榆神礦區(qū)淺埋煤層多重水體下大采高綜采水害影響評(píng)價(jià)

郭守泉，宋業(yè)杰

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013； 2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013)

榆神礦區(qū)地處神府礦區(qū)南部，是國(guó)家14個(gè)大型煤炭基地之一的陜北煤炭基地重要組成部分，礦區(qū)面積為5500km2，探明儲(chǔ)量30.1Gt，礦區(qū)主采煤層厚度平均為10m，最厚可達(dá)12m。區(qū)內(nèi)煤炭資源埋藏淺、厚度大、基巖薄，地表大部為薩拉烏蘇組富水砂層覆蓋，礦區(qū)東部邊界燒變巖含水層發(fā)育，燒變巖積水區(qū)靜儲(chǔ)量豐富，上述水體是影響淺埋深厚煤層開采的主要水體[1-2]。榆神一期規(guī)劃區(qū)自1998年開始建設(shè)，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)該礦區(qū)淺埋深厚煤層開采的安全性進(jìn)行了諸多研究。魏久傳、蔣澤泉等人通過(guò)地面鉆孔、井下仰上鉆孔和實(shí)驗(yàn)室模擬、數(shù)值模擬等方法對(duì)榆神礦區(qū)淺埋深厚煤層開采的導(dǎo)水裂縫帶高度進(jìn)行了研究探索，分析了導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律和空間形態(tài)[3-5]；弓培林、王金安等人應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、理論分析、數(shù)學(xué)建模、實(shí)測(cè)驗(yàn)證等方法，研究了淺埋煤層開采的采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及地表移動(dòng)規(guī)律，認(rèn)識(shí)到淺埋深厚煤層開采的覆巖破斷、地表沉陷受頂板關(guān)鍵層和工作面開采參數(shù)影響[6-10]；武東恩、李磊等人研究了淺埋深薄基巖水體下厚煤層開采的水害類型和影響因素，提出了相應(yīng)的防治水方法[11-12]。

國(guó)內(nèi)學(xué)者關(guān)于榆神礦區(qū)淺埋深厚煤層開采安全性的研究主要集中在3個(gè)方面：

(1)礦區(qū)水文地質(zhì)條件、水害類型及影響因素研究。

(2)煤層開采的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律研究。

(3)工作面覆巖破斷、地表移動(dòng)與礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究。

因榆神礦區(qū)煤層頂板發(fā)育有多個(gè)富水含水層，煤厚大、埋藏淺，厚煤層一次全厚回采后的采動(dòng)破壞劇烈，采動(dòng)裂縫可能成為覆巖含水層向采場(chǎng)空間涌水的通道，對(duì)生產(chǎn)安全構(gòu)成威脅。榆神礦區(qū)水體賦存形式多樣，區(qū)內(nèi)多重水體對(duì)厚煤層規(guī)?；_采的水害影響相關(guān)研究不多，少數(shù)學(xué)者分析了可能形成的水害類型。

本文以榆神礦區(qū)某礦為例，在分析3煤覆巖水體賦存特征的基礎(chǔ)上，基于覆巖結(jié)構(gòu)特征對(duì)3煤覆巖破壞高度進(jìn)行預(yù)計(jì)，揭示了3煤大采高綜采工作面充水條件，分析了淺埋煤層多重水體下大采高開采的安全性，提出3煤大采高綜采安全開采的水害防治方案。

1 工程概況

榆神礦區(qū)某礦位于陜北侏羅紀(jì)煤田東部，隸屬榆林市榆陽(yáng)區(qū)麻黃梁鎮(zhèn)管轄。井田處于毛烏素沙漠與黃土高原過(guò)渡地帶，多為低緩的黃土梁崗區(qū)，地表大部為風(fēng)積沙出露，局部溝壑區(qū)域出露地層為黃土。主采3號(hào)煤層厚度0～8.80m，平均8.13m，采用大采高綜采工藝回采，設(shè)計(jì)采高7m。煤層埋深一般140～190m，走向平緩。

礦井水文地質(zhì)條件較復(fù)雜，井田地表有常年性河流十八墩河，煤層頂板賦存有第四系薩拉烏蘇組孔隙潛水含水層、離石組黃土孔隙裂隙潛水含水層、基巖風(fēng)化帶孔隙裂隙含水層、3煤頂板基巖裂隙含水層和燒變巖孔洞裂隙含水層，各水體垂向位置關(guān)系如表1所示。3煤開采屬于淺埋煤層多重水體下大采高綜采，由于采厚大，埋深淺，采動(dòng)破壞對(duì)覆巖含水層影響劇烈。

