孟巴礦厚松散含水層下協(xié)調(diào)保水開(kāi)采模式

余學(xué)義，毛旭魏，郭文彬,3

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054; 2.西安科技大學(xué) 教育部西部礦井開(kāi)采與災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054; 3.呼倫貝爾學(xué)院 礦業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021008)

孟加拉國(guó)巴拉普庫(kù)利亞礦(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“孟巴礦”)是我國(guó)承建、承包生產(chǎn)的礦井，也是目前孟加拉國(guó)惟一的煤礦。孟巴礦采礦地質(zhì)條件特殊，礦井開(kāi)采安全受水害[1-2]、沖擊礦壓[3]、采空區(qū)發(fā)火及地?zé)岫喾N災(zāi)害威脅。由于上覆巖層中隔水層分布較少甚至缺失，所以新近系Upper Dupi Tila(簡(jiǎn)稱(chēng)UDT)松散富含水層是威脅礦井安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害，因此尋求一種有效開(kāi)采方法即能夠有效減輕水害威脅又能保護(hù)UDT富含水層不發(fā)生泄漏，對(duì)于孟巴礦安全經(jīng)濟(jì)開(kāi)采具有重要意義。

地下煤炭開(kāi)采后引起的水資源破壞問(wèn)題很早就引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。在國(guó)外為了預(yù)防開(kāi)采對(duì)水資源產(chǎn)生破壞提出了法律性措施:十五六世紀(jì)比利時(shí)為了防止開(kāi)采導(dǎo)致水資源破壞，頒布了一項(xiàng)法令對(duì)破壞引起列日城用水含水層者處以死刑[4];19世紀(jì)70年代以來(lái)美國(guó)針對(duì)煤炭開(kāi)采引起的水資源消耗等生態(tài)問(wèn)題，實(shí)施了“國(guó)家地下水資源總評(píng)價(jià)”等工程，將地表水、地下水均考慮到煤炭開(kāi)采影響因素中，并于1977年頒布了Surface mining control and reclamation Act,SMCRA[5-6]等。澳大利亞地區(qū)在距離水體400 m的層位采煤，仍要做出細(xì)致的研究，可見(jiàn)人們對(duì)水下開(kāi)采越來(lái)越重視[7-8]。BOOTH C J等學(xué)者針對(duì)美國(guó)伊利斯諾州的長(zhǎng)壁工作面開(kāi)采進(jìn)行研究，提出開(kāi)采引起的地下水位下降的可恢復(fù)性[9-10]。隨著我國(guó)在水體下開(kāi)采的資源越來(lái)越多，我國(guó)學(xué)者針對(duì)水下開(kāi)采也進(jìn)行了系統(tǒng)研究。保水開(kāi)采理念最早在1992年由范立民提出的[11]，隨后1995—1998年煤田地質(zhì)總局、陜西煤田地質(zhì)局185隊(duì)、中煤水文地質(zhì)局和中國(guó)礦業(yè)大學(xué)等單位聯(lián)合針對(duì)陜北境內(nèi)侏羅紀(jì)煤田開(kāi)采進(jìn)行研究首次使用“保水開(kāi)采”一詞，并為后續(xù)研究奠定了一定的理論基礎(chǔ)[12]。2003年陜西煤田地質(zhì)局在上述理論基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步細(xì)致的研究，提出了保水開(kāi)采的條件和相應(yīng)的措施。同年，錢(qián)鳴高院士提出了煤礦綠色開(kāi)采理念，保水開(kāi)采屬于綠色開(kāi)采中重要的一項(xiàng)研究[13-14]。自提出保水開(kāi)采以來(lái)，范立民[15-16]、王雙明[17]、黃慶享[18-20]等國(guó)內(nèi)專(zhuān)家針對(duì)保水開(kāi)采進(jìn)行了系統(tǒng)研究，提出保水開(kāi)采分區(qū)原則，給出理論依據(jù)及相應(yīng)開(kāi)采方法，形成了一套完整的成熟的保水開(kāi)采理論體系。

