厚煤層綜放開采對覆巖含水層影響評價及防治水措施研究

昝軍才，竇桂東，吳章濤，劉明武

(陜西彬長小莊礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 713500)

小莊煤礦地處黃隴侏羅紀煤田彬長礦區(qū)，煤厚平均為18.01m，區(qū)內(nèi)主要的含水層為白堊系洛河組含水層，而該含水層主要特點為含水層厚度大、富水性中等、無隔水邊界，并且區(qū)內(nèi)巖層具有典型的弱膠結、易風化、塑性變形大、強度低等力學特性[1，2]。因此，在煤層開采時若開采方案選取不合適極易引發(fā)水害事故。小莊礦原設計采用分層開采方法，礦井為提高生產(chǎn)效率，將原分層開采改為綜采放頂煤工藝，由于調(diào)整后的回采工藝開采強度大，對頂板覆巖破壞程度增加，存在導通洛河組含水層可能，從而增大礦井的水害事故以及破壞地下含水層系統(tǒng)的可能性。因此，客觀評價采用綜放開采對煤層頂板含水層影響，對小莊煤礦綜放開采條件下防治水技術措施的實施和配套排水系統(tǒng)布設具有重要意義。

目前，科研工作者對綜放開采覆巖破壞規(guī)律進行了大量的研究[3-13]，但是隨著礦井生產(chǎn)水文地質(zhì)條件的變化，仍需在前期科研工作者研究的基礎上進一步研究。本文基于小莊煤礦洛河組含水層下厚煤層綜放開采為工程研究背景，通過理論分析、數(shù)值模擬和比擬分析等方法，在同時考慮礦井高產(chǎn)高效、工作面不受巨厚洛河組含水層威脅的條件下，來探討西部礦井厚煤層綜放開采覆巖破壞對地下含水層影響和提出對應的防治水措施。

1 工程概況

小莊煤礦位于黃隴侏羅紀煤田彬長礦區(qū)，主采4#煤層賦存于延安組第一段，煤層平均厚度為18.01m，煤層夾矸為泥巖和炭質(zhì)泥巖，煤層的偽頂為小于0.5m的炭質(zhì)泥巖，直接頂類型較多，有泥巖、粉砂巖、細砂巖、粗砂巖及礫巖。在煤礦范圍內(nèi)屬較穩(wěn)定煤層，全區(qū)大部可采。

根據(jù)小莊井田勘探資料，按巖性組合、巖石裂隙發(fā)育程度、富水性大小、含水層的含水介質(zhì)及其埋藏條件等，由上而下劃分為以下七個主要含水層組：第四系全新統(tǒng)沖、洪積層孔隙潛水含水層(I)；第四系中更新統(tǒng)黃土孔隙～裂隙潛水含水層；第三系(新近系)砂卵礫含水層段；白堊系下統(tǒng)洛河組砂巖孔隙～裂隙含水層(Ⅳ)；白堊系下統(tǒng)宜君組礫巖裂隙含水層(Ⅴ)；侏羅系中統(tǒng)直羅組砂巖裂隙含水層(Ⅵ)；侏羅系中統(tǒng)延安組煤層及其頂板砂巖含水層(Ⅶ)。其中，對4#煤層開采威脅程度最大的是距離4#煤層190.07m處的巨厚洛河組砂巖孔隙～裂隙含水層，采用綜放開采后，由于開采強度加大，覆巖破壞高度增大，極易對工作面造成水害影響。

2 綜放開采覆巖裂采比確定方法

2.1 關鍵層理論確定裂采比

關鍵層理論[14]表明，要實現(xiàn)綜放開采條件下含水層的控制，確保不形成導水通道，關鍵在于綜放開采導水裂隙帶高度的確定，確保開采在上覆巖層主關鍵層失穩(wěn)的臨界尺寸內(nèi)進行，主隔水關鍵層判別公式如下：

式中，qn為承載層載荷，MPa；γn為第n層巖層的容重，g/cm3；hn為第n層巖層的巖厚，m；En為第n層巖層的彈性模量，MPa。

按照式(1)的原則，由下往上逐層判別，直至確定最上一層可能成為關鍵層的硬巖層位置，按照確定的硬巖層還必須滿足關鍵層的強度條件，即滿足下層硬巖層的破斷距小于上層硬巖層的破斷距，即：

lj+1

(2)