2 覆巖水體富水性特征

(1)地表十八墩河 十八墩河近東西向從井

表1 3煤頂板水體類型及基本特征

田中部穿過(guò)，為頭道河的一級(jí)支流，為常年性河流，流量約10 L/s，雨季流量大。十八墩水庫(kù)匯水區(qū)進(jìn)入井田約400m，水深0～1.5m，寬30～50m。

(2)薩拉烏蘇組含水層 該含水層分布于井田內(nèi)十八墩河河谷底部及大敦梁村東北部低凹灘地處，寬約200～300m，長(zhǎng)約1000m，含水層基本上呈面狀連續(xù)分布于灘地區(qū)，地層主要由松散的粉砂和細(xì)砂夾粉土組成，水位埋深淺，含水層厚度4～13m，單位涌水量0.142～1.1175L/(s·m)，富水性中等～強(qiáng)，豎井調(diào)查涌水量達(dá)800m3/d，與地表水和大氣降水水力聯(lián)系密切。

(3)離石組黃土孔隙裂隙含水層 全區(qū)分布，在井田的北部和南部部分出露，部分地段為風(fēng)積沙覆蓋，部分地段隱伏于現(xiàn)代沖湖積地層之下。區(qū)內(nèi)黃土厚34～132.63m，平均73.92m。含水層巖性主要為粉土質(zhì)黃土，厚度一般為25～70m，水位埋深16.30～19.72m，單位涌水量0.0124～0.0128 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.009～0.013m/d，富水性弱。

(4)基巖風(fēng)化帶裂隙承壓含水層 該含水層位于新近系紅土底界以下，為基巖頂部的風(fēng)化裂隙帶，一般厚20m左右。據(jù)井田東北部Y24鉆孔抽水試驗(yàn)成果，單位涌水量0.0015L/(s·m)，滲透系數(shù)0.003m/d；又據(jù)井田西北側(cè)七山煤礦、二墩煤礦和白鷺峁煤礦豎井調(diào)查，基巖風(fēng)化裂隙帶內(nèi)靜儲(chǔ)量豐富，最大涌水量達(dá)400～800m3/d。因而，研究區(qū)基巖風(fēng)化帶順層方向富水不均一性顯著，其含水情況受風(fēng)化裂隙發(fā)育情況控制，整體富水性弱，局部富水性中等。

(5)燒變巖區(qū)孔硐裂隙水 分布于本井田東南部邊界附近，厚度6.47～17.40m，巖石較為破碎，孔洞裂隙發(fā)育，為區(qū)域主要含水層。煤層燒變后的孔隙裂隙為地下水提供了良好的儲(chǔ)水空間及導(dǎo)水通道。在地表溝谷地區(qū)燒變巖出露，接受地表降水補(bǔ)給，燒變巖泉流量可達(dá)17.00～250.8L/s，屬極富水水體。相鄰某煤礦曾因燒變巖突水導(dǎo)致巷道及生產(chǎn)機(jī)械被淹，礦井井巷揭露實(shí)測(cè)燒變巖水壓達(dá)0.44MPa，穩(wěn)定出水量達(dá)300m3/h以上。說(shuō)明燒變巖含水層富水性強(qiáng)，靜儲(chǔ)量大。

試劑：硫酸鋁銨（批號(hào)20120827），購(gòu)自天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所。氫氧化鈉（批號(hào)20160803）、硼酸（批號(hào)20130107）、甲基紅（批號(hào)20161020）、溴甲酚綠（批號(hào)20160330），均購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。0.05 mol·L-1硫酸滴定液（批號(hào)539906-161001），購(gòu)自中國(guó)食品藥品檢定研究院。水為Milli-Q過(guò)濾水。

(6)3煤頂板碎屑巖類裂隙承壓水 分布于3煤層頂板，含水層巖性以延安組第四段的中粒砂巖為主，夾少量細(xì)砂巖，厚12～28m，平均22.85m。含水層水位埋深12.49～34.69 m，含水層厚度25.40～67.93m，單位涌水量 0.0001～0.095 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.007～0.367m/d，富水性弱。

在垂向上，受厚層新近系紅土隔水層阻隔，基巖含水層與第四系松散潛水含水層水力聯(lián)系弱。燒變巖孔硐裂隙含水層側(cè)向與基巖風(fēng)化帶裂隙含水層、垂向與地表降水均有密切水力聯(lián)系。

3 覆巖破壞高度預(yù)測(cè)

3.1 覆巖巖性結(jié)構(gòu)