由于孟巴礦的特殊地質(zhì)條件，地層中的含水層較多，是礦井安全生產(chǎn)研究的主要對(duì)象，UDT含水層厚，含水量豐富且分布較廣，如果導(dǎo)水裂縫帶波及到UDT含水層，將會(huì)導(dǎo)致淹井災(zāi)害發(fā)生，所以并不能以傳統(tǒng)意義的水體下開(kāi)采進(jìn)行研究，針對(duì)孟巴礦特殊地質(zhì)條件提出上保下疏協(xié)調(diào)開(kāi)采模式，即采用合適的開(kāi)采工作面布置方式，達(dá)到含煤地層中的水能夠被逐步疏放，保護(hù)UDT含水層底板的LDT隔水層的完整性和隔水性能，保證UDT水體不泄漏。

1 保水開(kāi)采地質(zhì)條件

孟巴井田揭露地層中缺失了中生代的全部地層，使新生代地層直接覆蓋在古生代的含煤地層之上，井田地層由下至上依次為古生界的寒武系復(fù)合基底、石炭—二疊系含煤地層Gondwana組以及新生界的古近系Lower Dupi Tila(簡(jiǎn)稱(chēng)LDT)組、新近系UDT組、第四系Madhupur(莫圖布爾)黏土組，見(jiàn)表1。主采Ⅵ煤層，賦存穩(wěn)定，厚度在29.00～41.52 m，平均36.14 m，屬穩(wěn)定特厚煤層，煤層傾角5°～30°。含煤地層巖性主要以粉砂巖、中粒砂巖、粗砂巖、含粒粗砂巖為主，夾薄層泥巖、炭質(zhì)泥巖。Ⅵ煤的偽頂巖性為炭質(zhì)泥巖、泥巖，厚度為0.11～2.20 m，屬穩(wěn)定性較差的巖層;頂板是巨厚砂巖，單軸抗壓強(qiáng)度為46 MPa，屬于中硬巖層，中等～易冒落頂板[2]。

表1 孟巴礦井田地層簡(jiǎn)表Table 1 Field layer profiles of Barapukuria mine

孟巴礦礦井地層是典型的岡瓦納地層結(jié)構(gòu)，對(duì)煤炭開(kāi)采具有一定的特殊性，巖層整體因成巖作用差呈現(xiàn)巖性強(qiáng)度較低、孔隙率較大、含水率較高、缺失中生代地質(zhì)沉積痕跡、在煤系地層中無(wú)隔水層的特征[21-22]。孟巴礦所處的岡瓦納地層地質(zhì)采礦條件具有“三厚”特征，即地表10 m土層下具有110 m左右厚度的松散砂巖富含水層，滲透系數(shù)為0.505～40.160 m/d;煤層頂板直接賦存120 m的砂巖，具有巖層分層性差、整體性強(qiáng)的特征，滲透系數(shù)為0.005～0.938 m/d;厚煤層，開(kāi)采煤層Ⅵ煤平均厚36 m。煤系地層中有效的隔水層缺失，僅在UDT富含水層底板存在LDT隔水層，在北部厚度0～30 m，可有效隔斷UDT富含水層水對(duì)煤系砂巖的補(bǔ)給，LDT等厚線如圖1所示。

圖1 LDT等厚線圖Fig.1 LDT contour map

根據(jù)開(kāi)采煤層上覆巖層特征分析，礦井含水層可分為UDT富含水層和開(kāi)采煤層至LDT隔水層兩個(gè)含水層組，由于礦井階段排水系統(tǒng)的排水能力有限，在厚煤層分層開(kāi)采中宜通過(guò)分層開(kāi)采分次疏放含煤地層中含水層的水，并同時(shí)保護(hù)UDT富含水層不產(chǎn)生下泄，才能保證礦井生產(chǎn)的安全。Ⅵ煤頂板為120 m厚的砂巖層，其分層性差、整體性強(qiáng)，加之近地表110 m厚的松散砂層的加載作用，開(kāi)采礦壓顯現(xiàn)明顯，沖擊礦壓顯現(xiàn)較強(qiáng)。

