qū)和保水區(qū)。殘余隔水層厚度為0時(shí)原溝谷底部隔水層失去隔水性能，地表徑流將瀉入井下造成水資源漏失。過(guò)溝保水采煤技術(shù)包括采用修復(fù)地裂縫，突水區(qū)筑壩引流等，在綜合治理開(kāi)采區(qū)取得了工程應(yīng)用成功。

保水采煤；沙漠產(chǎn)流區(qū)；過(guò)溝開(kāi)采；筑壩引流

陜北侏羅紀(jì)煤田地處毛烏素沙漠和黃土高原接壤地區(qū)，區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境脆弱，水資源匱乏，僅在毛烏素沙漠邊緣地區(qū)沙層潛水排泄形成了多條河流。在沙漠的產(chǎn)流區(qū)承載了脆弱的生態(tài)環(huán)境。隨著煤炭開(kāi)采范圍的擴(kuò)大，地下沙層潛水進(jìn)入采空區(qū)，阻斷了地表水的補(bǔ)給源，產(chǎn)流區(qū)的河流也通過(guò)基巖較薄的河道滲入采空區(qū)，嚴(yán)重影響了流域生態(tài)系統(tǒng)，造成可利用水資源量下降，水體濕地及生態(tài)大面積退化[1-4]。

目前，在保水采煤研究領(lǐng)域的成果較多，國(guó)內(nèi)多個(gè)團(tuán)隊(duì)從不同側(cè)面進(jìn)行大量研究，范立民等提出了保水采煤?jiǎn)栴}及實(shí)現(xiàn)途徑[5-6]。黃慶享等提出了隔水關(guān)鍵層概念，揭示了隔水層“上行裂隙”和“下行裂隙”及穩(wěn)定性規(guī)律[7-9]。蔣澤泉、李文平等提出了采空區(qū)儲(chǔ)水構(gòu)想并探討了其可行性[10]。王雙明等提出了榆神府礦區(qū)煤水地質(zhì)類(lèi)型和保水采煤區(qū)劃[11-12]。武強(qiáng)等論述了頂板突(涌)水評(píng)價(jià)的“三圖-雙預(yù)測(cè)法”[13]。蔣澤泉、李文平、李濤研究了榆神礦區(qū)不同礦井的充水條件及水資源利用方向，進(jìn)行了采空區(qū)儲(chǔ)水機(jī)理研究[14-15]，提出了采空區(qū)儲(chǔ)水的理念，為礦井水的綜合開(kāi)發(fā)利用提供了方向和地質(zhì)依據(jù)。范立民、李文平等研究了榆神礦區(qū)工程地質(zhì)條件分區(qū)，為保水采煤方法選擇提供了地質(zhì)基礎(chǔ)依據(jù)[16-17]。曹志國(guó)、顧大釗提出了分布式地下水庫(kù)儲(chǔ)水供水技術(shù)，并在神東礦區(qū)建設(shè)了多處地下水庫(kù)[18]。武強(qiáng)提出了三位一體系統(tǒng)來(lái)保護(hù)生態(tài)環(huán)境[19]。黃慶享提出了隔水土層采動(dòng)彌合性[20]，劉建功、黃慶享等分別提出了充填開(kāi)采保水采煤技術(shù)[21]等。李濤、蔣澤泉等提出了基于采動(dòng)分水嶺的地表水保水煤柱留設(shè)方法和采煤對(duì)地表徑流的影響方式[22-23]，認(rèn)為在重點(diǎn)水體處應(yīng)合理留設(shè)煤柱保護(hù)地表水，但陜北地區(qū)溝壑縱橫，小型地表水系發(fā)育，無(wú)法全部留設(shè)煤柱，因此必然面臨過(guò)溝開(kāi)采保水問(wèn)題。

本文在剖析過(guò)溝開(kāi)采對(duì)水資源影響的基礎(chǔ)上，研究了基于過(guò)溝開(kāi)采地表水影響的因素、采動(dòng)影響的分區(qū)，提出了針對(duì)不同水資源類(lèi)型的保水采煤技術(shù)措施。