根據(jù)井田鉆孔工程地質(zhì)及巖土力學(xué)的測(cè)試結(jié)果，該礦3煤覆巖巖(土)體分為3大巖類。

(1)極軟弱巖類 包括松散沙層和土層，總厚度為104～142m，是3煤覆巖的主要構(gòu)成巖類。松散沙層包括風(fēng)積沙、沖洪積砂層及薩拉烏蘇組沖湖積砂層；土層包括離石組黃土和新近系紅土。研究區(qū)極軟弱巖類井田范圍全區(qū)分布，松散沙層孔隙率大，松散透水，厚度5～15m；黃土在部分梁峁地區(qū)出露地表，厚度50～80m，抗剪強(qiáng)度較大，為非濕陷性黃土；紅土全區(qū)分布，隱伏于中更新統(tǒng)離石組黃土之下，厚度為11.54～93.98m，紅土層隔水性好，天然狀態(tài)具有一定的固結(jié)性，單軸抗壓強(qiáng)度約4MPa。

(2)軟弱巖類 包括煤層、燒變巖及風(fēng)化基巖，鉆孔資料顯示該類巖層厚度為20～35m。3號(hào)煤層為主采煤層，平均厚度8.10m，煤層飽水抗壓強(qiáng)度7.8～15.1MPa，屬軟弱巖石；燒變巖因所處地段的不同，其烘烤程度輕重不一，主要位于開采范圍以外，飽水抗壓強(qiáng)度8.2MPa，屬劣質(zhì)的軟弱巖石；風(fēng)化基巖包括泥巖、粉砂質(zhì)泥巖及泥質(zhì)粉砂巖等，全區(qū)分布，強(qiáng)度較低，強(qiáng)風(fēng)化段巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，完整性差，強(qiáng)度均較低，平均飽水抗壓強(qiáng)度15.08MPa。

(3)中硬巖類 主要為3煤頂板未風(fēng)化的砂巖，鉆孔揭露該類巖層厚度為3～30m，巖性以中～細(xì)粒砂巖為主，粗粒砂巖及粉砂巖次之，多為泥質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)，泥質(zhì)膠結(jié)的強(qiáng)度相對(duì)較小，鈣質(zhì)膠結(jié)的強(qiáng)度較大，平均飽水抗壓強(qiáng)度38.87MPa。

可見，研究區(qū)3煤頂板完整基巖厚度較薄，受基巖風(fēng)化的影響，基巖柱強(qiáng)度降低。3煤覆巖以軟弱和極軟弱巖層為主、厚土層薄基巖的“下硬上軟”型覆巖結(jié)構(gòu)，應(yīng)屬于軟弱偏中硬類型。

3.2 覆巖破壞高度預(yù)計(jì)

榆神礦區(qū)厚土層、薄基巖條件下的煤層開采尚無(wú)覆巖破壞高度實(shí)測(cè)資料，周邊麻黃梁煤礦在開采期間曾遇到基巖較薄區(qū)域，可提供一定的借鑒。麻黃梁煤礦位于研究礦井的東北部，主采3煤，平均煤厚9.09m，應(yīng)用綜放開采工藝。新近系紅土層全區(qū)發(fā)育，厚度為56.11～114.84m，根據(jù)鉆孔統(tǒng)計(jì)兩者累計(jì)厚度為79.3～156.19m。麻黃梁煤礦已回采工作面實(shí)測(cè)最低基巖厚度僅20m，自礦井首采面開采以來(lái)，工作面開采期間的涌水量始終穩(wěn)定在20～30m3/h左右，工作面附近的地表水源井水位未發(fā)生顯著下降。由工作面涌水量和水源井水位可以判斷3號(hào)煤層綜放開采未導(dǎo)通薩拉烏蘇組含水層，紅土層較好地抑制了導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育，對(duì)比礦井基巖柱與煤層厚度，可以得出其裂采比應(yīng)小于10。

另外，華北的邢臺(tái)礦區(qū)、華東的兗州礦區(qū)開展了較多淺埋深、厚松散層、薄基巖條件下煤層開采的覆巖破壞高度實(shí)測(cè)研究。據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，軟弱巖性條件下的“兩帶”高度比中硬巖性一般能降低30%～40%。多個(gè)煤礦的實(shí)測(cè)值可知，淺埋煤層厚松散層、薄基巖條件下開采的裂高值或裂采比呈現(xiàn)出隨巖柱高度的縮小而減小的規(guī)律，即當(dāng)巖柱高度大于30m時(shí)，裂采比大于8；當(dāng)巖柱高度為20～30m時(shí)，裂采比為6～8；當(dāng)巖柱高度小于20m時(shí)，裂采比為4～6，垮采比為2～4[14-15]。

