蒙西深部復合水體下高強度安全疏控水開采技術(shù)

張玉軍

(天地科技股份有限公司有限公司，北京 100013)

蒙西深部復合水體下高強度安全疏控水開采技術(shù)

張玉軍

(天地科技股份有限公司有限公司，北京 100013)

針對蒙西礦區(qū)納林河二號礦井開采深度大，主采煤層受多層含水層威脅、開采強度大的特點，在確定該礦區(qū)水害威脅類型的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬、物理相似模擬和經(jīng)驗類比的方法研究了主采煤層覆巖破壞高度，分析了各含水層的充水規(guī)律，提出了復合水體下安全“疏控水”技術(shù)方案。研究結(jié)果表明：蒙西礦區(qū)開采主要防治水問題是復合水體威脅下安全采煤；預計得到納林河二號礦井3-1煤開采垮落帶高度按照垮采比4.5倍選取，裂采比按照15倍選取；提出的復合水體下“疏控水”采煤的總體方案為對于白堊系志丹群含水層采取“頂水開采”的方案，對于直羅組底部砂巖含水層采取“邊回采邊疏降”的控水方案，對于延安組含水層則采取“鉆孔疏干或疏降與回采疏干或疏降相結(jié)合、先疏后采與邊疏邊采相結(jié)合”的疏水方案。

深部 復合水體下 高強度開采 疏控水

由于我國一些煤炭資源賦存、水文地質(zhì)條件和開采條件復雜，煤礦開采過程中受到的水害類型也日趨復雜化，往往存在多重水體的威脅。正確區(qū)別水體類型，是決定水體下采煤可能性和可靠性的根本出發(fā)點，是選擇水體下采煤技術(shù)途徑時需要正確分析和合理解決的問題[1]。礦區(qū)水體類型主要分為地表水體和地下水體2種。地表水體是指賦存于地球表面上的水體，如海洋、江河、湖泊、沼澤、山溝水、稻田水等，地下水體是指賦存于地殼淺層中的松散含水層水體和基巖含水層水體。根據(jù)地表水體、松散含水層水體和基巖含水層水體的賦存狀態(tài)、水力聯(lián)系以及我國部分煤田的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件和處理水體下采煤的經(jīng)驗，可將水體分為單一水體和復合水體2大類型。單一水體即指單純的地表水體、單純的松散含水層水體和單純的基巖含水層水體共3種；復合水體則指上述單一水體的不同組合。隨著各水體水力聯(lián)系、水源補給、礦區(qū)地表地形等特點的不同，表現(xiàn)出對礦井生產(chǎn)的不同威脅。我國水體下采煤技術(shù)經(jīng)歷了60余年的發(fā)展，形成了若干具有我國特色的技術(shù)與理論，包括上三帶、關(guān)鍵層、三圖雙預測、泛決策理論以及控水采煤理論等等。在具體水體下采煤實踐中，水體下采煤的規(guī)模由小到大，采煤的條件由簡單到復雜，采煤的經(jīng)驗由少到多，已經(jīng)取得了眾多的成功經(jīng)驗和研究成果，成功地進行了海洋、河流、湖泊、水庫、松散含水層、基巖含水層、巖溶等各種水體下的采煤，并且逐步形成一套符合我國煤礦實際的理論和安全開采技術(shù)與措施[4-8]。

蒙西礦區(qū)位于內(nèi)蒙古西部鄂爾多斯地區(qū)與陜西省榆林地區(qū)的交界區(qū)域，雖然本區(qū)煤層地質(zhì)條件優(yōu)越，但是該礦區(qū)具有如下特點：開采煤層較多，煤層間距較小，為近距離煤層群開采；各煤層埋深較大，普遍大于500 m；主采煤層受多層含水層威脅、開采強度大。由于該礦區(qū)大部分礦井處于基建階段，缺乏相關(guān)實測和防治水相關(guān)資料。因此如何實現(xiàn)該礦區(qū)水體下高強度安全開采，是亟待解決的問題。