1 過(guò)溝開(kāi)采地下水滲漏模式

沙漠區(qū)發(fā)育大量小河流，一般是地下水的自然溢出帶，并廣泛接受第四系沙層水的補(bǔ)給，在地下水均衡動(dòng)態(tài)變化的控制下，使流域地下水埋深及地表徑流始終處于一個(gè)合理的范圍內(nèi)，維系著泉域及其上級(jí)干流的水體、濕地及生態(tài)環(huán)境的動(dòng)態(tài)平衡。在煤層淺埋區(qū)，工作面過(guò)溝開(kāi)采時(shí)，對(duì)溝谷徑流及匯流區(qū)地下水水資源會(huì)產(chǎn)生兩種破壞模式。

1.1 匯水區(qū)地下水滲漏

在工作面推進(jìn)過(guò)程中，由于導(dǎo)水裂縫帶和煤層上覆巖層水文地質(zhì)及工程地質(zhì)條件的差異，溝谷橫剖面方向上呈現(xiàn)明顯的分帶性?；诩t柳林煤礦工程地質(zhì)條件、附近區(qū)域的地質(zhì)勘探孔資料，利用UDEC4.0離散元數(shù)值分析程序，對(duì)15207工作面開(kāi)采上覆巖體破壞的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了數(shù)值模擬。15207工作面為典型近淺埋煤層開(kāi)采工作面，開(kāi)采煤層5-2煤為近水平煤層，5-2煤厚度為6.5～7.1 m，最大埋深約156 m，最小埋深約40 m。本次選擇工作面走向剖面為模擬范圍，長(zhǎng)度約2 606 m，豎向最大高度為180.7 m。模型開(kāi)采條件為單一長(zhǎng)壁冒落采煤方法，全部垮落法管理頂板，每次開(kāi)挖工作面進(jìn)尺30 m，采高6 m。圖1為15207工作面推進(jìn)2 000 m后煤層上覆巖層破壞特征。

從圖1可知，15207工作面開(kāi)采后，煤炭開(kāi)采對(duì)覆巖產(chǎn)生不同程度的破壞，可分為3類(lèi)：

圖1 工作面過(guò)溝開(kāi)采回采覆巖破壞

(1)第1部分距工作面開(kāi)切眼500 m范圍，由于該區(qū)域煤層埋深淺，平均僅40 m左右，煤層開(kāi)采后，導(dǎo)水裂縫帶直接貫穿地表，垮落帶上無(wú)足夠的保護(hù)層，地表水、地下水以及沙層會(huì)一起潰入井下，產(chǎn)生突水潰沙災(zāi)害，同時(shí)造成可利用水資源漏失、水土流失等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。

(2)第2部分距工作面開(kāi)切眼500～1 700 m范圍，煤層埋深相對(duì)較大，煤層開(kāi)采后，導(dǎo)水裂縫帶高度60.5 m，發(fā)育到紅土層，導(dǎo)水裂縫帶以上殘余土層厚度(最大約30 m)小于防水安全煤巖柱保護(hù)層厚度，地表裂縫大量發(fā)育，地表水漏失，地下水潰入井下，產(chǎn)生突水危害，同時(shí)造成可利用水資源漏失、水土流失等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。

(3)第3部分工作面剩余范圍，煤層埋深較大，煤層開(kāi)采后，導(dǎo)水裂縫帶71.6 m，導(dǎo)水裂縫帶以上殘余土層厚度較大(約50 m以上)，尚有一定的有效隔水厚度，少量地表水會(huì)漏失，地下水滲入井下，井下水害少有發(fā)生，但地表裂縫發(fā)育會(huì)造成水土流失等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。

1.2 地表徑流滲漏

本區(qū)地下水徑流嚴(yán)格受地形地貌的控制，地表水流域的邊界與地下水系統(tǒng)的邊界一致，第四系潛水由溝谷兩側(cè)泄出補(bǔ)給河流。由于河流溯源侵蝕切割煤層上覆巖層的厚度在河流沿程并不一致，使隔水層由溝腦向溝口方向逐漸減小，并在某個(gè)斷面上其厚度小于導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度，此處導(dǎo)水裂縫會(huì)貫穿地表，造成地表水直接涌入井下，使河流斷流(圖2)。圖中ab段河流底部殘余隔水層厚度大于防水安全煤巖柱的要求厚度，工作面推進(jìn)不會(huì)破壞溝谷底部的隔水層，可實(shí)現(xiàn)保水開(kāi)采；ac段河流底部殘余隔水層厚度小于防水安全煤巖柱的要求，自斷面a開(kāi)始，該河段不能實(shí)現(xiàn)保水開(kāi)采。

