王新國，曹志國，2，劉 鵬

(1.國能神東煤炭集團(tuán)有限公司 上灣煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209；2.煤炭開采水資源保護(hù)與利用國家重點實驗室，北京 100011)

神府東勝煤田位于陜西省北部、晉陜蒙三省交界地帶，該區(qū)域?qū)俑瓯诨哪孛?，生態(tài)系統(tǒng)脆弱。近年來，隨著人們環(huán)保意識的日益增強(qiáng)，對水資源的保護(hù)開采也越來越受到重視[1-3]。國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者開展了大量的研究工作，如國家能源集團(tuán)煤炭開采水資源保護(hù)與利用國家重點實驗室顧大釗院士團(tuán)隊提出了煤礦地下水庫技術(shù)并在神東礦區(qū)得以成功應(yīng)用，解決了礦區(qū)發(fā)展水資源短缺問題[4-6]；王雙明等提出了保水開采條件分區(qū)技術(shù)，以實現(xiàn)控制地下水位為目標(biāo)的區(qū)域采煤方法分區(qū)開采[7，8]；范立民等提出了以生態(tài)水位保護(hù)為原則，開展了基于含水層結(jié)構(gòu)保護(hù)的充填開采、窄條帶開采、限高(分層)開采等保水采煤技術(shù)和工程實踐[9，10]；黃慶享等提出了合理增大下沉區(qū)間和減小下沉梯度，控制隔水層穩(wěn)定性，從而實現(xiàn)地下水保護(hù)利用等[11，12]；馬立強(qiáng)等依據(jù)煤層基巖賦存狀態(tài)，將神東礦區(qū)薄基巖淺埋煤層分為典型淺埋煤層及次淺埋煤層，并利用物理模擬分析了導(dǎo)水通道的分布特征，提出了防治頂板突水的重點區(qū)域[13]；張杰等通過物理實驗研究采高5m工作面采后三帶發(fā)育高度及導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)展規(guī)律[14]；楊俊哲分析了神東礦區(qū)大采高或特大采高工作面礦壓數(shù)據(jù)，得到了淺埋煤層大采高或特大采高工作面礦壓顯現(xiàn)特征及規(guī)律[15-17]，王旭峰等針對大采高開采過程中覆巖活動[18-20]、災(zāi)害防治等進(jìn)行了深入研究，提出了防治措施并在工程中進(jìn)行了應(yīng)用[21]。上述水資源保護(hù)利用技術(shù)的核心是導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測，只有準(zhǔn)確預(yù)計導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育程度和高度，才能針對性采取措施，目前《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》明確了緩傾斜(0°～35°)煤層的裂隙帶高度經(jīng)驗計算公式，由于受限于當(dāng)時的采煤條件，該公式通常只適用于所采煤層一次采厚小于等于3m。精準(zhǔn)預(yù)測淺埋煤層特大采高工作面采后導(dǎo)水裂隙帶高度急需做深入研究，以實現(xiàn)井下安全生產(chǎn)。

以神東上灣煤礦8.8m超大采高綜采工作面(12402工作面)為工程背景，針對該超大采高工作面防治水面臨的技術(shù)難題，開展了大采高工況條件下導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育和高度預(yù)計，并通過現(xiàn)場鉆孔觀測予以驗證，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合該工作面過石灰溝和地面存在水塘和水壩等水體的實際情況，提出了井上下一體化精準(zhǔn)技術(shù)體系，包括地面采用提前疏放和塌陷坑回填措施、設(shè)置地面水文觀測孔自動監(jiān)測水位、井下調(diào)整工作面開采參數(shù)、優(yōu)化設(shè)置排水設(shè)施安裝地點和管路參數(shù)、防治水應(yīng)急預(yù)案編制等多種技術(shù)體系，確保井下生產(chǎn)安全。

