李 磊，李德軍

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.中煤科工開(kāi)采研究院有限公司，北京 100013；3.扎賚諾爾煤業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021412)

我國(guó)煤炭資源賦存與開(kāi)采條件復(fù)雜，煤礦的安全開(kāi)采受到了水害的威脅嚴(yán)重[1，2]，其中，針對(duì)在水體下采煤進(jìn)行了60余年的工作與研究，在覆巖破壞發(fā)育規(guī)律、留設(shè)安全煤巖柱設(shè)計(jì)等方面形成了多種完善的技術(shù)與理論[3-6]，頒布了《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)范》(以下簡(jiǎn)稱《“三下”采煤規(guī)范》)，能夠系統(tǒng)的解決一般性近水體煤層安全開(kāi)采問(wèn)題。內(nèi)蒙古地區(qū)扎賚諾爾煤田厚(特厚)煤層綜放開(kāi)采受到了采空區(qū)和地表塌陷積水組成的復(fù)合水體嚴(yán)重威脅，不僅對(duì)工作面開(kāi)采存在充水影響，而且存在潰砂威脅，鐵北煤礦和靈泉礦均發(fā)生過(guò)突水潰砂事故。本文以扎賚諾爾煤田靈露煤礦Ⅱ3特厚煤層所面臨的復(fù)合水體下安全開(kāi)采問(wèn)題為研究目標(biāo)，從避免礦井因頂板水害事故(潰水、潰砂和塌陷等)而遭受破壞和避免地表水體的破壞，維持地表水環(huán)境的生態(tài)平衡等兩個(gè)方向出發(fā)[7，8]，對(duì)復(fù)合水體下近距離特厚煤層安全開(kāi)采的可行性予以分析探討，為類似問(wèn)題的解決提供參考與方向。

1 研究區(qū)概況

靈露煤礦為扎賚諾爾礦區(qū)現(xiàn)有4個(gè)生產(chǎn)礦井之一，東側(cè)與靈東礦相鄰，南側(cè)與靈泉礦相鄰，西側(cè)與靈北礦相鄰，北側(cè)與鐵北礦相鄰。靈露煤礦開(kāi)采方式為井工開(kāi)采，開(kāi)拓方式為斜井開(kāi)拓。將全礦劃分為三個(gè)水平，六個(gè)采區(qū)。開(kāi)采順序采用下行式開(kāi)采，采煤方法為綜放開(kāi)采，全部垮落法管理頂板，生產(chǎn)能力為2.0Mt/a。

礦井首采煤層為Ⅱ2-1煤層一采區(qū)，采煤工藝為綜放開(kāi)采，全部垮落法管理頂板，Ⅱ2-1煤層從礦井投產(chǎn)至今，已安全回采右一片、右二片兩個(gè)放頂煤工作面。為了保證礦井生產(chǎn)能力，礦井?dāng)M回采Ⅱ2-1煤層下部的Ⅱ3煤層一采區(qū)。一采區(qū)范圍內(nèi)Ⅱ3煤層厚度10.3～19.6m，平均厚度14.2m，煤層頂板埋藏深度166～400m，平均埋深258m，與上層Ⅱ2-1煤距離9.7～82.4m，平均間距29.8m。Ⅱ3煤層一采區(qū)首采工作面為一面下層，位于Ⅱ2-1煤層首采工作面右一片下部，工作面寬度200m，工作面推進(jìn)長(zhǎng)度為1327m。Ⅱ3煤層厚度10.3～12.6m，平均厚度12m，埋藏深度在183～233.3m，平均埋深約210m，距離上部Ⅱ2-1煤層間距13.9～33.2m，平均間距19.9m。首采面采煤高度為3.5m，平均放煤高度8.5m，平均采放比為1∶2.43。

本區(qū)的地層發(fā)育有前寒武系變質(zhì)巖組、上古生界石炭-二疊系變質(zhì)巖組、白堊系下統(tǒng)伊敏組和大磨拐河組、第四系。第四系一般厚度10～25m，最厚達(dá)60m，以砂、砂礫為主，夾粘土層。白堊系下統(tǒng)伊敏組和大磨拐河組由一套砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂礫巖及煤層組成，為本區(qū)主要含煤地層；伊敏組厚度約為230m，大磨拐河組厚度約為580m，兩組總厚度約為810m。