1 研究區(qū)概況

納林河二號礦井位于內(nèi)蒙古西部的鄂爾多斯地區(qū)東勝煤田南部，設(shè)計生產(chǎn)能力8.0 Mt/a，地表標高+1 230～+1 190 m，第四系風積沙覆蓋，基巖未出露。地層為三疊系、侏羅系(延安組、直羅組、安定組)、白堊系志丹群和第四系，為侏羅系煤系地層，主要可采煤層為3-1上、3-1、4-1、5-2、6-1上煤層，傾角1°～3°，煤層埋藏深度較大，其中首采主采煤層3-1煤埋深530～590 m。影響3-1煤開采的直接充水含水層為3-1煤頂板砂巖裂隙含水層及2煤組頂板砂巖含水層，均屬于延安組碎屑巖類孔隙裂隙承壓水含水層組。含水層巖性以灰、灰白色中、粗粒砂巖為主，局部地段裂隙發(fā)育，屬于孔隙裂隙層間承壓水。3-1煤首采工作面(31101工作面)位于納林河二號礦井首采區(qū)內(nèi)，首采工作面北以回風順槽、南以運輸順槽、西以一號輔助運輸巷、東以切眼為界，工作面長240 m，推進長度2 100 m，總面積504 000 m2，平均煤厚5.5 m，采用一次采全厚大采高綜采采煤法，工作面設(shè)計采高6 m。

2 水體威脅類型的確定

根據(jù)對納林河二號礦井地質(zhì)、水文地質(zhì)條件分析，該井田地表溝谷較為發(fā)育，主要溝谷有無定河、納林河、嗅河溝，均有常年地表徑流，旱季流量較小，雨季流量較大，無定河由西向東流經(jīng)礦井中南部。主采煤層3-1煤上覆含水層主要有薩拉烏蘇組潛水含水層、白堊系下統(tǒng)志丹群(洛河組)含水層、安定—直羅組地層承壓水含水層、延安組地層承壓水含水層。根據(jù)主采煤層與含水層的空間關(guān)系以及采動影響程度。蒙西礦區(qū)研究區(qū)域開采主要防治水問題是如何在地表溝谷河流、薩拉烏蘇組含水層、白堊系洛河組含水層、直羅組砂巖含水層以及延安組煤系地層水層等多重水體威脅下安全采煤，即復合水體威脅下的安全采煤，如圖1所示。

圖1 蒙西礦區(qū)復合水體關(guān)系

3 主采煤層采動破壞與含水層空間關(guān)系分析

3.1 主采煤層覆巖破壞高度預計

導水裂縫帶的范圍和程度直接決定著水體下采煤的可行性和安全性，因此搞清導水裂縫帶的發(fā)育規(guī)律和形態(tài)是實現(xiàn)水體下壓煤和保證礦井安全生產(chǎn)所不可缺少的重要內(nèi)容。納林河二號礦井覆巖單軸礦壓強度介于16.444～55.448 MPa，平均39.65 MPa，而且隨著埋深增大抗壓強度降低。根據(jù)《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》，確定該礦井3號煤層組覆巖屬于中硬偏堅硬型類型。由于該礦井為新建礦井，而且在蒙西礦區(qū)周邊也無類似大采深高強度開采覆巖破壞高度實測數(shù)據(jù)，因此本研究采用經(jīng)驗類比、數(shù)值模擬和相似模擬的綜合方法確定該礦井導水裂縫帶發(fā)育高度。

(1)經(jīng)驗類比確定。根據(jù)對首采區(qū)3-1煤厚度的統(tǒng)計，在4.36～7.05 m之間，大部分區(qū)域單層煤層厚度大于3 m，而《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》中的導水裂縫帶預計經(jīng)驗公式已不適用單層厚度大于3 m的放頂煤或者一次采全高綜采。因此，根據(jù)全國其他礦區(qū)類似條件下的“兩帶”實測數(shù)據(jù)的分析，采取裂采比的方法預計納林河二井首采區(qū)的覆巖破壞高度。根據(jù)收集的全國各個礦區(qū)中硬覆巖工作面礦井單層采厚大于3.5 m“兩帶”數(shù)據(jù)，裂采比7.82～21.65，平均12.7，見表1。