1 工程概況

1.1 12402超大采高工作面概況

12402超大采高綜采工作面位于上灣礦12煤四盤區(qū)中部，為該盤區(qū)第二個采面，工作面長度300m，推進(jìn)距離5300m，設(shè)計采高8.8m。該工作面上覆蓋層厚度為115～270m；上覆松散層厚度為2～23m，主要為土黃色中、細(xì)粒風(fēng)積砂，松散未固結(jié)；上覆基巖厚度為104～240m。煤層傾角1°～3°，煤層厚度7.56～10.79m，平均厚度9.05m，回采面積1.58×104km2，地質(zhì)儲量為1.86×107t，可采儲量1.75×107t；采用傾斜長壁大采高一次采全高綜合機(jī)械化采煤方法，全部垮落法處理采空區(qū)。12402工作面研究區(qū)域地形如圖1所示。

圖1 12402工作面研究區(qū)域地形

1.2 12402超大工作面水文地質(zhì)概況

依據(jù)地下水的賦存條件和水力特征，以及12402超大采高工作面中部石灰溝附近的R99號鉆孔的資料可知此區(qū)域含水層為：

1)第四系潛水含水層：巖性是以風(fēng)積沙為主，局部含礫，厚度為0～26.33m，單位涌水量0.0496～0.361L/(m·s)，富水性微弱。

2)安定組(J2a)潛水含水層：巖性以紫紅色及灰紫色中、粗砂巖為主，與紫色砂質(zhì)泥巖互層，厚度為0～131.59m，平均厚度68.94m，含水微弱。

3)直羅組(J2z)潛水含水層：巖性下部以灰綠色、蘭灰色及黃綠色砂質(zhì)泥巖、粉砂巖為主，夾灰白色、灰綠色透鏡體狀砂巖。本組地層厚46.61～156.78m，平均厚91.92m，含水微弱。

同時，工作面在推進(jìn)到2550～3100m將進(jìn)入上覆石灰溝谷(圖2)。正常溝流量100～110m3/h，雨季泄洪量約800m3/h，溝內(nèi)正?；鶐r厚度約110～125m，溝內(nèi)建有9個水塘及2個水壩，積水量約105368m3，如果大采高工作面開采覆巖裂縫導(dǎo)通地面水塘，大量水體將涌入井下，影響工作面安全生產(chǎn)，須制定針對性防治水技術(shù)措施。

圖2 12402超大采高面上覆石灰溝

2 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度預(yù)測

采場上覆巖層破斷產(chǎn)生裂隙是礦井突水的通道。目前《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》明確了緩傾斜(0°～35°)煤層的裂隙帶高度經(jīng)驗計算公式，由于受限于當(dāng)時的采煤條件，該公式通常只適用于所采煤層一次采厚小于等于3m，不適合淺埋煤層特大采高工作面采后導(dǎo)水裂隙帶高度計算。通過數(shù)值模擬，結(jié)合12402“三帶”的鉆孔探測結(jié)果，對12402超大采高工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度進(jìn)行預(yù)測。

2.1 數(shù)值模型建立

結(jié)合12402工作面研究區(qū)域R99鉆孔柱狀圖(圖3)，利用離散元軟件UDEC 3.1對超大采高工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度進(jìn)行數(shù)值模擬，建立模型為矩形，幾何范圍為寬高為350m×131.5m。巷道埋深為128.5m，結(jié)合此區(qū)域?qū)嶋H煤層厚度及開采損失，工作面采高8.5m。

圖3 R99鉆孔柱狀

模型中工作面寬度300m，主運斜巷與回風(fēng)斜巷外側(cè)各留20m保護(hù)煤柱。煤層底板劃分為2m×1m的塊體。煤層上部基本頂厚度15m，劃分為7m×5m的塊體，斷裂步距為14m。邊界處理方法為：上部邊界可達(dá)地表，X和Y方向移動量均較大，定義為自由邊界，不予約束，且外載荷也作用在上邊界上。下部邊界定義為全約束邊界。左右邊界定義為單約束邊界。上邊界載荷和水平側(cè)壓為0MPa。取樣點設(shè)置：在煤層上覆巖層每層巖層接觸面及水平節(jié)理面設(shè)置一條測線，在覆巖共設(shè)置41條測線，每條測線每米設(shè)置一個測點，即每條測線設(shè)置350點，通過對塊體位移進(jìn)行分析，得出巖層的變形演化規(guī)律。計算模型如圖4所示。