開采實(shí)踐分析可知，薄基巖條件下的覆巖厚土層具有較好的隔水性和抗裂能力，在其受載后易于密實(shí)，在產(chǎn)生裂隙或斷裂后，在圍壓作用下具有自愈性特點(diǎn)，裂隙、裂縫易于彌合，從而可以有效抑制導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育，即使開采引起的導(dǎo)水裂縫帶上部的微小裂隙進(jìn)入到土層，由于其較好的膨脹性，裂縫會(huì)在采動(dòng)影響的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程中自行閉合，使導(dǎo)水裂縫帶高度降低。

參考麻黃梁煤礦的實(shí)際開采成果，結(jié)合國(guó)內(nèi)類似地層的覆巖破壞發(fā)育規(guī)律，預(yù)計(jì)研究區(qū)3煤大采高開采時(shí)導(dǎo)水裂縫帶高度與采厚的比值取10是較為適宜的。參考華東和華北礦區(qū)的開采實(shí)踐，3煤開采的垮采比取3。在采高7m的情況下，導(dǎo)水裂縫帶高度為70m，垮落帶高度為21m。按照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》[16]中規(guī)定，選取2倍的采厚作為安全煤巖柱的保護(hù)層厚度，則防水安全煤巖柱高度為84m，防砂安全煤巖柱高度為35m，防塌安全煤巖柱高度為21m。

4 多重水體水害影響評(píng)價(jià)

影響研究區(qū)3煤開采的水體包括地表水體和地下水體，地表水體為十八墩河，地下水體包括薩拉烏蘇組孔隙潛水含水層、黃土孔隙裂隙潛水含水層、基巖風(fēng)化帶含水層、3煤頂板基巖含水層和燒變巖含水體。

4.1 薩拉烏蘇組含水層的水害影響

薩拉烏蘇組含水層為局部發(fā)育、富水性中等的含水層，下伏煤層開采時(shí)，需對(duì)該含水層留設(shè)防水安全煤巖柱。當(dāng)采厚為7m時(shí)，薩拉烏蘇組含水層底界與3煤頂板間的煤巖柱高度應(yīng)不小于84m。薩拉烏蘇組底部的黃土弱含水層、新近系紅土層和3煤頂板基巖都可作為防水安全煤巖柱的組成部分。圖1為防水安全煤巖柱厚度分布，可見，在薩拉烏蘇組含水層賦存的地段滿足留設(shè)防水煤巖柱條件，在該地段開采時(shí)，導(dǎo)水裂縫帶不會(huì)波及薩拉烏蘇組含水層，薩拉烏蘇組含水層對(duì)工作面的開采不構(gòu)成直接充水影響。

圖1 薩拉烏蘇組孔隙中等富水含水層防水 安全煤巖柱高度等值線

4.2 十八墩河對(duì)礦井的水害影響

十八墩河從井田穿過(guò)，河流穿過(guò)的區(qū)域賦存薩拉烏蘇組含水層。十八墩河對(duì)礦井的充水影響是通過(guò)補(bǔ)給薩拉烏蘇組含水層間接對(duì)礦井充水，因3煤工作面開采時(shí)薩拉烏蘇組含水層不會(huì)對(duì)工作面直接充水，因此，十八墩河也不會(huì)對(duì)工作面直接充水。

4.3 黃土孔隙裂隙含水層的水害影響

該含水層富水性弱，對(duì)工作面的充水影響小。但由于第四系地層固結(jié)程度差，較松散，工作面開采時(shí)會(huì)產(chǎn)生潰砂威脅，因此，需對(duì)黃土孔隙裂隙潛水含水層留設(shè)防砂安全煤巖柱。當(dāng)采厚7m時(shí)，黃土孔隙裂隙含水層底界與3煤頂板間的煤巖柱高度應(yīng)不小于35m，圖2為防砂安全煤巖柱厚度分布?？梢?，除H303鉆孔周邊小范圍外，均滿足對(duì)黃土孔隙裂隙潛水含水層留設(shè)防砂安全煤巖柱，黃土孔隙裂隙潛水含水層對(duì)礦井僅產(chǎn)生充水影響，不會(huì)出現(xiàn)潰砂事故，不會(huì)對(duì)礦井的安全構(gòu)成威脅。在H303鉆孔周邊小范圍區(qū)域不滿足對(duì)黃土孔隙裂隙含水層留設(shè)防砂煤柱，如不采取限厚等控制采動(dòng)裂縫發(fā)育高度的措施，可能形成潰砂災(zāi)害。