(2)數(shù)值模擬。圖2為3-1煤開采后覆巖塑性區(qū)分布圖。通過破壞場的分析，可以直觀地給出工作面開采后頂板巖層破壞后的區(qū)域。由塑性區(qū)分布圖可以看到，自煤層頂板由下而上，覆巖依次發(fā)育拉伸破壞區(qū)、拉伸裂隙區(qū)、剪切破壞區(qū)和未破壞區(qū)域，破壞范圍呈現(xiàn)明顯的“馬鞍”型。所以可由拉伸破壞、拉伸裂隙區(qū)和剪切破壞區(qū)的范圍來判斷垮落帶、裂縫帶的發(fā)育高度。由此確定，3-1煤(采厚5 m)開采后覆巖垮落帶發(fā)育高度為20 m，垮采比為4，導水裂縫帶發(fā)育高度為73 m，裂采比為14.6。

表1 中硬覆巖厚煤層開采“兩帶”高度實測數(shù)據(jù)表

圖2 覆巖塑性區(qū)分布

(3)相似模擬確定。由相似模擬結(jié)果可知，開采至40 m時，直接頂離層且初次垮落，垮落高度2.5 m。工作面推進至80 m，發(fā)生第1次周期來壓，頂板沿煤壁后方切落，垮落帶高度為19 m；工作面推進至100 m，發(fā)生第2次周期來壓，來壓步距20 m，垮落帶繼續(xù)向上發(fā)展至高度為22 m，導水裂縫帶發(fā)育高度為34 m。開采至115 m，垮落帶不再向上發(fā)展維持在高度22 m，導水裂縫帶繼續(xù)向前向上發(fā)展，發(fā)育高度為60 m。之后隨著繼續(xù)開采，導水裂縫帶高度維持在75 m不再向上發(fā)展，圖3所示。由此可得到3-1煤(采厚5 m)開采后上覆巖層的垮落帶最大高度為22 m，導水裂縫帶最大高度為75 m，裂采比為15；垮落步距為15～20 m；垮落角為40°～65°。

圖3 覆巖破壞最終分布

(4)覆巖破壞高度綜合確定。根據(jù)數(shù)值模擬預計3-1煤開采后覆巖垮落帶發(fā)育高度為20 m，導水裂縫帶發(fā)育高度為73 m，裂采比為14.6；相似模擬獲得3-1煤開采后上覆巖層的導水裂縫帶最大高度為75 m，裂采比為15；根據(jù)全國同類覆巖條件下采厚大于3.5 m實測得到的導水裂縫帶高度得到裂采比7.82～21.65，平均12.7。最終綜合確定納林河二號礦井3-1煤開采裂采比按照15倍選取。圖4所示是納林河二號礦井首采區(qū)導水裂縫帶高度等值線圖。

圖4 3-1煤導水裂縫帶高度等值線圖(單位：m)

3.2 復合水體充水規(guī)律分析

圖5為首采工作面導水裂縫帶發(fā)育高度與含水層分布位置剖面圖。據(jù)圖5可知，在31101首采工作面開采范圍內(nèi)，影響3-1煤開采的直接充水含水層為延安組碎屑巖類孔隙裂隙承壓水含水層組，包括3-1煤頂板砂巖裂隙含水層及2煤組頂板砂巖含水層。另外，部分區(qū)域直羅組含水層也可能通過采動裂隙對工作面充水。含水層巖性以灰、灰白色中、粗粒砂巖為主，局部地段裂隙發(fā)育，屬于孔隙裂隙層間承壓水。

圖5 工作面導水裂縫帶發(fā)育高度與含水層分布位置剖面

根據(jù)采動覆巖破壞規(guī)律和含水層分布特征，礦井充水水源主要是煤層頂板100 m范圍內(nèi)的含水層，又分為多個含水亞層，之間泥砂巖交互沉積，橫向上的水力連通性差，徑流條件弱，與上部含水層之間垂向上的水力聯(lián)系也不密切，這為實現(xiàn)工作面的安全開采提供了有利條件。但是延安組含水層水頭壓力大，而且裂隙承壓含水層的最大特點就是不均一性，在構(gòu)造裂隙發(fā)育的地段不排除含水層具有一定的富水性，采動破壞波及到該含水層時，受水壓的影響，可能對工作面造成瞬時涌水量比較大。但隨著時間的推移，受補給、徑流的影響，水量會逐漸減小，并且衰減的速度很快從巖層組合結(jié)構(gòu)特征來看，煤層直接頂板基本為泥巖隔水層，可以抑制導水裂縫帶發(fā)育高度，減小上部含水層對工作面的充水影響，為實現(xiàn)工作面的安全開采提供有利條件。