2 上保下疏開(kāi)采原理

孟巴礦的特殊地層決定了威脅礦井安全開(kāi)采災(zāi)害的多樣性和復(fù)雜性，首先是新近系UDT砂巖其具有厚度大、巖層松散(無(wú)法提取巖芯)富含水性，滲透系數(shù)達(dá)0.505～40.16 m/d，岡瓦納含煤地層滲透系數(shù)0.002 5～0.938 m/d，礦井開(kāi)采水害防治是礦井安全生產(chǎn)必須解決的主要問(wèn)題;其次是由于開(kāi)采煤層頂板為分層性較差，厚度達(dá)120 m的砂巖，在UDT松散砂巖重力加載作用下，形成了較強(qiáng)的采場(chǎng)沖擊礦壓威脅。綜合礦井開(kāi)采防水、防沖這兩種主要災(zāi)害的特征，分析礦井地層結(jié)構(gòu)特征，在開(kāi)采過(guò)程中通過(guò)分層限高，限制分層開(kāi)采覆巖破壞高度，降低覆巖應(yīng)力集中，實(shí)現(xiàn)含煤地層水的逐步疏放、覆巖分段破壞釋放集中礦壓和分層協(xié)調(diào)布置開(kāi)采降低LDT隔水層變形損傷程度，防止UDT富含水層擊穿LDT隔水層[23]，實(shí)現(xiàn)UDT水體下的上保下疏開(kāi)采模式。

礦井開(kāi)采中既要確保LDT隔水層的有效隔水性能，保護(hù)UDT含水層的水不發(fā)生下泄，同時(shí)因礦井排水系統(tǒng)的排水能力較小，含煤地層中的水體要通過(guò)控制分層覆巖破壞高度實(shí)現(xiàn)逐漸疏放。

3 上保下疏水害防治模式

水體下開(kāi)采主要研究采動(dòng)覆巖導(dǎo)水裂縫帶與水體賦存的位置關(guān)系，根據(jù)孟巴礦開(kāi)采煤層覆巖含水層的富水性，導(dǎo)水裂縫帶溝通多個(gè)基巖含水層可能造成淹井事故，在這種條件下，采用工作面協(xié)調(diào)布置減損開(kāi)采技術(shù)，可以為礦井安全、高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)提供保障，同時(shí)對(duì)水體的保護(hù)和水體下煤炭資源的開(kāi)發(fā)，具有重要的借鑒作用和參考價(jià)值。孟巴礦開(kāi)采煤層頂板至LDT隔水層底板為200余米厚的岡瓦納地層，按照地層巖性、富水性和巖層結(jié)構(gòu)可將開(kāi)采煤層覆巖劃分為3組含水層組，如圖2所示。Ⅵ煤至Ⅴ煤為含水層1，Ⅴ煤頂板至LDT底板為含水層2，UDT含水層為含水層3。