靈露煤礦井田位于扎賚諾爾煤田向斜西翼之中部，區(qū)內(nèi)地層平緩，地層走向NE10°～55°，傾向SE100°～145°，傾角3°～12°，井田內(nèi)構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，為一單斜構(gòu)造，斷層以走向正斷層為主，煤系地層中無(wú)火成巖侵入。

2 復(fù)合水體下采煤特點(diǎn)分析

2.1 水文地質(zhì)概況

本文研究范圍內(nèi)主要有4層含水層和3層隔水層，含水層從上往下依次為：第四系沖積孔隙含水層(第一含水層組、弱富水性)、Ⅰ煤層群間砂巖含水層(第二含水層組、中等富水性)、Ⅱ2-1煤層頂板砂巖含水層(第三含水層組、弱富水性)和Ⅱ2-1至Ⅱ3煤層之間砂巖含水層(第四含水層組、弱富水性)。其中第三含水層組是礦井綜放開(kāi)采導(dǎo)水裂縫帶直接影響的含水層，也是導(dǎo)致礦井充水的主要含水層，研究區(qū)含、隔水層關(guān)系如圖1所示。

圖1 研究區(qū)含、隔水層關(guān)系

本區(qū)降雨較少，對(duì)地下水補(bǔ)給不良；井田內(nèi)三面環(huán)水，地表水與地下水有著密切的水力聯(lián)系，老河床成為向第四系含水層補(bǔ)給的良好通道。

本區(qū)地形坡度小、地勢(shì)低洼，排泄條件差；井田內(nèi)具有隔水?dāng)鄬臃植?，煤系地層地下水量呈停滯封存狀態(tài)。

2.2 復(fù)合水體現(xiàn)狀

Ⅱ3煤層的安全開(kāi)采主要受到Ⅱ2-1煤層采空區(qū)積水和地面塌陷區(qū)積水兩個(gè)水體的影響。

1)Ⅱ2-1煤層采空區(qū)積水：Ⅱ2-1煤層采空區(qū)積水水位不超過(guò)2.1m，積水寬度為28.3m，積水長(zhǎng)度為470m，充水系數(shù)為0.17，經(jīng)計(jì)算采空區(qū)積水量為4077m3，右一片下巷斷面積為14m2，按30%冒落計(jì)算，冒落水量為4606m3，采空區(qū)積水合計(jì)8683m3，Ⅱ2-1煤層采空區(qū)積水分布如圖2所示。

圖2 Ⅱ2-1煤層采空區(qū)積水分布

2)地面塌陷區(qū)積水：本區(qū)第四系潛水層埋深較淺，地表在受開(kāi)采影響下沉后，在沉陷區(qū)形成了較大范圍的地表積水區(qū)，目前Ⅱ2-1煤層右一片地表塌陷區(qū)明顯積水區(qū)共三處，積水面積約11228m2，平均積水深度約1.3m，積水量約14596m3，地面塌陷區(qū)積水分布如圖3所示。

圖3 地面塌陷區(qū)積水分布

3 覆巖破壞高度預(yù)計(jì)

煤層覆巖破壞高度對(duì)于研究水體下煤層安全開(kāi)采具有重要意義，是選取適用于水體下煤層安全開(kāi)采技術(shù)的先決條件。國(guó)內(nèi)外對(duì)覆巖破壞高度進(jìn)行了大量的研究，目前，主要的研究方法包括現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、經(jīng)驗(yàn)公式法、類比分析法、相似模擬和數(shù)值模擬[9-13]。本文在資料分析的基礎(chǔ)上，采用類比法對(duì)靈露煤礦Ⅱ3煤層覆巖破壞發(fā)育高度進(jìn)行計(jì)算。

3.1 覆巖巖性分析

根據(jù)鉆孔資料可知，一采區(qū)Ⅱ3煤層可采范圍內(nèi)，Ⅱ3煤層與Ⅱ2-1煤層之間的巖柱以砂巖為主、泥巖為輔的巖性結(jié)構(gòu)，首采面煤層間巖性基本為泥巖，因此，一采區(qū)煤層間巖性可能存在賦存不均的情況。室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果表明，Ⅱ3煤層頂板泥巖抗壓強(qiáng)度5.3～11.9MPa，砂巖抗壓強(qiáng)度變化幅度較大，其中中砂巖強(qiáng)度較大，細(xì)砂巖強(qiáng)度較小，平均抗壓強(qiáng)度在10MPa左右，因此，一采區(qū)基巖柱中，泥巖和砂巖的抗壓強(qiáng)度都較低，均屬軟弱巖層，綜合評(píng)價(jià)，靈露煤礦Ⅱ3煤層覆巖為軟弱類型。