圖4 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度計算模型

單元劃分按照均勻劃分原則，本構(gòu)關(guān)系采用巖體工程中應(yīng)用最多的摩爾-庫倫塑性屈服準(zhǔn)則。模型中各巖層物理力學(xué)參數(shù)由實驗室測定取得，各巖體參數(shù)見表1。

表1 模型各巖層的物理力學(xué)參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

一般認(rèn)為巖土層破壞時，水平變形值達(dá)到1～2mm/m時，認(rèn)為其產(chǎn)生裂縫并導(dǎo)水。本文設(shè)定巖層水平位移達(dá)到2mm/m時，認(rèn)為巖層破裂形成導(dǎo)水裂隙。通過對上覆巖層測線單位水平位移的取樣結(jié)果分析，繪制導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度如圖5所示。

圖5 工作面導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度

紅色曲線代表導(dǎo)水裂隙帶邊界如圖5所示，可知：工作面中部導(dǎo)水裂隙帶高度為94.27m，靠近工作面斜巷導(dǎo)水裂隙已經(jīng)發(fā)育至地表，高度為131.50m，工作面中部導(dǎo)水裂隙帶高度低于靠近斜巷位置導(dǎo)水裂隙帶高度，說明工作面斜巷位置的覆巖破壞程度大于工作面中間位置覆巖破壞程度，符合“馬鞍”型的覆巖破壞形態(tài)。

工作面后方采空區(qū)頂板的周期性垮落至地表，導(dǎo)致地表出現(xiàn)明顯下沉，通過數(shù)值分析如圖6所示，工作面采后，地表出現(xiàn)“斷崖”式下沉。沿工作面走向，下沉曲線呈“禮帽”狀，最大為高度為7.19m，位于工作面中部。

圖6 地表下沉數(shù)值分析結(jié)果

2.3 導(dǎo)水裂隙帶高度實證

基于R99鉆孔資料，采用UDEC 3.1軟件進(jìn)行建模，對上灣煤礦12402工作面的導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行了模擬研究，分析得出導(dǎo)水裂縫帶高度為94.27～131.50m。超大采高工作面開采條件下導(dǎo)水裂隙帶裂隙的張開度明顯增大，工作面薄基巖處導(dǎo)水通道發(fā)育至地表，可造成地表水滲漏到工作面，如圖7所示。

圖7 12402工作面地表裂縫

現(xiàn)場觀測表明，導(dǎo)水裂隙帶在工作面斜巷位置的覆巖破壞程度大于工作面中間位置覆巖破壞程度，驗證了工作面兩端頭附近區(qū)域是淺埋煤層水害防治的重點區(qū)域；12402超大采高工作面薄基巖區(qū)域地表最大下沉量達(dá)7.19m，而且靠近地表石灰溝，開采過程中應(yīng)當(dāng)采取措施，防止雨季溝內(nèi)積水滲漏到井下。

同時，對上灣煤礦四盤區(qū)12401工作面實施“三帶”探測工程，通過鉆孔沖洗液漏失量、水位、鉆孔彩色電視觀測結(jié)果及鉆進(jìn)記錄分析，確定8.8m超大采高工作面導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為118.08～132.83m，另一方面也可以說明12402工作面在推過地表石灰溝區(qū)域時，導(dǎo)水裂隙會發(fā)育至地表，導(dǎo)通地面水體。

3 超大采高工作面精準(zhǔn)防治水技術(shù)體系及應(yīng)用

基于上述研究結(jié)論，12402工作面開采過程中，除了含水層水體滲透至井下，當(dāng)工作面過石灰溝區(qū)域時，如果不提前疏放地面水塘水體，地表水就會通過導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)入井下，威脅井下工作面安全回采。

3.1 井上下一體化精準(zhǔn)防治水技術(shù)思路

為確保工作面生產(chǎn)安全，依據(jù)煤礦防治水相關(guān)管理規(guī)定，做實做細(xì)井下防治水工作，提出了井上下一體化精準(zhǔn)防治水技術(shù)體系，一是在地面采用提前疏放和塌陷坑回填措施、設(shè)置地面水文觀測孔自動監(jiān)測水位；二是井下調(diào)整工作面開采參數(shù)、優(yōu)化設(shè)置排水設(shè)施安裝地點和管路參數(shù)，同時制定防治水應(yīng)急預(yù)案。進(jìn)而使井上下防治水工作形成有機(jī)整體，確保防治水工作行之有效，確保井下工作面安全生產(chǎn)。