4 蒙陜礦區(qū)復合水體下“疏控水”安全開采方案

目前，對于水體下采煤的主要技術(shù)途徑有頂水開采和疏干或疏降開采。頂水開采指在水體與煤層之間保留一定厚度(或垂高)的安全煤巖柱而對水體不作任何處理情況下的開采。其優(yōu)點是一般不增加礦井的額外涌水量，不增加排水設(shè)備；缺點是在某些情況下，煤炭資源損失率較大，而且在基巖含水層下采煤時，還有可能惡化作業(yè)條件。疏干或疏降開采系指在開采前或開采過程中疏干(補給水源有限時)或疏降(補給水源無限時)地下含水層水位情況下的開采。優(yōu)點是煤炭資源回收率高，生產(chǎn)安全性大；缺點是需要增加疏排水設(shè)備及必要的輔助工程，增加煤炭生產(chǎn)成本。根據(jù)納林河二號礦井面臨的復合水體下開采的問題，針對不同含水層，提出相應的防治方案。

(1)復合水體下安全開采總體原則。首先要防止突水，其次要避免工作面涌水量超限，限制工作面涌水量在可承受的范圍內(nèi)，使其不超過礦井、采區(qū)的排水能力和工作面的疏排水能力，以保證礦井、采區(qū)及工作面不被淹沒和避免人民生命財產(chǎn)遭受損失，最終要達到安全、經(jīng)濟、合理開采的目的。

(2)總體方案提出?；诟矌r破壞理論，根據(jù)首采區(qū)的具體條件、3-1煤層頂板含水層的賦存狀態(tài)與富水程度、3-1煤距不同含水層的巖柱厚度，并結(jié)合3-1煤層開采受頂板以上多層含水層水威脅的特點，提出首采工作面疏控水采煤的總體方案。對于白堊系志丹群含水層采取“頂水開采”的方案；對于直羅組底部砂巖含水層采取“邊回采邊疏降”的控水方案；對于延安組含水層則采取“鉆孔疏干或疏降與回采疏干或疏降相結(jié)合、先疏后采與邊疏邊采相結(jié)合”的疏水方案。

(3)針對富水性中等的白堊系洛河組含水層。根據(jù)《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》，對于白堊系洛河組含水層需要留設(shè)防水安全煤巖柱，設(shè)計回采高度6 m，選取保護層尺寸為設(shè)計采高的5倍(30 m)，導水裂縫帶發(fā)育高度取90 m，防水煤巖柱高度為120 m，101工作面范圍內(nèi)3-1煤頂板距離洛河組含水層的底界巖柱厚度介于270～350 m，滿足留設(shè)安全防水煤巖柱的條件，對于該含水層可以實現(xiàn)頂水安全開采。

(4)針對延安組含水層。由于該含水層為3-1煤的直接充水含水層，一旦煤層開采，采動裂縫將直接波及該含水層組。采前預先疏放靜儲量，降低回采期間的涌水壓力，避免工作面瞬間涌水量超限，限制工作面涌水量在可承受的范圍內(nèi)?；夭汕般@孔初期疏放水范圍為首采工作面上下順槽距離開切眼200 m范圍內(nèi)，布置在工作面上、下順槽，鉆孔間距以20 m左右為宜，鉆孔終孔位置為3-1煤頂板以上80 m以內(nèi)，穿過2-1煤頂板砂巖含水層，嚴禁進入直羅組底部含水層，以避免造成人為導通。工作面回采后，需超前工作面200 m以上依次連續(xù)向前施工疏放水鉆孔，直至停采線。要求仰上疏水鉆孔超前工作面50～100 m達到預先疏干。

(5)針對直羅組底部砂巖含水層。直羅組底部砂巖含水層是首采工作面局部的直接充水含水層，且距離煤層頂板較遠，如果全部采用井下鉆孔疏降則鉆孔深度大，導致工程投入比較大，且施工較困難。經(jīng)分析、比較，對其采取邊回采邊疏降的方法疏放直羅組底部砂巖含水層，也就是利用回采過程中導水裂縫帶頂部的微小裂隙，疏降含水層的水量，實現(xiàn)該含水層下的控水安全采煤。

[1] 煤炭科學研究總院北京開采研究所.煤礦地表移動與覆巖破壞規(guī)律及應用[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1983. Beijing Mining Institute of China Coal Research Institute.The Application and Law for Ground Surface Movement and Overburden Failure in Coal Mine[M].Beijing：China Coal Industry Publishing House,1983.