3.2 覆巖破壞發(fā)育高度預(yù)計(jì)

覆巖結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明，靈露煤礦Ⅱ3煤層覆巖為軟弱類型，按照《“三下”采煤規(guī)范》給出的覆巖破壞高度預(yù)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式應(yīng)用范圍為厚煤層分層開(kāi)采且單層采厚1～3m，累計(jì)采厚不超過(guò)15m的情況。根據(jù)鉆孔資料可知，一采區(qū)Ⅱ3煤層平均煤厚14.2m，采煤方法為全厚綜放開(kāi)采，因此不能采用《“三下”采煤規(guī)范》經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)靈露煤礦一采區(qū)Ⅱ3煤層開(kāi)采的覆巖破壞高度進(jìn)行預(yù)計(jì)?；谠摰V無(wú)實(shí)測(cè)資料，本文在對(duì)Ⅱ3煤層覆巖破壞發(fā)育高度預(yù)測(cè)中選用類比法。

結(jié)合類似煤礦覆巖破壞高度規(guī)律，選取與靈露煤礦同處扎賚諾爾礦區(qū)的靈泉煤礦和靈東煤礦覆巖破壞高度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并預(yù)測(cè)靈露煤礦覆巖破壞發(fā)育高度。靈泉煤礦采用放頂煤開(kāi)采方法開(kāi)采Ⅱ3煤層的采放厚度約為6m(采3m、放3m)，煤層頂板以上距Ⅱ3煤約60～70m的Ⅱ2a煤層頂板含水層以及采空區(qū)內(nèi)的水沒(méi)有涌入Ⅱ3煤層的放頂煤工作面及采空區(qū)，說(shuō)明Ⅱ3煤層放頂煤開(kāi)采的導(dǎo)水裂縫帶高度應(yīng)小于60m，其裂采比應(yīng)小于10。靈東煤礦采厚按照2.5～16m、垮落帶高度與采厚的比值為2.0～2.8、導(dǎo)水裂縫帶高度與采厚的比值約為5～10進(jìn)行預(yù)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了首采工作面的安全回采。首采工作面綜放開(kāi)采過(guò)程中，導(dǎo)水裂縫帶沒(méi)有波及到三含，在采厚11m的情況下，三含距煤層超過(guò)62m的情況下，導(dǎo)水裂縫帶沒(méi)有直接波及三含含水層，可見(jiàn)，裂采比不超過(guò)5.6。

類比附近的靈泉和靈東等礦井厚煤層綜放開(kāi)采厚度與導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度之間的關(guān)系，得出了靈露煤礦厚煤層綜放開(kāi)采厚度與導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度之間的關(guān)系，見(jiàn)表1。經(jīng)過(guò)綜合分析，靈露煤礦Ⅱ3煤層在最大采厚20m、綜放開(kāi)采時(shí)的導(dǎo)水裂縫帶高度預(yù)計(jì)值為104m。

鑒于一采區(qū)Ⅱ3煤與Ⅱ2-1煤平均間距29.8m，因此一采區(qū)Ⅱ3煤層導(dǎo)水裂縫帶高度的計(jì)算，必須考慮上煤層Ⅱ2-1開(kāi)采的綜合影響。根據(jù)綜合開(kāi)采厚度，選取兩層煤導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度標(biāo)高最高者作為Ⅱ3煤層開(kāi)采時(shí)的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度標(biāo)高。求得的考慮上部煤層Ⅱ2-1開(kāi)采影響下，Ⅱ3煤層一采區(qū)覆巖破壞發(fā)育高度最大值158m。

表1 采厚與導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度預(yù)計(jì)關(guān)系表

4 安全開(kāi)采技術(shù)分析

根據(jù)前文分析，靈露煤礦Ⅱ3煤層的安全開(kāi)采主要受到了上部的Ⅱ2-1煤層采空積水和地面塌陷區(qū)積水兩大水體的威脅。為避免礦井因頂板水害事故(潰水、潰砂和塌陷等)而遭受破壞和避免地表水體的破壞，維持地表水環(huán)境的生態(tài)平衡，同時(shí)為降低開(kāi)采成本，分析討論不改變開(kāi)采方式的情況下Ⅱ3煤層安全開(kāi)采技術(shù)[14-16]。