式中，lj為第j層硬巖層的破斷距，其可按初次破斷跨距公式(3)計算，m；L為巖層的破斷距，m；Rt為巖層抗拉強度，MPa；q為承載層載荷，MPa。

根據(jù)煤層開采頂板破斷理論結合“砌體梁”理論進行綜合評價，計算得出小莊礦現(xiàn)開采條件下煤層頂板“導水裂縫帶”發(fā)育高度。小莊礦初步設計工作面綜放開采厚度12m，對回采過程中采場覆巖“導水裂縫帶”發(fā)育高度進行分析可知：工作面推進至173.42m，亞關鍵層5破斷，亞關鍵層5不滿足抗滑落失穩(wěn)條件，即亞關鍵層5不能形成“砌體梁”結構，此關鍵層及其隨動層48.21m巖層仍屬于裂縫帶，巖層規(guī)則垮落，導水裂縫帶高度發(fā)育至亞關鍵層5頂部巖層，導高243.51m，裂高采厚比為20.30倍。

2.2 數(shù)值模擬確定裂采比

2.2.1 數(shù)值模擬模型及模擬過程

結合小莊煤礦4#煤層水文地質(zhì)資料，建立走向長度1400m、傾斜寬度240m、模型高度600m的計算模型，分析小莊煤礦煤層開采覆巖破壞變化規(guī)律，煤巖體物理力學參數(shù)見表1?？紤]到邊界效應，X方向和Y方向邊界為固定邊界，Z方向上邊界為自由邊界。模型開挖平衡采用solve求解平衡，工作面開挖平衡后，分析推進過程中覆巖破壞變化規(guī)律，得出小莊煤礦4#煤層開挖過程中覆巖破壞規(guī)律。

表1 模擬計算力學參數(shù)表

2.2.2 數(shù)值模擬結果及分析

本文分別選取了推進過程50m和360m處覆巖變化規(guī)律，具體結果分析如下：

1)當工作面向前推進至50m時，由于開采擾動范圍小，破壞區(qū)范圍比較小，僅在煤層上方小范圍內(nèi)發(fā)生剪切破壞，直接頂下部受到小范圍的剪切力作用而發(fā)生破壞；隨著工作面的不斷推進，煤層頂?shù)装迨紫劝l(fā)生剪切破壞，進而在雙向拉應力的作用下發(fā)生拉斷、冒落現(xiàn)象。隨著采空區(qū)頂板裂隙進一步擴展，采空區(qū)上方塑性區(qū)高度增加到28m。

2)工作面回采360m時的塑性區(qū)分布如圖1所示，由圖1可以看出，隨開采擾動范圍的不斷擴大，在采空區(qū)自下而上，依次發(fā)育表現(xiàn)出拉伸破壞、剪切破壞和彈性變形區(qū)域分布，每一次老頂周期性的破斷和垮落都會使得發(fā)生拉伸破壞的區(qū)域范圍逐漸變大，同時上部剪切破壞的區(qū)域也在不斷擴大，當工作面開采達到兩個“見方”時頂板導水裂縫帶基本達到最大值，其頂板導水裂縫帶發(fā)育高度為228m，裂采比為19倍。

圖1 工作面推進360m塑性區(qū)分布圖

2.3 比擬分析確定裂采比

根據(jù)收集到的與小莊煤礦毗鄰并且已經(jīng)投產(chǎn)的亭南、大佛寺及胡家河煤礦導水裂縫帶高度實測資料，通過類比分析法，進行小莊煤礦4#煤層綜放開采導水裂隙帶高度計算。相關礦井綜放采煤條件下部分裂高采厚比統(tǒng)計見表2。

表2 相關礦井綜放條件下裂采比

由表2可以看出，同一礦區(qū)其他毗鄰礦井頂板導水裂縫帶發(fā)育裂采比為15.09～22.20，整體與小莊煤礦計算結果較為一致。但小莊煤礦與胡家河煤礦開采條件最為相近，兩者均采用綜采放頂煤開采方法，最大設計采厚均為12m，胡家河礦工作面寬度180m，小莊礦工作面設計寬度200m。胡家河煤礦40101工作面T5孔實測煤層采后頂板導水裂縫帶最大發(fā)育高度為225.4m，計算裂采比為18.79倍。

