杜家溝河道對A礦井采礦影響及對策分析

徐友青

(西山煤電集團 晟聚煤業(yè)， 山西 臨縣 033200)

礦井水害是影響煤礦安全生產的主要災害之一，在一定程度上給煤礦的安全生產帶來危害。地表水害是礦井水害類型之一，隨著目前“三下”開采理念的深入，地表水害已經成為煤礦安全開采研究和分析的重點，其中防止采空塌陷后河水灌入井下是地表水害研究的重要內容之一，特別是雨季洪流期河水對煤礦安全生產的影響較大。本文針對地表杜家溝河對井下開采的影響展開分析研究，確定河道治理方案，防止河水灌入井下威脅生產安全。

1 礦井概況

A礦井為資源重組整合的單獨保留礦井。井田面積2.817 6 km2，可采煤層有(4+5)#、8#、9#共3層，煤層平均厚度分別為3.23 m、3.36 m、4.50 m，核定生產能力為0.60 Mt/a. 井田大部分被黃土覆蓋，僅溝谷、河道內有少量基巖出露，井田內賦存有奧陶系中統(tǒng)峰峰組(O2f)、石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)、石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)、二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)、二疊系下統(tǒng)下石盒子組(P1x)、二疊系上統(tǒng)上石盒子組(P2s)、第四系中上更新統(tǒng)(Q2+3)、第四系全新統(tǒng)(Q4). 井田范圍內(4+5)#煤層整合前受小煤窯不同程度的破壞和井田周邊煤層風氧化等因素影響，礦井水文地質類型為中等。根據井田內S2水文地質鉆孔奧灰水靜止水位標高為812.95 m，礦井最低開采標高為830 m，判定A礦井為非帶壓開采礦井，周邊無相鄰礦井。井田中部有季節(jié)性杜家溝河，由東向西橫穿整個井田，河流上游煤礦的生活廢水也是該河流的主要水源，在井田內流經長度為1 800 m,河道寬度為15～22 m，正常流量為45 m3/h，近年暴雨季節(jié)最大流量為350 m3/h，平均匯水面積為0.9 km2. 杜家溝河一帶井田南部區(qū)域蓋山厚度在98～157 m，3層煤開采后導水裂隙帶會到達地表，因此地表水對井下安全生產影響較大。

2 地表河流影響范圍確定及參數(shù)分析

29110回采工作面呈長方形布置，工作面長度90 m，上覆(4+5)#煤層已被小窯破壞，8#煤已采空。工作面上覆地表北部有區(qū)域河流經過，29110回采工作面周邊(4+5)#、8#、9#煤層厚度分別為3.23 m、3.36 m、4.50 m. 預計29110工作面回采完后，采空區(qū)之間相互疊加影響，部分距離回采工作面較近的河段有可能通過裂縫導通河水灌入井下，影響安全生產。因此，選取29110正巷到河流之間4個典型地段做剖面(圖1)，并進行分析計算，剖面所采用點號的9#煤層底板標高及地表標高數(shù)據見表1.

圖1 29110正巷到河流之間4個典型剖面圖

表1 9#煤層底板標高及對應地表標高數(shù)據表

井田范圍內8#煤層頂板為石灰?guī)r，屬堅硬頂板，煤層厚度為3.36 m，距9#煤層間距為6.67 m，采用綜采一次采全高采煤法，全部垮落法管理頂板。9#煤厚度為4.50 m,頂板為砂質泥巖，為中硬頂版，9#煤采用綜采放頂煤采煤法，全部垮落法管理頂板。

2.1 “兩帶”計算

依據《A礦井生產地質報告》、離工作面最近的鉆孔柱狀圖，覆蓋采空區(qū)段垮落帶、導水裂縫帶高度根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)范》、《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采指南》可分別按下列經驗公式估算出[1].

1) (4+5)#、9#煤層頂板屬中硬巖，選擇計算公式為：

式中：

Hm—垮落帶最大高度，m；

Hli—導水裂隙帶最大高度，m；

∑M—累計采厚，m.

(4+5)#煤層導水裂隙帶高度按兩式中最大值?。篐m5=7.25～11.65 mHli5=74.6 m. 9#煤層導水裂隙帶高度按兩式中最大值?。篐m9=9.01～13.41 mHli9=100 m.

2) 8#煤層頂板屬堅硬巖，選擇計算公式為：

式中：

Hm—垮落帶最大高度，m；

Hli—導水裂隙帶最大高度，m；

∑M—累計采厚，m.

導水裂隙帶高度取值按兩種算法中的最大值取：Hm8=12.07～17.07 mHli8=110.8 m.

當下層煤的垮落帶接觸或完全進入上層煤范圍內時，上層煤的導水裂縫帶最大高度采用本層煤的開采厚度計算，下層煤的導水裂縫帶最大高度，則應采用上、下層煤的綜合開采厚度計算，取其中標高最高者為兩層煤的導水裂縫帶最大高度[2].