圖2 含水層劃分示意Fig.2 Aquifer division diagram

綜合礦井水體的賦存特征，巖層含(隔)水性，導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育規(guī)律，確定孟巴礦特厚煤層分層協(xié)調(diào)減損開(kāi)采水害防治模式為:通過(guò)控制分層開(kāi)采高度，實(shí)現(xiàn)覆巖水體的上保下疏、基巖水體分步疏排，分層工作面限高協(xié)調(diào)錯(cuò)距布置、間歇開(kāi)采，避免LDT隔水層拉應(yīng)力區(qū)疊加破壞，降低LDT隔水層的損傷程度，以保證UDT含水層不擊穿LDT隔水層，實(shí)現(xiàn)LDT水體下的安全開(kāi)采[24-25]。具體方法為:一分層開(kāi)采厚度控制在Ⅵ煤頂板120 m厚的砂巖的關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，能夠有效控制一分層開(kāi)采覆巖破壞高度，實(shí)現(xiàn)一分層開(kāi)采主要疏放含水層1;二分層開(kāi)采控制覆巖導(dǎo)水裂縫帶高度在LDT隔水層以下，實(shí)現(xiàn)二分層開(kāi)采主要疏放含水層2。即通過(guò)分層限高開(kāi)采，保證導(dǎo)水裂縫帶不波及LDT隔水層;通過(guò)協(xié)調(diào)錯(cuò)距開(kāi)采，減輕LDT隔水層完整性和變性破壞程度，而達(dá)到保護(hù)UDT強(qiáng)含水層不下泄。

4 含水層上保下疏開(kāi)采方法

4.1 基巖含水層1,2分期疏放方法

4.1.1 一分層工作面開(kāi)采寬度、厚度確定

要實(shí)現(xiàn)一分層開(kāi)采主要疏放含水層1的目標(biāo)，必須控制一分層開(kāi)采后關(guān)鍵層的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，Ⅵ煤頂板巖層結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 Ⅵ煤頂板結(jié)構(gòu)柱狀Fig.3 VI coal roof structure histogram

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)和模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在孟巴礦開(kāi)采條件下，一分層開(kāi)采裂采比為25，二分層開(kāi)采累計(jì)采厚裂采比為23，取保護(hù)層厚度為分層開(kāi)采厚度的5倍，線性回歸得出孟巴礦分層開(kāi)采覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度預(yù)計(jì)計(jì)算公式:

H=(n+27)∑M-15n2

(1)

式中，n為分層層數(shù);∑M為累計(jì)開(kāi)采高度，m。

根據(jù)式(1)計(jì)算一分層開(kāi)采后覆巖導(dǎo)水裂縫帶高度為69 m，結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層距煤層頂板72 m未受到導(dǎo)水裂縫帶的破壞。此時(shí)的結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層處于彎曲下沉狀態(tài)，根據(jù)岡瓦納地層的特殊條件，將從力學(xué)特征上簡(jiǎn)化為:松散UDT含水層為主要加載層;煤系地層對(duì)載荷起傳遞作用;結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層為主要承載層，其穩(wěn)定性可以通過(guò)初始后屈曲理論進(jìn)行解析，即關(guān)鍵層從原始狀態(tài)發(fā)生彎曲達(dá)到后曲屈狀態(tài)產(chǎn)生的位能增量[22]可表示為

P=Wx+Wy

(2)

式中，P為關(guān)鍵層產(chǎn)生的總位能增量;Wx為載荷巖層沿傾斜方向的位能增量;Wy為載荷巖層沿垂直方向的位能增量。

撓曲變形函數(shù)通過(guò)弧長(zhǎng)的傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)后取一階為

(3)

式中，y為最大撓度，m;s為弧長(zhǎng)，m;l為結(jié)構(gòu)跨度，m。

通過(guò)材料力學(xué)可知結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能表達(dá)式為

(4)

結(jié)合式(3)和式(4)可得出均布載荷q做功即載荷沿垂直方向的位能為

式中，α為巖層傾角，(°);q為上覆巖層施加的載荷，N/m。

載荷巖層沿傾斜方向的位能為

(6)

將式(5)和式(6)代入式(2)中進(jìn)行無(wú)量綱化，再進(jìn)行泰勒公式(1+x)m型展開(kāi)，利用駐值定理得出結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層穩(wěn)定的充分必要條件為

(7)

式中結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層的抗彎剛度D可由下式計(jì)算:

(8)

