巨厚砂礫含水層下大采高工作面安全開采研究

伊麗娟

（大同煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 大同 037000）

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，煤炭資源依然是我國的主要能源之一。能夠安全高效地進(jìn)行煤礦開采是煤礦企業(yè)追求的一個重要目標(biāo)。水文地質(zhì)條件在很大程度上影響著煤炭的開采效率。在我國西部地區(qū)，很多煤礦存在水文地質(zhì)條件復(fù)雜，極易發(fā)生礦井水害的問題。水體及含水層下開采是我國煤礦開采的一個重大的技術(shù)難題[1-6]，煤層上覆多個裂隙含水層，使得煤礦在開采過程中受到嚴(yán)重的影響，甚至引發(fā)安全事故。

本文針對黃隴侏羅紀(jì)煤田李莊礦大采高工作面4201 工作面的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)情況，通過理論分析、裂隙探測及數(shù)值模擬的方法，對巨厚砂礫巖含水層下保水開采進(jìn)行探討。

1 工作面概況

4201 工作面東側(cè)為井田邊界，南側(cè)為運(yùn)輸大巷，西側(cè)為4203 工作面，北側(cè)為地表河流保護(hù)煤柱。

4201 工作面所采煤層延安組4#煤層，煤層厚度為4.98～6.37 m，平均厚度 5.96 m，采用大采高工藝回采。煤層頂?shù)装鍘r性及其特征見表1。

表1 含/隔水層情況統(tǒng)計表

2 水文地質(zhì)特征

煤層上覆巖層含水層為：白堊系下統(tǒng)洛河組含水層、白堊系下統(tǒng)宜君組含水層、侏羅系中統(tǒng)直羅組含水層、侏羅系中統(tǒng)延安組含水層，隔水層為侏羅系中統(tǒng)安定組泥巖隔水層。各巖層情況見表2 ，煤層與主要含、隔水層之間的關(guān)系示意圖如圖1。

圖1 煤層與主要含、隔水層之間的關(guān)系示意圖（m）

根據(jù)表2 可知，區(qū)內(nèi)主要充水含水層為白堊系下統(tǒng)洛河組砂巖含水層，厚度較大，富水；白堊系下統(tǒng)宜君組礫巖含水層，弱富水；侏羅系中統(tǒng)直羅組砂巖含水層，弱富水；侏羅系中統(tǒng)延安組砂巖含水層，弱富水。穩(wěn)定隔水層為侏羅系中統(tǒng)安定組泥巖隔水層。對煤礦開采有比較大影響的是宜君組和上覆洛河組含水層，而直羅組和延安組含水層對煤礦開采影響較小。

表2 含/隔水層情況統(tǒng)計表

3 工作面導(dǎo)水裂隙高度分析

3.1 現(xiàn)場實測

為查明導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育特征及工作面開采過程中洛河組含水層對其的影響，對4201 工作面進(jìn)行了導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度探查。探查方法采用井下仰孔注水測漏觀測法。

井下仰孔注水測漏法采用鉆孔雙端封堵測漏裝置，是通過直接測定鉆進(jìn)過程中的鉆孔沖洗液漏失量，并結(jié)合鉆孔水位、掉鉆、鉆孔吸風(fēng)及巖芯觀察等資料來綜合判定導(dǎo)水裂隙帶高度的一種方法[7-9]。通過仰孔注水測漏法對4201 工作面不同開采高度向工作面導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度進(jìn)行探測，工作面累計推進(jìn)600 m。在不同采高條件下，上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶高度、離層帶高度等實測數(shù)據(jù)見表3。（最高裂隙距離帶的距離為離層帶高度與導(dǎo)水裂隙帶高度之差）

表3 導(dǎo)水裂隙帶高度實測統(tǒng)計表

根據(jù)表3 可知：不同采高條件下，導(dǎo)水裂隙帶高度為109.8～182.9 m，為采高的28～31.4 倍；采高為3.5～4.5 m 及6 m 時，裂采比相對較大，為31.4～30.5，采高為5.0～5.5 m 時，裂采比相對較小，為28～29.2。離層帶高度為172.2～177.1 m，根據(jù)圖1 可知，離層帶位于安定組隔水層與宜君組含水層的交界帶，并隨采掘工作進(jìn)行，離層帶逐漸被上覆含水層中的水填充。

通過分析，4201 工作面采高在5.5 m 以下時，導(dǎo)水裂隙向上發(fā)育至上覆泥巖隔水層，此時，裂隙尚未貫通；采高在3.5～4.5 m 時，裂采比高，在5～5.5 m 時，裂采比減小，且減小幅度很大，其原因是離層形成過程中，上覆安定組泥巖發(fā)生彎曲下沉，部分裂隙發(fā)生了閉合；當(dāng)采高為6 m 時，裂采比又明顯增大，但離層帶高度幾乎沒有變化，工作面內(nèi)大量積水，說明安定組隔水層已經(jīng)被貫通，裂隙發(fā)育到了宜君組隔水層，離層帶之間的積水在工作面滲出。

3.2 數(shù)值模擬

應(yīng)用FLAC 軟件對不同采高進(jìn)行了數(shù)值模擬，其中比較有代表性的是采高5.5 m 和6.0 m 時上覆巖層破壞形態(tài)（如圖2）。由圖可見，采高為5.5 m 時，上覆巖層最大破壞高度為148 m；當(dāng)采高為6 m 時，上覆巖層最大破壞高度為185 m，其破壞高度較采高5.5 m 時的破壞高度有大幅度的增加。這跟前面分析的采高5.5 m 時裂隙沒有貫通，部分裂隙發(fā)生閉合，而采高6 m 時，裂隙被貫通，發(fā)育到了宜君組隔水層的結(jié)論一致。因此在這種條件下進(jìn)行開采，存在一定的安全隱患。

圖2 4201 工作面上覆巖層破壞高度

4 結(jié)論

（1） 區(qū)內(nèi)主要含水層為白堊系下統(tǒng)洛河組含水層和宜君組含水層，侏羅系中統(tǒng)直羅組含水層和延安組含水層。穩(wěn)定隔水層為侏羅系中統(tǒng)安定組泥巖隔水層。對煤礦開采有比較大影響的是宜君組和上覆洛河組含水層。

（2）通過仰孔注水測漏法對導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度的探測結(jié)果顯示：采高為3.5～6 m 時，裂采比為28～31.4。在不同采高條件下，導(dǎo)水裂隙帶高度為109.8～182.9 m，為采高的28～31.4 倍；采高為3.5～4.5 m 時，裂采比大，采高為5～5.5 m 時，由于產(chǎn)生離層時，上覆安定組泥巖發(fā)生彎曲下沉，部分裂隙發(fā)生了閉合，此時的裂采比大幅度減??；采高為6 m 時，裂隙被貫通，裂采比再次增大。