淺埋厚煤層河下安全開采控水防治技術研究*

刁乃勤，白國良

(1.中煤科工生態環境科技有限公司，北京 100013；2.中煤科工集團北京土地整治與生態修復科技研究院有限公司，北京 100013；3.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

現階段，控制導水裂縫帶發育高度的水體下采煤，其安全開采理論和技術實踐已比較成熟，水體下采煤通常是將水體是否位于導水裂縫帶上方，且有一定厚度的保護層作為安全開采的評判標準[1-2]，但在山西、陜西、內蒙等煤炭資源豐富礦區，水體下煤層賦存淺、厚度大的開采條件同樣廣泛存在，淺埋厚煤層開采后，覆巖破壞劇烈，多數地表水體或富水含水層會處于導水裂縫帶影響范圍以內，甚至導水裂縫帶直達地表，此時第四系含水層和地表水體對淺埋煤層的安全開采構成了嚴重威脅[3-4]。

當水體位于導水裂縫帶影響范圍以內時，雖然可以采取留設防水煤柱、條帶開采、限厚開采、協調開采等安全技術措施[5]，但是卻降低了煤炭采出率，減少了礦井服務年限，增加了開采成本。如何在保證水體安全和開采安全的前提下，實行常規垮落法開采，對于提高煤炭采出率，創新“三下”開采技術具有重要意義。

1 河流及礦井水文地質概況

1.1 河流概況

山西左權阜生煤礦井田地表存在一條季節性泄洪河流，河流全長10 km，承擔流域面積35 km2的排洪任務。河流沿西北—東南流向穿過礦井一采區地表，該區域河床寬約30 m，平均縱坡14.2‰，河流保護煤柱壓占了一采區的1102和1106工作面。河流水源為大氣降水和山間徑流補給，僅在雨季汛期有山洪流過，平時干涸無水，歷史最高洪水位時河水深1.8 m。

1.2 采礦地質條件

井田主要開采石炭系上統太原組15號煤層，厚度3.17～7.40 m，平均6.5 m，傾角9°，煤層結構簡單穩定，含0～3層夾矸。采煤方法為大采高一次采全高，全部跨落法管理頂板。15號煤頂板以泥巖為主，局部為砂質泥巖、粉砂巖、細粒砂巖，厚度3.39～12.20 m，平均5.85 m。底板主要為砂質泥巖、泥巖及細中粒砂巖，厚度5.97～12.03 m，平均9.46 m。

井田地表主要為山區溝谷，山區第四系黃土沖積層厚0～5 m，平均3 m，河谷底部砂卵石覆蓋層厚6～8 m，與下伏各時代地層呈角度不整合接觸。泄洪河流流經采區的地面最高點位于采區西部(+1 354 m)，最低點位于采區東南部(+1 216 m)，地表最大相對高差138 m，河床高程為+1 232 m。

位于泄洪河流正下方的1102工作面開采標高+1 075 ～+1 159 m，工作面寬146 m，推進長度540 m，河下埋深為73～157 m；1106工作面開采標高+1 063～+1 163 m，工作面寬142 m，推進長度868 m，河下埋深為69～169 m，工作面與泄洪河流位置關系如圖1所示。

圖1 工作面與泄洪河流位置關系圖

1.3 地層構造與巖層富水特性

河流流域的地層總體平緩，一般在2°～15°之間，區內構造斷層發育較弱。15號煤層直接和間接充水含水層與石炭系上統巖溶裂隙含水層(K2、K3、K4石灰巖含水層組)有密切水力關系，其對1102、1106工作面開采有較大影響，其中K2石灰巖厚5.00～7.50 m，平均6.74 m，裂隙較發育，富水性不均；K3石灰巖厚2.40～5.53 m，平均3.88 m，裂隙較發育；K4石灰巖厚3.15～4.00 m，平均3.49 m。1102工作面開采主要受含水層組富水區影響，臨近1101工作面的開采對部分富水區起到了疏干作用。

井田相對隔水層覆蓋于各含水層之上，最大厚度19 m，分布較穩定，隔水性能良好。各含水層之間不產生直接的水力聯系，大氣降水不直接入滲補給地下水。

巷道掘進過程中，1102工作面回風平巷揭露X11陷落柱，未發現涌水；1102工作面運輸平巷揭露X15陷落柱，有少量涌水現象。

2 采動覆巖破壞情況分析

煤層開采后，覆巖導水裂縫帶發育高度直接關系著水體下采煤工作的安全。導水裂縫帶最大高度與覆巖巖性及其力學強度關系密切，當巖層堅硬時，裂縫帶發育到最大高度以后基本不再變化；當巖層軟弱時，裂縫帶最大高度隨時間增加會有所降低；當巖層中硬時，裂縫帶發育高度與時間關系規律不明顯[6-7]。該礦巖石抗壓強度實驗結果如表1所示。

表1 巖石抗壓強度實驗結果表

根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》[8]，該區覆巖性質屬于中硬，垮落帶和導水裂縫帶高度可按下式計算：

