連躍東

(山西大平煤業(yè)有限公司，山西 長治 046200)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國僅國有煤礦各類水體下壓覆資源量超過100億t，建國后相關(guān)技術(shù)人員就開始了水體下壓覆煤炭資源解放技術(shù)研究和工程實(shí)踐，諸如淮河、資江、樂安江、南桐水庫等大型地表水體下進(jìn)行了安全開采[1]，主要涉及到薄煤層普采、中厚煤層及厚煤層分層普采和綜采等開采工藝[2]。90年代后期綜放開采工藝開始普及，其對工作面地質(zhì)條件具有良好的適應(yīng)性，水體下厚煤層綜放開采進(jìn)行了大量的研究和工程實(shí)踐[3-8]。文獻(xiàn)[9-10]介紹了水庫以及涇河下特厚煤層開采實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。文獻(xiàn)[11]是我國水體下采煤實(shí)施的主要技術(shù)規(guī)范，對于水體下合理安全開采具有重要的指導(dǎo)意義。

水體下采煤不僅涉及到煤炭資源的合理解放，更重要的是關(guān)乎整個礦井的安全生產(chǎn)，必須慎之又慎，但同時不能“談水色變”，大量的水體下開采工程實(shí)踐表明，在充分掌握水文地質(zhì)條件和覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律的基礎(chǔ)上，采用合理的開采技術(shù)方案，可以實(shí)現(xiàn)水體下安全開采，同時效益可觀。大平煤礦濁漳河過境井田北部區(qū)域，河流壓覆煤炭資源嚴(yán)重，河流存在導(dǎo)致河灣階地潛水位較高。該礦在實(shí)測獲得本井田厚煤層綜放開采導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度基礎(chǔ)上，指導(dǎo)實(shí)施了水體下開采工程，保證了安全生產(chǎn)的同時取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

1 地質(zhì)采礦條件

大平煤礦地處山西省襄垣縣，區(qū)塊位于沁水煤田東南部，核定生產(chǎn)能力為120萬t/a。主采二疊系下統(tǒng)3#煤層，緩傾斜，平均厚度約6.0 m，煤系地層為石炭二疊系含煤地層，頂板覆巖主要以各類中粗細(xì)砂巖、泥巖和砂泥巖互層沉積。開采工藝為綜采放頂煤，頂板自然垮落，機(jī)采高度約3 m，割放比為1:1。濁漳河流經(jīng)井田中部，河床最低標(biāo)高約+883 m，基巖直接出露，水面寬度約6～10 m，水深0.5～1.5 m，流量約0.5～2 m3/s。雨季雨量充沛加上上游后灣水庫放水，河水水位將暴漲1～2 m，河床階地潛水位高，一般位于地表下2 m深度。3#煤層底板標(biāo)高約+560～+600 m，頂板主要含水層為K8(頂板上約30 m)以及K10(頂板上約96 m)砂巖含水層，富水性中等。

2 厚煤層綜放裂縫帶發(fā)育高度

2.1 現(xiàn)場實(shí)測

煤層不同開采工藝條件下裂縫帶發(fā)育規(guī)律對于制定水體下采煤技術(shù)方案具有重要指導(dǎo)意義。大平煤礦之前一直采用綜采放頂煤開采工藝，高產(chǎn)高效。為了評價大平礦水體下綜放開采可行性，該礦實(shí)施了綜放工作面導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度地面鉆孔勘探工程，監(jiān)測鉆進(jìn)過程中沖洗液消耗量、孔內(nèi)水位、注水消耗等和異常鉆探現(xiàn)象，掌握水文參數(shù)隨孔深不斷向煤層采空區(qū)接近變化情況，確定不同層位巖層破壞和裂隙發(fā)育情況。大平煤礦3118工作面典型地表鉆孔水文觀測曲線如圖1所示。通常以各參數(shù)突變位置確定裂縫帶高度。兩個鉆孔觀測數(shù)據(jù)綜合分析成果如表1所示。

圖1 1#鉆孔水文參數(shù)與鉆進(jìn)深度關(guān)系圖

表1 大平礦裂縫帶高度觀測成果表

由表1可知，大平煤礦綜放導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為頂板以上105.53～112.62 m，裂隙帶高度與采高比為19.18～19.42。同時對裂縫帶頂界面以上巖層取樣進(jìn)行巖石力學(xué)試驗(yàn)，結(jié)果顯示巖層軟化系數(shù)為0.29～0.85，巖層易遇水軟化膨脹，能限制裂縫帶向上發(fā)育，增強(qiáng)巖層阻隔水性能。