圖2 黃土孔隙裂隙弱含水層防砂安全煤巖柱高度等值線

4.4 基巖風(fēng)化帶含水層的水害影響

基巖風(fēng)化帶含水層富水情況受風(fēng)化裂隙發(fā)育情況控制，總體富水性較弱，局部富水性中等。下伏煤層開采時(shí)，需對(duì)該含水層留設(shè)防水安全煤巖柱，在采厚7m時(shí)，防水安全煤巖柱厚度應(yīng)不小于84m。3煤頂板的完整基巖可作為基巖風(fēng)化帶含水層防水安全煤巖柱的組成部分。圖3為3煤基巖柱厚度等值線，可見，在井田范圍內(nèi)基巖柱厚度基本不足30m，均不滿足對(duì)基巖風(fēng)化帶留設(shè)防水安全煤巖柱。

圖3 3煤基巖柱厚度等值線

因此，基巖風(fēng)化帶含水層將對(duì)3煤開采產(chǎn)生充水影響。井田范圍基巖風(fēng)化帶總體富水性弱，對(duì)礦井影響較小。但由于基巖風(fēng)化帶存在局部富水性中等的區(qū)域，可能對(duì)礦井生產(chǎn)形成強(qiáng)度較大的涌水，井田范圍基巖厚度薄，具有發(fā)生突水災(zāi)害的可能。因此，為避免發(fā)生突水災(zāi)害，在礦井回采前，應(yīng)對(duì)頂板基巖風(fēng)化帶含水層的富水性進(jìn)行探測(cè)，對(duì)富水性較好的區(qū)域，應(yīng)進(jìn)行提前疏放，待風(fēng)化帶含水層基本疏干后，方可開采。

4.5 3煤頂板基巖含水層的水害影響

該含水層位于3煤直接頂板，3煤開采后將成為工作面的直接充水水源。因3煤頂板基巖含水層厚度薄、富水性弱，其對(duì)礦井的影響有限，正常情況下不具有致災(zāi)性。

4.6 燒變巖含水層對(duì)礦井的水害影響

燒變巖巖層是區(qū)域重要含水層，主要分布于井田的東南部，富水性弱至中等，當(dāng)采掘活動(dòng)與其溝通時(shí)，對(duì)礦井的充水強(qiáng)度大，危害性大，周邊礦井曾發(fā)生燒變巖含水層突水災(zāi)害。為了避免燒變巖含水體向礦井產(chǎn)生直接充水，開采靠近燒變巖區(qū)煤層時(shí)，需對(duì)燒變巖含水層留設(shè)側(cè)向防隔水煤巖柱。在對(duì)燒變巖含水層留設(shè)防隔離煤巖柱的條件下，燒變巖含水層不會(huì)對(duì)工作面產(chǎn)生充水影響。根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》[17]，采掘空間與富水區(qū)邊界間留設(shè)的側(cè)向防隔水煤柱寬度應(yīng)滿足式(1)的要求。

(1)

式中，Lf為煤柱留設(shè)的寬度，m；K為安全系數(shù)，取3；M為煤層厚度或采高，7m；p為水頭壓力，實(shí)測(cè)為0.26MPa；Kp為煤的抗拉強(qiáng)度，為1.45MPa。

據(jù)式(1)求得燒變巖含水體須留設(shè)的側(cè)向防隔水煤柱寬度L應(yīng)不小于7.3m<20m，因此須對(duì)本區(qū)燒變巖含水層留設(shè)側(cè)向煤柱寬度為20m。

5 結(jié) 論

(1)研究區(qū)3煤覆巖為以軟弱和極軟弱巖層為主、厚土層薄基巖的“下硬上軟”型覆巖結(jié)構(gòu)，3煤大采高綜采的導(dǎo)水裂縫帶高度與采厚的比值取10、垮采比取3是適宜的。

(2)基巖風(fēng)化帶含水層、3煤頂板基巖含水層和燒變巖含水層對(duì)3煤大采高綜采構(gòu)成直接充水影響；黃土孔隙裂隙含水層對(duì)3煤大采高開采構(gòu)成潰砂影響；薩拉烏蘇組含水層、地表十八墩河對(duì)3煤開采不構(gòu)成直接充水影響。

(3)在3煤開采前須核實(shí)基巖風(fēng)化帶含水層的富水性，對(duì)局部富水性較好的區(qū)域應(yīng)提前疏放；3煤工作面布置時(shí)應(yīng)滿足對(duì)燒變巖含水層留設(shè)側(cè)向20m防隔水煤柱的要求。