3 綜放覆巖破壞特征及含水層影響評價

3.1 綜放覆巖破壞特征

由上述三種確定裂采比的方法可以分析得出，小莊煤礦4#煤層開采采用綜放開采時，頂板覆巖裂采比最大為20.30，最小裂采比為18.79，而4#煤層平均設計采厚12m，因此覆巖最大破壞高度為243.6m，最小破壞高度為225.48m，具體見表3。而根據(jù)礦井含、隔水層賦存關系圖可知，4#煤層距洛河組含水層距離為190.07m。因此，采用綜采放頂煤開采時，覆巖破壞高度已經(jīng)破壞了洛河組含水層，進而增大了對回采工作面的水害威脅。

表3 小莊煤礦頂板破壞特征研究成果

3.2 覆巖破壞對地下含水層影響評價

根據(jù)煤層到上覆各含水層距離和導水裂縫帶發(fā)育高度，采用“三圖-雙預測法”中冒裂安全性分區(qū)的評價方法，分別評價小莊煤礦煤層綜放開采對上覆宜君組含水層、洛河組下段含水層、洛河組上段含水層的影響，評價結果如圖2—4所示。

圖2 綜放開采對上覆宜君組含水層影響評價結果

圖3 綜放開采對上覆洛河組下段含水層影響評價結果

圖4 綜放開采對上覆洛河組上段含水層影響評價結果

通過上述對各含水層影響評價研究成果可知，小莊煤礦采用綜放開采上分層，采高為12m條件下煤層頂板導水裂縫帶發(fā)育高度將波及到宜君組含水層和洛河組下段含水層，按照現(xiàn)設計開采條件，4#煤采用綜放開采對洛河組下段含水層產(chǎn)生一定影響，對洛河組上段含水層總體影響有限。在不波及上段含水層的前提下，井下涌水量基本可控，煤層開采也不會改變洛河組含水層的潛在供水功能及供水能力，對區(qū)域水生態(tài)影響較小。因此，為防止在采用綜放開采時波及上段含水層必須采取一定的防治措施，確保裂隙帶高度不波及到洛河組上段含水層。

4 綜放開采防治水措施

為提高工作面不受水害威脅，提出以下防治水措施：

1)按《煤礦防治水細則》要求，加強采掘工作面探放水等日常防治水工作，及時更新防治水相關圖紙、臺賬資料，圖紙及臺賬資料應按符合相關規(guī)程、規(guī)范要求繪制，并加快礦井排水系統(tǒng)建設。

2)對可能存在封閉不良情況的鉆孔，在采掘活動接近時應及時探查其封閉情況或啟封，同時加強采空區(qū)積水管理，密切關注各工作面采空區(qū)積水變化，做好采空區(qū)積水疏放和監(jiān)測，定期巡查閉墻情況，發(fā)現(xiàn)閉墻漏水、氣體涌出、疏水管堵塞等危險情況及時采取相關措施。

3)加強基礎水文地質(zhì)條件的探查工作，包括水文地質(zhì)補勘、地面和井下物探及鉆探方法的應用，針對構造條件、含水層富水性及隔水層發(fā)育特征的探查，進一步分析礦井的水害類型和威脅程度。

5 結 論

1)通過關鍵層理論、數(shù)值模擬、比擬分析三種方式綜合確定了小莊煤礦采用綜放開采覆巖裂采比最大為20.30、最小裂采比為18.79，而4#煤層設計采厚12m，因此覆巖最大破壞高度為243.6m，最小破壞高度為225.48m。

2)根據(jù)“三圖-雙預測法”對上覆含水層的影響評價可知：小莊煤礦采用綜放開采煤層12m條件下，煤層頂板導水裂縫帶發(fā)育高度將波及到宜君組含水層和洛河組下段含水層，按照現(xiàn)設計開采條件，4#煤采用綜放開采對洛河組下段含水層產(chǎn)生一定影響。

3)根據(jù)覆巖裂采比計算得出的覆巖破壞高度和“三圖-雙預測法”的評價結果，提出針對小莊礦4#煤層開采的防治水措施。