(1)

(2)

式中，Hk為垮落帶高度，m；Hli為導水裂縫帶高度，m；∑M為累計采厚，m。

當采厚為6 m時，計算得垮落帶最大高度14.9 m，導水裂縫帶最大高度49.0 m。參考附近潞安地區大采高綜放開采覆巖破壞的鉆孔觀測成果，導水裂縫帶最大高度經驗公式為Hli=20.22M+10，按此公式計算得到導水裂縫帶最大高度為131.3 m。鑒于1102和1106工作面的埋深僅為69～169 m，因此淺部采區無法留設防水安全煤巖柱。

采用概率積分法對地表破壞情況進行預測，采厚6 m時地表最大下沉約5 m，由于淺埋煤層開采(采深采厚比小于30)，地表變形破壞非常劇烈，在開采邊界處將產生不連續變形，形成大量明顯的地裂縫和塌陷臺階[7]。在采區外圍區域，地裂縫基本沿開切眼和采空區邊界分布，裂縫的寬度和落差都較大，裂縫形成之后一般不會自然消失；在采區中心區，工作面開采時，采空區前方地表受沉陷拉伸作用，會出現沿工作面平行分布的弧形裂縫，隨著開采推進，中心區地表又受到動態壓縮作用，地裂縫受壓后會在一定程度上閉合，在動態的拉伸和壓縮過程中，地裂縫寬度先變大再減小，相對于外圍裂縫其對隔水層和地表的影響相對較小[9]。

考慮到河流下方煤層埋深只有69～169 m，強烈的開采擾動會嚴重破壞隔水層，永久性的導水地裂縫勢必會與河床連通，汛期泄洪時地表水與河水會潰入井下，威脅礦井生產安全。

3 枯水期工作面涌水量預測

根據礦井近5年氣象水文及河流水量觀測記錄，當地每年7～10月為雨季汛期，11月至來年6月為旱季枯水期，河水流量經實測為0.039 m3/s，其中3月初至5月底河道內干涸無水，常規開采后，對工作面涌水量進行預測。

(1)對于第四系含水層，采用“大井法”地下水動力學潛水計算公式，其公式為：

(3)

(4)

式中，Q為預測工作面涌水量，m3/d；H為潛水含水層原始厚度，取10 m；S為水位降深值，取10 m；r0為工作面引用半徑，m；R0為工作面影響半徑，m；K為含水層滲透系數，取抽水試驗的平均值18.05 m/d。

考慮富水區巖溶裂隙含水層的充水影響，將涌水量乘以1.2～1.5的安全系數，計算1102工作面涌水量為120 m3/h、1106工作面涌水量為140 m3/h。

(2)當工作面涌水量受開采面積、水位降深因素影響，表現出明顯的線型變化規律時，可以按照“單位涌水量比擬法”進行計算，其公式為：

(5)

(6)

式中，q0為單位涌水量；Q0為已知工作面涌水量；F0為疏干面積；S0為水位降深；Q為預測工作面涌水量；F為預測疏干面積；S為預測水位降深。

根據相鄰1101工作面的開采實測涌水量(7.8～26 m3/h)，預測類似條件下1102、1106工作面的涌水量分別為20 m3/h、31 m3/h。

取兩種預測方法的最大值作為工作面最大涌水量(即140 m3/h)，由于泄洪河流為季節性河流，每年11月下旬至次年5月，河道干涸無水，因此可以通過調整井下開采進度，安排1102、1106工作面于11月初開采，次年5月初結束，平均每月推進約100 m，工作面采用垮落法管理頂板，按照正?；夭伤俣瓤梢栽谟昙局巴２沙访?。為盡量降低開采對河道的破壞，減少雨季地表水入滲，保障安全生產，工作面在通過河流保護煤柱時采取限厚開采，采高降至綜采設備允許的最小采高4.0 m，預計采后塌陷區地表裂縫分布情況如圖2所示。

圖2 垮落開采地表裂縫分區圖

4 地表治理與河道保護修復

根據沉陷預計結果，正常開采區(采高6.0 m)地表最大下沉約5.2 m，限厚開采區(采高4.0 m)地表最大下沉約3.4 m，根據淺埋煤層覆巖破壞規律并參考相鄰1101工作面地表破壞情況，1102、1106工作面采后地表會出現寬度0.5 m左右的永久地裂縫，以及落差高度超過0.5 m的塌陷臺階，為防止地表水與井下導通，塌陷臺階裂縫區是治理的重點區域。1102工作面開切眼附近地表塌陷臺階和裂縫情況如圖3所示。

圖3 1102工作面地表塌陷臺階和裂縫情況

4.1 地裂縫和塌陷臺階治理

(1)永久裂縫區回填治理：永久裂縫的寬度和深度超過0.5 m，塌陷臺階的落差也超過0.5 m，該區地表受損嚴重，需全部用黃土充填，每充填0.5 m用夯實機強夯壓實，直至裂縫區與地表平齊，當沉陷區面積達到一定規模后再進行土地平整修復。