3.2 工作面精準(zhǔn)防治水技術(shù)體系

3.2.1 地表水治理技術(shù)

地面防治水以地表疏放為主，采取的技術(shù)包括：

1)疏放水塘、水壩及回填水塘。12402超大工作面回采至地表石灰溝(即距離切眼2550～3100m處)前，在雨季來臨前協(xié)調(diào)疏放工作面地表石灰溝內(nèi)水塘及水壩積水，水塘內(nèi)低于河床的積水采用回填沙土的方式進(jìn)行排放，確保水塘內(nèi)積水疏干且回填后的水塘高于正常河床。

2)控制工作面對應(yīng)地表石灰溝上游水壩。根據(jù)現(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)，12402工作面對應(yīng)地表石灰上游其中一條支溝內(nèi)建有一座大型水壩，水壩排、蓄水可控，利用該水壩進(jìn)行控制工作面過溝期間溝流量及洪流量，具體在工作面過溝前對水壩內(nèi)積水進(jìn)行疏放，工作面過溝期間適量蓄水控制溝流量及洪流量，降低工作面塌陷治理難度，確保工作面安全回采。

3)治理塌陷裂縫及塌陷坑。依據(jù)地表下沉數(shù)值模擬結(jié)果，工作面回采后塌陷最大下沉量約7.19m，回采后工作面內(nèi)地表溝流區(qū)域出現(xiàn)下沉，溝流水漫過河堤，造成坑內(nèi)蓄積大量積水。為防止地表水通過導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)入井下，采取加高河堤，保證溝流暢通的措施，同時儲備適量工程土方，需對塌陷坑進(jìn)行及時的回填治理。

4)開展水文自動監(jiān)測。在工作面切眼附近施工1個松散含水層水文孔，在中部石灰溝附近施工了1個安定組含水層水文孔，安裝水位自動觀測系統(tǒng)，實時掌握含水層水位變化發(fā)現(xiàn)異常及時采取措施。

3.2.2井下防治水技術(shù)

井下防治水技術(shù)主要從三個方面實施，首先盡可能提高工作面的提成水量；二是要提高工作面及附近兩巷的應(yīng)急排水能力；三是有效利用工作面煤層走勢情況調(diào)整底板和采高來提升工作面的防護(hù)能力。

1)實施工作面上覆基巖精準(zhǔn)探放水工程。12402工作面投產(chǎn)前，優(yōu)化施工了疏放水鉆孔10個(主回撤通道1個，切眼處3個，回風(fēng)斜巷1個，主輔運輸斜巷5個)，累計進(jìn)尺2883m，所有探放水鉆孔均施工至松散含水層，采前進(jìn)行疏放水工作。通過施工探放水工程，基本了解了工作面上方基巖含水層及松散含水層的含水性，大大減少了工作面涌水量。

2)調(diào)整工作面開采參數(shù)，分散排水壓力。利用煤層走勢，調(diào)整工作面底板高程，控制中部采高不低于工作面兩斜巷，并保證平緩，防止工作面中部積水；當(dāng)工作面推進(jìn)至煤層“背斜”頂點時，降低工作面采高，盡可能提升工作面底板標(biāo)高，人為在工作面構(gòu)筑一道“水壩”，控制采空區(qū)水向外流出，采空區(qū)積水可滯后工作面長期進(jìn)行排水，有效緩解工作面防治水壓力。

3)優(yōu)化井下排水設(shè)施配置和參數(shù)。一是優(yōu)化設(shè)計工作面斜巷排水管路。沿輔運斜巷布設(shè)一趟DN150主排水管路和一趟DN100沿線排水管路，主運斜巷布設(shè)一趟PE159沿線排水管路；回風(fēng)斜巷布設(shè)一趟DN200主排水管路和一趟DN100沿線管路，則工作面斜巷不同管路排水量為：Q=Q200+Q100+Q100=248+2×140+2×56=640m3/h。