“我家種了近3畝的西紅柿大棚，過(guò)去，施肥方式比較隨意，對(duì)于改良土壤沒(méi)有深刻的體會(huì)，看著家里的地越來(lái)越硬，西紅柿賣(mài)相不好，我很著急。今年年初，開(kāi)始使用‘親土1號(hào)’土壤改良產(chǎn)品之后，效果特別明顯，植株根系發(fā)達(dá)，莖稈粗壯，葉片葉變得濃綠厚實(shí)，結(jié)的果子又大又亮，最關(guān)鍵的是，我家的土變得松軟了，保水性也變強(qiáng)了?！眮?lái)自武威市涼州區(qū)羊下壩鎮(zhèn)七溝村的西紅柿種植戶盧文高興地跟與會(huì)菜農(nóng)交流著。

結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層上部厚度17.4 m(h1)的細(xì)砂巖彈性模量為4 695 MPa(E1)，下部厚度15.2 m(h2)的中砂巖彈性模量為4 482 MPa(E2)，結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層承載的覆巖容重已求得近似為5 120 kN/m3，代入式(7)和式(8)中計(jì)算得到結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層的極限破壞長(zhǎng)度為178.05 m，結(jié)合鉆孔探測(cè)得到覆巖裂隙角為79°。

同理，以式(1)來(lái)限定工作面采高，以式(6)和式(7)來(lái)限定工作面采寬，考慮到一分層大面積開(kāi)采，選取小于臨界狀態(tài)的采寬與采高，分析確定一分層工作面寬度不超過(guò)150 m，開(kāi)采高度3 m時(shí)，覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，能夠有效抑制導(dǎo)水裂縫帶向上發(fā)展，可以實(shí)現(xiàn)主要疏放Ⅵ煤頂板砂巖含水層水體的目的。

4.1.2 二分層限高保水開(kāi)采

孟巴礦二分層開(kāi)采后結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層發(fā)生破壞，對(duì)上覆巖層無(wú)法起到承載作用，此時(shí)覆巖破壞發(fā)育高度完全依賴(lài)于巖體的殘余碎脹系數(shù)，所以對(duì)于導(dǎo)水裂縫帶高度的控制尤為重要。根據(jù)式(1)計(jì)算，二分層除了1204，1203工作面采用分層綜采(采高3.0 m)外，其余工作面均采用分層綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采方法開(kāi)采，采放厚度在5～8 m。通過(guò)地表探測(cè)孔:1204工作面17號(hào)探測(cè)孔、1210工作面16號(hào)探測(cè)孔、1214工作面25號(hào)探測(cè)孔，應(yīng)用鉆孔鉆液漏失量探測(cè)方法，配合鉆孔電視成像方法，結(jié)合實(shí)驗(yàn)?zāi)M方法研究，二分層開(kāi)采后導(dǎo)水裂縫帶最大高度在LDT底板以下15～25 m，通過(guò)二分層限高開(kāi)采方法，既控制了二分層導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了基巖含水層的有效疏放和UDT含水層有效保護(hù)的上保下疏礦井安全開(kāi)采模式。

4.2 二分層錯(cuò)距協(xié)調(diào)布置減損開(kāi)采

協(xié)調(diào)開(kāi)采技術(shù)是基于協(xié)調(diào)理論的礦井開(kāi)采部署、開(kāi)采順序和開(kāi)采參數(shù)在空間和時(shí)間方面的科學(xué)有效銜接和管理，通過(guò)科學(xué)規(guī)劃開(kāi)采布局和開(kāi)采順序，選擇合理開(kāi)采參數(shù)，降低覆巖應(yīng)力的疊加效應(yīng)，減輕采動(dòng)覆巖的破壞程度，避免災(zāi)害發(fā)生或減輕災(zāi)害強(qiáng)度的開(kāi)采技術(shù)[26]。