圖2 導(dǎo)水裂縫帶與河床關(guān)系

2 過(guò)溝保水分區(qū)研究

2.1 冒裂帶發(fā)育高度

為獲取符合研究區(qū)地質(zhì)特征的垮落帶、導(dǎo)水裂縫帶高度發(fā)育規(guī)律，采用鉆孔揭露、鉆孔電視、數(shù)值模擬等多種手段對(duì)紅柳林礦井15204和25204工作面進(jìn)行了研究，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 兩帶高度研究結(jié)果

Table 1 Height of caving zone and water flowing fractured zone

工作面工程地質(zhì)類(lèi)型煤層采厚/m鉆孔揭露垮落帶高度/m鉆孔揭露導(dǎo)水裂縫帶高度/m鉆孔電視導(dǎo)水裂縫帶高度/m數(shù)值模擬導(dǎo)水裂縫帶高度/m經(jīng)驗(yàn)擬合導(dǎo)水裂縫帶高度/m15204土-基型6.534.570.5—70.172.3125204沙-土-基型5.830.560.760.5—64.33

由表1可得，15204工作面導(dǎo)水裂縫帶高度實(shí)測(cè)和模擬最大值為70.5 m，垮落帶高度34.5 m，25202工作面導(dǎo)水裂縫帶高度實(shí)測(cè)和模擬最大值為60.7 m，垮落帶高度30.5 m，其中垮落帶高度最大為5.31倍的采厚，而導(dǎo)水裂縫帶高度與綜采條件下的研究成果[13]相符，其計(jì)算方法為公式(1)

Hf=3.41M+27.12b+1.85lnl+

式中，Hf為導(dǎo)水裂縫帶高度，m；M為煤層采厚，m；b為硬巖系數(shù)，無(wú)量綱；l為工作面斜長(zhǎng)，m；s為采深，m；v為推進(jìn)速度，m/d。

因此，采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行肯鐵嶺溝流域的導(dǎo)水裂縫帶高度、垮落帶高度預(yù)測(cè)如圖3所示。

2.2 匯流區(qū)突水潰沙分區(qū)

根據(jù)黃慶享提出的隔水層穩(wěn)定性判據(jù)，如果上行裂隙和下行裂隙未貫通，中間有一定的隔水層就不會(huì)透水，其判據(jù)為：

當(dāng)隔水層為土層隔水層時(shí)，

當(dāng)隔水層為基巖隔水層時(shí)，

其中，Gc為隔采比；H為隔水層厚度，m；M為采高，m；Hs和Hx為上行裂隙和下行裂隙，m。在榆神礦區(qū)基采比Gc≥28+2+(3～5)=33～35倍采高區(qū)域，可實(shí)現(xiàn)保水開(kāi)采；當(dāng)基采比Gc<18倍采高時(shí)，采用長(zhǎng)壁全部垮落法開(kāi)采，上行導(dǎo)水裂縫帶將突破隔水巖組，為突水潰沙危險(xiǎn)性高發(fā)區(qū)；除此之外當(dāng)有效隔水層厚度介于18～35倍采高時(shí)，上行裂隙帶不會(huì)導(dǎo)通隔水巖組，隔水巖組的隔水穩(wěn)定性處于安全～臨界安全狀態(tài)，可劃定為滲漏區(qū)。

圖3 肯鐵嶺溝流域兩帶等值線

由以上垮落帶、導(dǎo)水裂縫帶空間分布預(yù)計(jì)圖及隔水層穩(wěn)定性判據(jù)，制定出保水開(kāi)采分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表2。

表2 保水開(kāi)采分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)

Table 2 Determination standard of coal mining

序號(hào)工程地質(zhì)條件突水潰沙區(qū)突水區(qū)滲漏區(qū)保水區(qū)1Gc≤18,垮落帶、裂隙帶溝通地表√2Gc≤18,導(dǎo)水裂縫帶溝通溝床√4Gc≤18,地層富水性好√518≤Gc≤33～35,大采高√6Gc≥33～35,隔水層穩(wěn)定√

由表2的分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)肯鐵嶺溝流域突水潰沙、突水區(qū)、滲漏區(qū)、保水區(qū)在溝谷分布位置如圖4所示，可以看出突水潰沙區(qū)主要分布在地表徑流的河道周邊，且下游明顯范圍更大；突水區(qū)和滲漏區(qū)則依次分布在突水潰沙區(qū)外圍，保水區(qū)則遠(yuǎn)離溝道零星分布。