9#煤開采后垮落帶預計完全進入8#煤層，故應按累計開采厚度計算取大值。

上、下層煤的綜合開采厚度可按以下公式計算:

MZ=M2+(M1-h1-2/y2)

式中：

Mz—上、下層煤的綜合開采厚度，m；

M1—上層煤開采厚度，m；

M2—下層煤開采厚度，m；

h1-2—上、下層煤之間法線距離，m；

y2—下層煤冒高與采厚之比。

8#煤與9#煤綜合開采厚度：

Mz8+9=4.5+(3.36-6.67/2.98)=5.62(m)

最終9#煤層導水裂隙帶高度取Hli9=122.4 m

29110工作面至河道周邊(4+5)#、8#、9#煤層的冒落帶高度和導水裂隙帶高度見表2.

表2 垮落帶高度和導水裂隙帶高度表

2.2 防水煤柱計算

計算9#煤層防水安全煤(巖)柱的垂高值[3]：

Hsh≥Hli+Hb+Hfe

式中：

Hsh—防水安全煤(巖)柱的垂高值，m；

Hli—導水裂隙帶最大高度，m；

Hb—保護層厚度，m；

Hfe—基巖風化帶含水層深度，m.

根據《三下采煤規(guī)程》2017版規(guī)定和該礦以往計算防水煤柱高度的經驗，取Hb=23.58 m較為合理，再根據A礦井地表施工的5個地質鉆孔資料提供的基巖風化帶深度數(shù)據取最大深度Hfe=17.45 m. 計算9#煤層的防水安全煤(巖)柱的垂高值：

Hsh≥122.4+23.58+17.45=163.43 (m)

設計保護煤柱時，選用以下移動角值參數(shù)：

δ=γ=72°ψ=45°

β=δ-Kα=72°-0.8×9.5°=64.4°

3 河道治理方案

通過1-1剖面、2-2剖面、3-3剖面、4-4剖面確定采空塌陷地表分界線(見圖2). 根據分界線與河道的位置關系確定了兩個治理段，第一段長度68 m，第二段長度158 m. 采用填平、河道取直及坡度改造、鋪設防滲層、筑擋石壩、砌筑防滲墻等措施。

圖2 杜家溝河道治理成果示意圖

1) 河道清理。清理河道石渣，讓河水快速通過，防止河道大面積積水、在低洼區(qū)域進行填平處理，高的地方挖低，盡量保持河床坡度一致，坡度約為2%.

2) 河道取直及坡度改造(治理后的河道坡度不大于1.5%). 對河道進行改直，寬度根據河道具體情況而定，盡量保持河道寬度為15～18 m. 上游下游兩點之間河道坡度約為1.5%，按此坡度為基準在治理區(qū)段內，低的地方填高至離基準面，高的地方下挖離基準面。

3) 鋪設防滲層。河道取直及坡度整理后，用壓道機碾壓2次，然后在其上部做1 m厚加筋土層，加筋土由加筋尼龍網及膠黏土組成，加筋層為50 mm×50 mm的尼龍網格，尼龍筋d2 mm，每330 mm厚膠黏土安裝1層，共安裝3次。每加1層膠黏土需壓道機碾壓1次。最后在加筋土上部鋪一層0.15 mm厚塑料防水薄膜，并鋪設300 mm左右河卵石一層，以壓住塑料薄膜。在河流彎道處可置大型巖石柱加塑料薄膜，防止河水將防滲層沖毀。

4) 擋石壩。為了減少洪水帶來的石塊等對河床底部的沖刷程度，在該區(qū)河道上每隔40～50 m筑一道擋石壩，共修筑4道攔石壩，第一段構筑一個擋石壩，第二段構筑3個擋石壩。攔石壩寬1 m，嵌入河底深1.5 m，嵌入基巖0.5 m，露出河道1 m，壩中間留設0.3 m×0.3 m泄水孔5個，泄水孔分上下兩排，下排2孔，離河面100 mm，上排3孔，離河面300 mm，壩體材料為C20混泥土。

5) 砌筑河床兩岸邊坡。河床兩岸用料石砌筑邊坡，條石砌1.5 m地基，料石間用混凝土充填，邊坡嵌入基巖0.5 m，高出河道為2.5 m，邊坡與河岸間用黃土充填密實，表面砂漿勾縫。當河岸為絕壁時，不設置邊坡。邊坡每隔3 m安置一排水管，防止雨水淤積填土膨脹使邊坡失穩(wěn)，排水管用d100 mm塑料管，塑料管壁厚2 mm，邊坡頂部為200 mm的壓層。

4 結 論

A礦井通過對杜家溝河床的防滲治理，解放了井下工作面壓煤量96 135 t，創(chuàng)造經濟效益2 691.8萬元。河道治理工程已于2019年6月份完成施工,29110工作面回采過程中及回采結束后，通過定期對地表巡查發(fā)現(xiàn)，河道兩側的黃土邊坡出現(xiàn)不同程度的滑坡現(xiàn)象，黃土覆蓋山體頂部出現(xiàn)陡坎和0.3～0.5 m的裂縫，但治理后的河道未出現(xiàn)導水裂隙，治理效果較好。