(2)動態裂縫區治理修復：動態裂縫的寬度相對較小，深度較淺，主要采取黃土回填、夯實處理。結合井下開采進度，組織專人巡查報告，并根據裂縫發育情況及時回填平整。

(3)地表積水區處理：為消除地表積水隱患，對于局部積水區，應在開采影響波及以前采取臨時排水措施，將地表積水排至采煤沉陷影響區以外[10]。

沉陷區裂縫治理應在雨季前完成，隨著1102、1106工作面開采推進，地表及時巡視跟進施工，溝谷區累計回填厚度不得小于1.5 m，以增強表土層抗滲性能，治理回填后河床基本保持原來的地勢坡度，以利于汛期泄洪，消除雨季降水涌入井下的安全隱患[11]。

4.2 地表截流排水

河道修復前，在不受采動影響的河流上游選擇適宜位置筑壩截流，并利用排水管路對地表少量流水進行疏導，待采煤塌陷區地表治理工程結束后，再拆除截流壩恢復河道，截流壩布設位置如圖4所示。

圖4 截流壩布設位置平面示意圖

為防止雨季洪水漫出河道，截水壩迎水面壩高低于河道兩岸防洪堤1 m左右。攔截壩利用兩岸防洪堤進行修筑，迎水面壩體上留設四個預制的排水管路接頭，用于連接排水管路。根據枯水期河水流量0.039 m3/s，排水管路選擇內徑大于0.28 m的PE(聚乙烯)管，管路盡可能沿原河道敷設，并保持1.4%的坡度，管路每隔200 m留設一個三通，用于堵塞后檢修和應急處置。

4.3 河道硬化修復

為保障煤礦安全生產和保護區域生態環境，待采動區地表沉陷基本穩定后，需對泄洪河道進行硬化修復。根據氣象水文資料，結合河道原有防洪標準，河道修復按照100年一遇的防洪標準進行設計，最大洪水時河流水深按1.2 m、河水流量按353 m3/s計算。

考慮到地形、施工占地和施工難度等因素，在開采塌陷區就地取黏土填充河底、修筑河堤。河道修復后設計水位低于地面高程，河渠采用梯形斷面，河道高1.8 m、底寬18 m、頂部寬23.4 m、坡比1.5，河道縱坡13.2‰，修復后河道流量為448 m3/s，滿足100年一遇的排洪要求。

4.4 陷落柱防治水處理

1102工作面運輸平巷揭露的X15陷落柱有少量出水，并伴有黃泥，推測其可能與地面導通。為防止在回采過程中X15陷落柱發展成充水通道，對該區段采用工字鋼棚支護，并采用高分子HY-2宇速寧填充材料、HY-3宇固寧加固材料、HY-Ⅲ加固材料、QC-3T快速密閉材料對陷落柱進行注漿封堵加固。為保證回采期間巷道頂板穩定性，對陷落柱區段巷道頂板進行注漿加固，注漿鉆孔距兩幫煤壁0.5 m，孔間距0.7 m，排距1.0 m，兩側斜向上鉆孔與頂板成45°～60°夾角，鉆孔深度10 m，鉆孔布置方式如圖5所示。

圖5 巷道注漿鉆孔布置示意圖

5 工程實踐及工作面涌水量觀測

1102工作面于2019年1月初開始回采，至2020年6月底順利結束，開采期間對地表及河道進行了治理和局部改道修筑，并對工作面涌水量采用容積法進行了連續觀測。觀測結果顯示：開采前3個月，工作面涌水量8.5～20.1 m3/h；后續15個月，工作面涌水量穩定在20.2～25.6 m3/h，平均21.5 m3/h，與單位涌水量比擬法計算的20 m3/h結果相近；1106工作面開采期間，現場實測最大涌水量20.2 m3/h，數值始終正常。觀測結果說明地表治理及河道硬化修復措施有效可靠，地表水沒有沿導水通道涌入井下，河下安全開采綜合控水防治技術取得了成功。

6 結 論

(1)根據泄洪河流下開采、水文地質條件，計算了采厚6 m時導水裂縫帶發育高度，淺埋深大采高垮落法開采會嚴重破壞含水層和河道。根據該區氣象規律和季節性河流特點，通過調整開采進度和采高，安排1102、1106工作面在枯水期開采，在汛期到來之前結束開采。

(2)采用概率積分法預測了地表永久裂縫區和動態裂縫區位置，針對地裂縫和塌陷臺階進行治理修復；在不受采動影響的河流上游筑壩截流，利用排水管路疏導枯水期河水；按照100年一遇的防洪標準硬化修復受損河道；對采區陷落柱進行注漿封堵加固，防止雨季降水和泄洪河水沿導水通道潰入井下。

(3)1102、1106工作面開采實測涌水量小于25.6 m3/h，與水體外圍常規工作面涌水量接近，說明井上下綜合控水防治措施有效可靠，成功實現泄洪河流下深厚比小于30的垮落法安全開采，解放河流壓煤126.9萬t。