2.3 地表滲漏位置確定

根據(jù)“三下采煤規(guī)程”，留設(shè)防水安全煤巖柱的目的是：不允許導(dǎo)水裂縫帶波及地表水體。其垂高(Hsh)應(yīng)大于或等于導(dǎo)水裂縫帶的最大高度(Hli)加上保護(hù)層厚度(Hb)，即

Hsh≥Hli+Hb

根據(jù)導(dǎo)水裂縫帶高度預(yù)計(jì)空間分布及煤層埋深并結(jié)合基巖和土層厚度圖，計(jì)算出的殘余隔水層厚度等值線圖(圖5)。由圖5可知，肯鐵嶺溝沿程殘余隔水層厚度在-30～60m，其中負(fù)值代表導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度大于煤層上覆基巖和土層厚度，導(dǎo)水裂縫導(dǎo)通地表，河床不再具備隔水功能。因此隔水層厚度為0的等值線與河流的交叉點(diǎn)a，b兩點(diǎn)，也就是工作面推進(jìn)過(guò)程中地表徑流潰入井下的臨界點(diǎn)。

3 過(guò)溝開(kāi)采保水技術(shù)及應(yīng)用

3.1 地表徑流區(qū)筑壩引流及防滲技術(shù)

(1)地面河道筑壩引流技術(shù)

由于工作面跨越多個(gè)采動(dòng)影響分區(qū)，因此地表水保水開(kāi)采可以充分利用保水區(qū)和滲漏區(qū)分界點(diǎn)在此處筑壩引流，以紅柳林礦井15207工作面過(guò)肯鐵嶺溝開(kāi)采為例，筑壩引流技術(shù)具體實(shí)施方案如下。

在工作面開(kāi)采前由工作面輔運(yùn)巷位置起算，沿肯鐵嶺溝溝谷向上游垂直距離輔運(yùn)巷150m處，筑壩蓄水，截?cái)鄿瞎壬嫌嗡?。攔水壩排水口處為毛石砌體：毛石Mu≥200MPa，采用M7.5水泥沙漿砌筑。施工時(shí)先進(jìn)行土方回填并預(yù)埋兩趟φ500PVC雙壁波紋管，然后做防水層及砌體，攔水壩過(guò)水口處鋪墊碎石過(guò)濾層，攔水壩斷面如圖6所示。

圖6 攔水壩斷面

(2)溝谷地表處理技術(shù)

煤層開(kāi)采后，地表沉降一般采后3個(gè)月趨于穩(wěn)定，因此在采后3個(gè)月內(nèi)進(jìn)行定期巡查。對(duì)頂板來(lái)壓產(chǎn)生的地表大裂縫采用碎石、礫石進(jìn)行填埋、壓實(shí)；然后回填黃土或紅土0.5m并分層壓實(shí)，中間夾一層土工布；然后回填0.5m級(jí)配良好的碎石并壓實(shí)，鋪設(shè)雙抗網(wǎng)；最后鋪設(shè)三合土0.2m，達(dá)到防止水流沖刷河床的效果。回填后的溝谷地表保持原有的地形坡度比降，保證了溝谷的行洪功能不受影響和改變，有效保護(hù)了地表徑流，避免其瀉入井下而造成災(zāi)害和水資源浪費(fèi)。治理工程斷面如圖7所示。待回填區(qū)穩(wěn)定后可拆除攔水壩恢復(fù)地表徑流。

圖7 河道采后治理工程斷面示意

3.2 匯流區(qū)防滲漏技術(shù)

采動(dòng)保水類(lèi)型分區(qū)中的保水區(qū)不需要采取措施，但其他3個(gè)區(qū)均需要相應(yīng)采取措施進(jìn)行保水開(kāi)采。其中滲漏區(qū)應(yīng)在采后對(duì)地表裂縫填埋，防止水土流失，同時(shí)增加有效隔水土層厚度及防水性；突水潰沙區(qū)和突水區(qū)采前修筑水壩攔截，完善礦井排水系統(tǒng)，采后鋪設(shè)土工格柵，黏土填埋，達(dá)到防治突水潰沙的目的。治理后的溝谷地表保持原有的坡度比降，不改變溝谷原始的行洪功能，有效阻隔了地表水進(jìn)入礦井造成災(zāi)害，也保護(hù)了地表水。