4.1 留設(shè)安全煤巖柱技術(shù)

靈露煤礦Ⅱ3煤層的開(kāi)采引起的裂縫如果波及上層Ⅱ2-1采空區(qū)積水區(qū)，采空區(qū)積水在未疏排條件下將會(huì)對(duì)Ⅱ3煤層工作面形成充水，可能造成突水潰砂事故。因此，需滿足對(duì)Ⅱ2-1煤層采空區(qū)留設(shè)防水安全煤巖柱的條件，如果不滿足應(yīng)對(duì)采空區(qū)積水進(jìn)行疏排方可進(jìn)行開(kāi)采，同時(shí)由于本區(qū)煤層頂板基巖固結(jié)性較差，頂板采空區(qū)積水在尚未完全疏干的情況下Ⅱ3煤層開(kāi)采存在潰泥潰砂的威脅，因此還需評(píng)價(jià)是否滿足對(duì)Ⅱ2-1煤層采空區(qū)留設(shè)防砂安全煤巖柱甚至防塌安全煤巖柱的條件。

為評(píng)價(jià)Ⅱ2-1煤層采空區(qū)積水對(duì)Ⅱ3煤層的充水影響，此處根據(jù)Ⅱ3煤層開(kāi)采所需的防水、防砂和防塌安全煤巖柱高度和Ⅱ2-1煤層采空區(qū)與Ⅱ3煤層之間的距離進(jìn)行對(duì)比得出。令：

Δ=Hm-Ha

(1)

式中，Hm為Ⅱ3煤層與Ⅱ2-1煤層之間的距離，m；Ha為安全煤巖柱高度，包括防水、防砂和防塌安全煤巖柱高度，m。

當(dāng)Δ>0時(shí)，Ⅱ3煤層與Ⅱ2-1煤層之間的基巖柱滿足對(duì)Ⅱ2-1煤層采空區(qū)留設(shè)防水(防砂或防塌)安全煤巖柱的條件；當(dāng)Δ<0時(shí)，煤層間的基巖柱不滿足對(duì)Ⅱ2-1煤層采空區(qū)留設(shè)防水(防砂或防塌)安全煤巖柱的條件。根據(jù)Δ值，采用SURFER軟件中克里格插值方法，分別繪制了采空區(qū)積水對(duì)開(kāi)采煤層充水、潰砂和防塌的影響，分別如圖4—圖6所示。

圖4 一采區(qū)Ⅱ2-1采空區(qū)水對(duì)Ⅱ3煤層的充水影響

圖5 一采區(qū)Ⅱ2-1采空區(qū)水對(duì)Ⅱ3煤層的潰砂影響

圖6 一采區(qū)Ⅱ2-1采空區(qū)留設(shè)防塌煤巖柱影響

從圖4可以看出，一采區(qū)范圍內(nèi)兩層煤間距較近，Ⅱ3煤層厚度，Ⅱ3煤層和Ⅱ2-1煤層之間基巖柱均不滿足對(duì)Ⅱ2-1煤層采空區(qū)留設(shè)防水安全煤巖柱的條件。從圖5可以看出，一采區(qū)大部分范圍兩層煤間基巖柱不滿足對(duì)Ⅱ2-1煤層采空區(qū)留設(shè)防砂安全煤巖柱的條件，只有礦井西南邊界部分區(qū)域滿足對(duì)Ⅱ2-1煤層采空區(qū)留設(shè)防砂安全煤巖柱的條件。從圖6可以看出，一采區(qū)西南邊界兩層煤間基巖柱滿足對(duì)Ⅱ2-1煤層采空區(qū)留設(shè)防塌安全煤巖柱條件，東北側(cè)不滿足對(duì)Ⅱ2-1煤層采空區(qū)留設(shè)防塌安全煤巖柱的條件。

根據(jù)上述分析，Ⅱ3煤層和Ⅱ2-1煤層之間留設(shè)安全煤巖柱并不能滿足Ⅱ3煤層在Ⅱ2-1煤層采空積水下安全開(kāi)采的目標(biāo)，應(yīng)對(duì)Ⅱ2-1煤層采空區(qū)積水采取綜合防治水技術(shù)措施，以消除其對(duì)Ⅱ3煤層開(kāi)采的充水潰砂威脅。同時(shí)需要有針對(duì)性地分區(qū)采取安全有效的開(kāi)采技術(shù)措施以保證安全生產(chǎn)。