各管路的經(jīng)濟(jì)流速為：Q200=248m3/h，Q150=140m3/h，Q100=56m3/h。

工作面總排水能力和管路布置滿足工作面最大240m3/h的排水能力要求。優(yōu)化井下水泵參數(shù)，確保抽水能力滿足最大需求。綜采面內(nèi)設(shè)置2臺大流程的11kW水泵，另外設(shè)置2臺4kW水泵用于日常排水；回風(fēng)斜巷超前支護(hù)區(qū)設(shè)置流量和揚程均適中的水泵，設(shè)置1臺37kW水泵、1臺15kW水泵，其中37kW水泵直接接入工作面斜巷排水管路，其他泵用于將工作面的部分排水接力排入斜巷管路；主運斜巷超前支護(hù)區(qū)備用1臺37kW水泵和1臺7.5kW水泵，37kW水泵直接接入排水管路，7.5kW水泵沿最近聯(lián)巷排入輔運斜巷(聯(lián)巷用沙袋設(shè)擋水墻)，進(jìn)行接力排水。

4)工作面斜巷應(yīng)急排水技術(shù)。在輔運斜巷低洼點37聯(lián)、30聯(lián)各設(shè)置2臺37kW水泵，接入巷道DN150排水管路，排水能力160m3/h。排水路線為：(37聯(lián)、30聯(lián))(共160m3/h)→18聯(lián)中轉(zhuǎn)水倉(1臺110kW離心泵、2臺37kW，共255m3/h)→三盤區(qū)主排水泵房。

同時，回風(fēng)斜巷在36聯(lián)、32聯(lián)處分別配置2臺37kW水泵，隨著工作面推進(jìn)在兩個區(qū)域放置泵車(排水能力155m3/h)。排水路線為：(36聯(lián)/32聯(lián))(共160m3/h)+泵車(155m3/h)[共315m3/h]→26聯(lián)中轉(zhuǎn)水倉(1臺110kW離心泵、2臺37kW，共255m3/h)→三盤區(qū)主排水泵房。

3.3 現(xiàn)場應(yīng)用

通過采取一系列井上下一體化防治技術(shù)，治理效果達(dá)到預(yù)期。現(xiàn)場觀測表明，地表溝流通暢，塌陷區(qū)得到有效治理，未形成大面積積水區(qū)，未見大量地表水通過導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)入井下的現(xiàn)象；井下水通過探放及合理的疏排，未對排水系統(tǒng)造成壓力，有效的保障了12402超大工作面的生產(chǎn)安全。

4 結(jié) 論

1)依據(jù)12402工作面過地表石灰溝區(qū)域(防治水重點管控區(qū))的水文地質(zhì)情況，建立薄基巖8.8m超大采高工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度數(shù)值模擬模型，并經(jīng)現(xiàn)場鉆孔勘探，得到了導(dǎo)水裂隙帶高度，針對該工作面防治水實際情況，提出了井上下一體化精準(zhǔn)防治水技術(shù)體系，并在現(xiàn)場工程實踐中取得明顯成效，確保了12402超大采高工作面安全生產(chǎn)。

2)12402超大工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為94.27～131.50m，裂隙導(dǎo)通地表，含水層水體和地表水能夠滲透井下形成礦井水。

3)上覆巖層導(dǎo)水裂隙形態(tài)沿工作面傾向呈現(xiàn)“馬鞍形”分布，由于采空區(qū)中部區(qū)域壓實作用，工作面斜巷位置的覆巖破壞程度大于工作面中間位置覆巖破壞程度，工作面斜巷對應(yīng)上覆區(qū)域成為防治水工作的重點防治區(qū)域。

4)提出了井上井下一體化精準(zhǔn)防治水技術(shù)，包括地面采用提前疏放和塌陷坑回填措施、設(shè)置地面水文觀測孔自動監(jiān)測水位、井下調(diào)整工作面開采參數(shù)、精準(zhǔn)探放水、優(yōu)化設(shè)置排水設(shè)施安裝地點和管路參數(shù)，制定工作面斜巷應(yīng)急排水預(yù)案。