控制沙源流動(dòng)技術(shù)措施主要有溝谷地表鋪設(shè)土工格柵、黏土等方法阻隔沙源、裂縫填堵等。土工格柵能較好地實(shí)現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)與生態(tài)環(huán)境的有機(jī)結(jié)合。與一些傳統(tǒng)剛性結(jié)構(gòu)比較起來(lái)，鉛絲網(wǎng)的柔性材料有其自身的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于不均勻沉陷自我調(diào)整性佳。鋪設(shè)鉛絲網(wǎng)時(shí)，可根據(jù)河床內(nèi)沙源粒徑組成，由密到疏鋪設(shè)多層土工格柵。在河床上因采掘活動(dòng)引起地裂縫，也可用黏土或水泥填堵，并分層夯實(shí)，裂縫填堵是一種較為簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)有效的控制沙源流動(dòng)的方法。

4 結(jié) 論

(1)毛烏素沙漠與黃土高原接壤地區(qū)沙層潛水接觸產(chǎn)流，發(fā)育了大量的小型地表河流，是保水采煤的重點(diǎn)區(qū)域。

(2)過(guò)溝開(kāi)采煤炭受導(dǎo)水裂縫帶高度、垮落帶高度、地表裂縫發(fā)育深度、寬度及保護(hù)層厚度等因素綜合影響，從保水采煤角度可分為突水潰沙區(qū)、突水區(qū)、滲漏區(qū)、保水區(qū)4類(lèi)區(qū)域。

(3)過(guò)溝工作面采用滲漏區(qū)修復(fù)地裂縫，突水區(qū)筑壩引流，潰沙區(qū)采用控制水動(dòng)力條件與控制沙源流動(dòng)技術(shù)，有效的保護(hù)了生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了煤水共采和保水開(kāi)采，綜合治理開(kāi)采區(qū)取得了工程應(yīng)用成功。

致謝:研究過(guò)程中，得到了國(guó)土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任段中會(huì)教授、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)李文平教授、陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院李濤博士等同志的指導(dǎo)和幫助，特此致謝！

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Coal mining under river recharged by desert

JIANG Ze-quan1,2,LEI Shao-yi2,CAO Hu-sheng2,GUO Liang-liang2,ZHANG Jin-zhu2,QIAO Xiao-ying3

(1.KeyLaboratoryofCoalResourcesExplorationandComprehensiveUtilization,MinistryofLandandResources,Xi’an710026,China;2.No.185ExplorationTeam,ShaanxiBureauofCoalGeologicalExploration,Yulin719000,China;3.ShaanxiKeyLaboratoryofExplorationandComprehensiveUtilizationofMineralResources，Xi’an710054,China)

The desert runoff area is an important water source in Yushen mining area.To protect water resource in desert,and ensure safe and efficient coal mining,the authors develop a key technology for coal mining with water contained in desert.The influence factors and the zoning standards of the coal mining with water contained are analyzed by means of field measurement and numerical calculation.The results show that:coal miming under river recharged by desert may lead to two type of water loss,i.e.,flow in river and groundwater in recharge area.The recharge area is divided into water and sand inrush region,water inrush region,leakage region and water retention region.The residual thicknesses of aquifuge can be regarded as a safe indication whether the flow in river could pour into worked-out section or not.Repairing cracks in leakage area,building dam drainage in water bursting area,using the hydrodynamic conditions and controlling sand source flow technology can control in water and sand inrush area.The comprehensive treatment of mining area made a successful engineering application for the mining face across trench.

water-preserved mining;discharge area of desert phreatic water;mining under the gully;building dam drainage

10.13225/j.cnki.jccs.2016.5030

2016-09-30

2016-11-25責(zé)任編輯:畢永華

陜西省科學(xué)技術(shù)推廣計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011TG-01);國(guó)土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題基金資助項(xiàng)目(2014HB007)

蔣澤泉(1967—)，男，陜西臨潼人，教授級(jí)高級(jí)工程師。E-mail:jzq185@126.com

TD823

A

0253-9993(2017)01-0073-07

蔣澤泉，雷少毅，曹虎生，等.沙漠產(chǎn)流區(qū)工作面過(guò)溝開(kāi)采保水技術(shù)[J].煤炭學(xué)報(bào),2017,42(1):73-79.

Jiang Zequan,Lei Shaoyi,Cao Husheng,et al.Coal mining under river recharged by desert[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):73-79.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.5030