2.2 數(shù)值模擬

采用巖層破斷過程分析系統(tǒng)RFPA，可以直觀模擬巖層隨工作面推進(jìn)垮落破斷全過程。根據(jù)大平煤礦綜放工作面開采技術(shù)條件建立模型，綜采放頂煤一次采全高工作面上覆巖層運(yùn)動破壞規(guī)律的模擬如圖2所示。

圖2 工作面覆巖破壞動態(tài)過程

由圖2可知，覆巖垮落破壞隨著工作面從切眼向前推進(jìn)、不斷向上位巖層發(fā)展，裂縫帶高度發(fā)育到某一巖層層位便趨于穩(wěn)定，當(dāng)工作面繼續(xù)向前推進(jìn)時，頂板破斷裂隙呈現(xiàn)出周期運(yùn)動的特征。經(jīng)過對大平煤礦特定開采技術(shù)條件下工作面覆巖破斷發(fā)育過程模擬得出，綜放有效累計(jì)采高6 m時導(dǎo)水裂縫帶將發(fā)育至頂板之上約120 m。

綜合綜放開采導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬結(jié)果，可以得到大平煤礦綜放開采裂縫帶高度計(jì)算公式如式(1)所示。

Hli=20M

(1)

式中，M為綜放采高。

式(1)可以作為大平煤礦地表河流水體下采煤防水安全煤巖柱的留設(shè)依據(jù)。

3 河道及河床階地下采煤工程實(shí)踐

濁漳河屬于文獻(xiàn)[11]中Ⅰ類采動等級的水體，不允許導(dǎo)水裂縫帶波及，需要留設(shè)防水安全煤巖柱。河床基巖直接出露，防水安全煤巖柱應(yīng)考慮基巖風(fēng)化帶厚度，即Hsh≥Hli+Hf+Hb，式中Hsh為防水煤巖柱，Hli為導(dǎo)水裂縫帶最大高度，Hf為風(fēng)化帶厚度，Hb為保護(hù)層厚度。根據(jù)式(1)，濁漳河下3#厚煤層綜放開采導(dǎo)水裂縫帶最大發(fā)育高度約為Hli=20M=120 m。根據(jù)地質(zhì)勘探資料，強(qiáng)風(fēng)化帶厚度取30 m，其保護(hù)層厚度取5倍采厚，即Hb=5M=30 m。因此濁漳河下正常安全開采所需防水安全煤巖柱尺寸Hsh≥180 m，河床最低標(biāo)高為+883 m，因此河道及河床階地下開采上限為+703 m。濁漳河下最高標(biāo)高為+600 m，遠(yuǎn)低于河床下開采上限標(biāo)高，導(dǎo)水裂縫帶不會波及到地表水體。

濁漳河區(qū)域開采情況如圖3所示，開采區(qū)域位于F2正斷層上盤，落差為35 m，整個地層向西傾斜。開采過程中采取了如下安全技術(shù)措施：(1)加強(qiáng)對隱伏構(gòu)造超前勘探和防治；(2)加強(qiáng)井下涌水量監(jiān)測；(3)完善井下疏排水系統(tǒng)，加大工作面排水能力配備。

圖3 濁漳河河床階地區(qū)域開采情況

由于開采區(qū)域?yàn)楹訛吵练e地，地表潛水位較高，綜放開采地表沉陷較大，兩個工作面塌陷區(qū)均出現(xiàn)大面積積水盆地，積水深度0～3.6 m，平均積水深度達(dá)到2 m，積水量總計(jì)約3萬m3。積水區(qū)如圖4所示。

圖4 工作面采后地表淹沒衛(wèi)片與積水情況

開采過程中進(jìn)行了包括井下工作面涌水量、地表塌陷積水區(qū)水位等觀測，并對比分析了地表積水和工作面涌水水質(zhì)。兩個工作面開采過程中涌水量均比較小，約3～8 m3/h，未出現(xiàn)涌水異常增大現(xiàn)象和滯后突水情況，地表積水區(qū)未發(fā)現(xiàn)漏失，實(shí)現(xiàn)了地面水體下的安全開采。

4 結(jié) 論

(1)采用現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬手段確定了大平煤礦特定條件下厚煤層綜放開采導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律，為地表水體下采煤提供了科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

(2)通過綜合分析和采取完善的水害防治措施，大平煤礦實(shí)現(xiàn)了水體下厚煤層綜放高強(qiáng)度開采，具有很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，有效地解放了礦井水體下壓覆煤炭資源。