4.2 安全煤巖柱對(duì)地面塌陷積水影響分析

圖7 地面塌陷積水區(qū)對(duì)Ⅱ3煤層的充水影響

由于上覆Ⅱ2-1煤層的回采，地表形成了較大范圍的沉陷區(qū)積水，靈露煤礦地表采空區(qū)積水與第四系含水層水力聯(lián)系密切，因此將第四系含水層底界視作地表采空積水的防水上限。根據(jù)根據(jù)礦井地質(zhì)資料，本區(qū)第四系厚度一般10～25 m，為了安全起見(jiàn)，第四系含水層底界埋深按25m進(jìn)行計(jì)算，則一采區(qū)滿足對(duì)地表塌陷積水留設(shè)防水安全煤巖柱的情況如圖7所示。從圖7中可以看出，一采區(qū)在煤層實(shí)際厚度開(kāi)采情況下均滿足對(duì)地表塌陷積水留設(shè)防水安全煤巖柱的要求?？梢猿浞诌_(dá)到避免地表水體的破壞，維持地表水環(huán)境的生態(tài)平衡的目標(biāo)。

4.3 Ⅱ2-1煤層采空區(qū)積水綜合防治水技術(shù)

綜上分析可知，Ⅱ2-1煤層采空區(qū)積水對(duì)一采區(qū)Ⅱ3煤層安全回采有巨大的充水威脅，且留設(shè)安全煤巖柱并不能解決一采區(qū)Ⅱ3煤層在Ⅱ2-1煤層采空區(qū)積水下安全開(kāi)采的問(wèn)題。在閱讀大量相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上[17-20]，通過(guò)對(duì)類似問(wèn)題解決方式的對(duì)比分析，建議采取物探、鉆探疏放水相結(jié)合的綜合防治水技術(shù)措施，精確圈定采空積水范圍與大小，分區(qū)疏水，徹底排除上層采空區(qū)積水水害威脅后，才能進(jìn)行Ⅱ3煤層特厚煤層綜放開(kāi)采。其中，物探采用瞬變電磁法，瞬變電磁測(cè)線布置在工作面上、下巷及切眼，上巷布置兩個(gè)探測(cè)方向：向工作面內(nèi)仰角30°方向和內(nèi)仰角20°方向；下巷布置三個(gè)探測(cè)方向：豎直方向、向工作面內(nèi)仰角45°方向，以及向工作面外仰角45°方向；切眼處布置兩個(gè)探測(cè)方向：豎直方向，向工作面內(nèi)仰角45°方向。疏放水方案如下：對(duì)于滿足對(duì)采空區(qū)積水留設(shè)防砂安全煤巖柱的區(qū)域可以按照常規(guī)的疏放水方法進(jìn)行疏放，做到采空區(qū)不存在殘余水頭；對(duì)于不滿足對(duì)采空區(qū)積水留設(shè)防砂安全煤巖柱的區(qū)域采取“先疏后采與邊采邊疏相結(jié)合、鉆孔疏干或疏降與回采疏干或疏降相結(jié)合”的方式。

5 結(jié) 論

1)通過(guò)對(duì)靈露煤礦水文地質(zhì)條件以及開(kāi)采現(xiàn)狀的描述，分析了靈露煤礦一采區(qū)Ⅱ3煤層安全開(kāi)采受到復(fù)合水體威脅的復(fù)雜性和嚴(yán)重性。

2)結(jié)合靈露煤礦一采區(qū)Ⅱ3煤層覆巖巖性，對(duì)特厚煤層開(kāi)采覆巖破壞發(fā)育高度計(jì)算方法選取類比法進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)分析類似煤礦煤層開(kāi)采覆巖破壞規(guī)律，運(yùn)用類比法預(yù)計(jì)Ⅱ3煤層覆巖破壞發(fā)育高度，同時(shí)需要考慮上部Ⅱ2-1煤層對(duì)導(dǎo)水裂縫帶高度的影響。

3)為保證一采區(qū)Ⅱ3煤層安全開(kāi)采，同時(shí)降低煤礦生產(chǎn)成本，不影響地表水環(huán)境的生態(tài)平衡，分析論證了留設(shè)安全煤巖柱能夠滿足對(duì)一采區(qū)地表塌陷積水的防治效果。對(duì)于留設(shè)煤巖柱不能達(dá)到防治效果的Ⅱ2-1煤層采空區(qū)積水提出了物探和鉆探疏放水相結(jié)合的建議。