4.2.1 分層錯(cuò)距布置減損原理

根據(jù)工作面協(xié)調(diào)減損開(kāi)采原理，在二分層開(kāi)采工作面與一分層開(kāi)采邊界外錯(cuò)距布置，使二分層回采巷道位于一分層采空區(qū)下并應(yīng)用綜放方法開(kāi)采，這種工作面布置方式開(kāi)采，有效破壞一分層采空區(qū)的區(qū)段煤柱，實(shí)現(xiàn)覆巖整體下沉，降低了覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度，加速了導(dǎo)水裂縫通道的閉合，保證了隔水層的穩(wěn)定性。邊界錯(cuò)距布置開(kāi)采防止隔水層拉伸應(yīng)力疊加產(chǎn)生下行裂隙在承壓水體作用下被擊穿。

根據(jù)概率積分法分析巖層內(nèi)部應(yīng)力和水平變形，如圖4所示，右側(cè)是未進(jìn)行錯(cuò)距布置的工作面，煤柱上方的應(yīng)力集中疊加，LDT隔水層上的水平變形拉伸區(qū)拉伸變形疊加，增加了LDT產(chǎn)生拉伸破壞的不穩(wěn)定性;左側(cè)是進(jìn)行錯(cuò)距開(kāi)采布置的工作面，上分層開(kāi)采后產(chǎn)生的變形與下分層開(kāi)采后產(chǎn)生的變形避免疊加，且一分層開(kāi)采后在LDT隔水層上產(chǎn)生的壓縮水平變形ε1與二分層開(kāi)采后產(chǎn)生的拉伸變形ε2相互抵消，使得LDT平緩下沉。合理的錯(cuò)距可按下式計(jì)算:

(9)

式中,L為合理錯(cuò)距，m;r1，r2分別為一、二分層開(kāi)采對(duì)應(yīng)在LDT隔水層位置的主要影響半徑，m;H1,H2分別為一、二分層與LDT隔水層的距離，m;tanβ為主要影響角正切。

圖4 分層錯(cuò)距與對(duì)齊開(kāi)采LDT水平變形疊加Fig.4 Stratified offset and alignment mining LDT horizontal deformation overlay

一分層開(kāi)采煤層頂板距LDT隔水層220 m，二分層開(kāi)采煤層頂板距LDT隔水層230 m，取tanβ=2.2，由式(3)計(jì)算出一、二分層開(kāi)采分層錯(cuò)距約為82 m。

4.2.2 分層錯(cuò)距布置間歇開(kāi)采

根據(jù)一、二分層開(kāi)采各分層頂板至LDT隔水層的垂距，由式(9)計(jì)算出二分層工作面與對(duì)應(yīng)一分層工作面的錯(cuò)距布置距離，如圖5所示。二分層工作面按1204,1203,1214,1206,1205依次順序進(jìn)行開(kāi)采。這種工作面布置方法:① 避免分層工作面在邊界位置水平變形疊加，減輕LDT隔水層拉伸變形破壞，達(dá)到防水目的;② 二分層開(kāi)采后通過(guò)頂煤放煤量控制，達(dá)到完全釋放一分層煤柱應(yīng)力，即不但增加了頂煤回收量，而且使得覆巖在UDT松散層的加載作用下，整體快速下沉。

圖5 分層工作面錯(cuò)距布置方法示意Fig.5 Schematic diagram of the layout method of layered working face error

5 應(yīng)用效果

一分層共開(kāi)采了13個(gè)工作面，分層開(kāi)采高度均為3.0 m，二分層共開(kāi)采了9個(gè)工作面，其中1203,1204工作面采用分層綜采，開(kāi)采高度3.0 m，其余工作面均采用綜放方式開(kāi)采，采放高度4.5～8.0 m。礦井生產(chǎn)各個(gè)工作面回采期間涌水量如圖6所示，淺部1101,1203工作面開(kāi)采期間涌水量超出500 m3/h，1205工作面受構(gòu)造影響涌水量達(dá)到900 m3/h，其余工作面開(kāi)采期間涌水量均在500 m3/h以下范圍，實(shí)現(xiàn)了在礦井排水能力限制條件下的水體下安全開(kāi)采。同時(shí)工作面協(xié)調(diào)錯(cuò)距布置間歇開(kāi)采，與一分層開(kāi)采相比二分層開(kāi)采礦山壓力顯現(xiàn)明顯降低，沖擊礦壓強(qiáng)度降低，由于二分層開(kāi)采有效地破壞了一分層采空區(qū)煤柱，實(shí)現(xiàn)了覆巖快速整體沉降，密實(shí)了采空區(qū)，也降低了采空區(qū)發(fā)火的危險(xiǎn)性。