[2] 國家煤炭工業(yè)局.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[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2000. State Coal Industry Bureau.Building，Water Body，Railroad and Main Mine Lane Coal Pillar with Pressure Mining Engineering[M].Beijing：China Coal Industry Publishing House,2000.

[3] 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.煤礦防治水規(guī)定[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，2009. State Administration of Work Safety.Rule of Mine Prevention and Cure Water Disaster[M].Beijing：China Coal Industry Publishing House,2009.

[4] 許延春，李俊成，劉世奇，等.綜放開采覆巖兩帶高度的計算公式及適用性分析[J].煤礦開采，2011，16( 2)：4-11. Xu Yanchun,Li Juncheng，Liu Shiqi，et al.Calculation formula of two-zone height of overlying strata and its adaptability analysis[J].Coal Mining Technology，2011，16(2)：4-11.

[5] 張玉軍，張華興，陳佩佩.覆巖及采動巖體裂隙場分布特征的可視化探測[J].煤炭學報，2008，33(11 )：1216-1219. Zhang Yujun，Zhang Huaxing，Chen Peipei.Visual exploration of fissure field of overburden and rock[J].Journal of China Coal Cociety,2008，33(11):1216-1219.

[6] 朱 偉，滕永海.漳河水庫下厚煤層綜放開采技術(shù)研究[J].煤炭科學技術(shù)，2012，40( 9)：13-15. Zhu Wei，Teng Yonghai.Study on fully mechanized top coal caving mining technology of thick seam under Zhanghe reservoir[J].Coal Science and Technology，2012，40( 9)：13-15.

[7] 張玉軍,康永華.覆巖破壞規(guī)律探測技術(shù)的發(fā)展及評價[J].煤礦開采,2005,10(2):10-12. Zhang Yujun，Kang Yonghua.The summarize and estimation of the development about the exploration of overburden failure law[J].Coal Mining Technology，2005，10(2)：10-12.

[8] 張守仁,陳佩佩.大型水體下開采安全性評價[J].煤礦開采,2009,14(4):43-46. Zhang Shouren，Chen Peipei.Safety evaluation of mining under large water body[J].Coal Mining Technology,2009,14(4):43-46.

(責任編輯 石海林)

Technology of Dewatering and Controlling for High Strength of Mining under Deep Composite Water in Mengxi

Zhang Yujun

(TiandiScience&TechnologyCo.，Ltd.，Beijing100013，China)

Aiming at characteristics of large mining depth，multilayer aquifer threatening the main coal seam，and high intensity of mining In Nalinhe No.2 mine of Mengxi mining area，based on determination of the type of water disaster，the numerical simulation，physical simulation and experience similarity method were adopted to study the overburden failure height of main coal layer.The law of water aquifers was analyzed，and the “dewatering and control” technology under composite water was proposed.The research results showed that：the water prevention in Mengxi mining mainly exists in coal mining under composite water.It is predicted that the height of failure zone during mining of 3-1 coal in Nalinhe No.2 coal mine was selected as 4.5 times of the caving-height ratio and 15 times of the facture-height ratio.Based on The proposed “dewatering and control” technology，the Cretaceous Zhidan group aquifer chose the “mining under water” scheme，Zhiluo bottom sandstone aquifer took “mining with dewatering”，and Yanan group aquifer adopted the combined scheme of “borehole dewatering or drainage，mining dewatering or drainage，mining after drainage and mining with drainage”.

Depth，Under composite water，High intensity mining，Dewatering and controlling

2015-03-04

“十二五”國家科技支撐計劃項目(編號：2012BAB13B02-04)，中國煤炭科工集團創(chuàng)新基金項目(編號：2012MS004)。

張玉軍(1978—)，男，副研究員，博士。

TD823.83

A

1001-1250(2015)-04-074-05