為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)開(kāi)采過(guò)程中UDT水位變化，專(zhuān)門(mén)于井田內(nèi)布置了觀測(cè)孔群(分別命名為：P11/2,P11/3,SOB11/2,SOB11/3,SOB11/4,SHOB11/2,SHOB6)，2017年11月至2018年11月近1 a的水位觀測(cè)變化數(shù)據(jù)如圖7所示，由于存在LDT天窗區(qū)，UDT水位變化規(guī)律與當(dāng)?shù)亟涤昝芮邢嚓P(guān)，雨季水位上升，旱季水位下降，但UDT整體水位變化幅度穩(wěn)定保持在一定范圍內(nèi)，未出現(xiàn)持續(xù)下降現(xiàn)象，表明UDT含水層并未與導(dǎo)水裂縫帶貫通建立水力通道。

圖6 各個(gè)工作面回采期間涌水量Fig.6 Water inrush during each mining face

圖7 UDT含水層水位變化Fig.7 Water-level fluctuation of UDT aquifer

1214工作面采空區(qū)范圍內(nèi)一分層平均采厚3 m，二分層平均采厚為7 m，是整個(gè)開(kāi)采區(qū)域中累計(jì)采厚最大的地方，所以在二分層回采結(jié)束后于1214工作面采空區(qū)實(shí)施地面鉆孔探測(cè)2個(gè)分層開(kāi)采結(jié)束后導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度，可以有效說(shuō)明2個(gè)分層開(kāi)采后覆巖裂隙發(fā)育情況。鉆孔實(shí)施共372.86 m，在137.07～173.61 m段進(jìn)行了抽水實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該段即LDT隔水層段滲透系數(shù)為0.028 95 m/d，具有良好的隔水性，說(shuō)明2個(gè)分層協(xié)調(diào)開(kāi)采結(jié)束后LDT隔水層未發(fā)生大變形破壞，且具有良好的隔水性。涌水量未超過(guò)煤系地層含水層上限涌水量、UDT水位變化情況和最大采高處LDT的完整性3個(gè)方面表明上保下疏水體下開(kāi)采模式有效防止了UDT含水層中的水進(jìn)入井下。

6 結(jié) 論

(1)孟巴礦具有特殊的岡瓦納地層結(jié)構(gòu)，地質(zhì)采礦條件具有“三厚”特征:松散砂巖富含水層厚、煤層頂板厚、煤層厚，這種結(jié)構(gòu)決定了礦井水害防治和防沖是礦井安全開(kāi)采中需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

(2)依據(jù)地層巖性、富水性、巖層結(jié)構(gòu)和礦井階段排水能力將孟巴礦覆巖含水層劃分為3組含水層，應(yīng)用理論方法給出了厚煤層分層工作面寬度和分層開(kāi)采高度，達(dá)到了逐步疏放了含煤地層水體的目的。

(3)提出了上保下疏開(kāi)采模式，定義了協(xié)調(diào)減損開(kāi)采科學(xué)涵義，通過(guò)理論計(jì)算結(jié)合工程探測(cè)數(shù)據(jù)，分析確定了限高協(xié)調(diào)分層錯(cuò)距開(kāi)采方法及其參數(shù)，將上保下疏水害防治模式成功地應(yīng)用于孟巴礦UDT強(qiáng)含水層下厚煤層分層開(kāi)采中。