鄂爾多斯盆地侏羅系煤田保水開(kāi)采技術(shù)與應(yīng)用

張玉軍，宋業(yè)杰，樊振麗，尹希文，趙秋陽(yáng)，張風(fēng)達(dá)，甘志超，張志巍，李友偉

(1.天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.中煤科工開(kāi)采研究院有限公司，北京 100013；3.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

0 引 言

煤炭在我國(guó)一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中長(zhǎng)期占比60%以上，是我國(guó)能源安全的壓艙石。隨著煤炭開(kāi)采重心的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移，西北地區(qū)已成為我國(guó)能源供應(yīng)的主要基地。近年來(lái)，鄂爾多斯盆地侏羅紀(jì)煤田開(kāi)發(fā)不僅受頂板水害威脅，影響煤炭資源安全開(kāi)采，尤其是陜北榆神府礦區(qū)由于地處黃河流域北部，生態(tài)環(huán)境脆弱，隨著工作面尺寸大、推進(jìn)速度快等高強(qiáng)度開(kāi)采，不僅導(dǎo)致覆巖破壞劇烈,而且也使得地表下沉速度快、移動(dòng)變形量大、非連續(xù)破壞明顯，引起水資源和生態(tài)環(huán)境損害。因此，在保障侏羅紀(jì)煤田資源開(kāi)發(fā)安全的前提下，減少煤礦開(kāi)采對(duì)水資源的損害，實(shí)現(xiàn)煤炭開(kāi)采與礦區(qū)生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，是黃河流域煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展必須破解的重大科學(xué)難題[1]。

針對(duì)受水害威脅的侏羅紀(jì)煤田，董書寧等[2]基于侏羅紀(jì)煤炭資源賦存條件、頂板含水層特征、頂板水害分布范圍與防控難題，對(duì)離層水害、薄基巖潰水潰沙、厚層砂巖水害和燒變巖水害4種典型頂板水害進(jìn)行了系統(tǒng)研究。我國(guó)關(guān)于礦區(qū)水體保護(hù)思想的論述最早是劉天泉[3]院士團(tuán)隊(duì)于1981年提出的，指出在水庫(kù)、井泉等要求保護(hù)的水體下采煤的前提是不允許導(dǎo)水裂縫帶波及水體，而且須針對(duì)受護(hù)水體留設(shè)防水安全煤巖柱。20世紀(jì)90年代初，隨著陜北侏羅紀(jì)煤田開(kāi)發(fā)中引發(fā)的一系列礦山環(huán)境問(wèn)題，文獻(xiàn)[4-5]正式將采煤、保水和生態(tài)環(huán)境保護(hù)作為1個(gè)系統(tǒng)工程統(tǒng)一規(guī)劃的保水采煤思路提出，經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展，保水采煤歷經(jīng)萌芽、形成、發(fā)展和成熟4個(gè)時(shí)期。我國(guó)學(xué)者[6-14]根據(jù)不同水體和地質(zhì)采礦條件，對(duì)水體壓煤的保水開(kāi)采問(wèn)題，在我國(guó)的多個(gè)礦區(qū)重點(diǎn)圍繞水文地質(zhì)保障基礎(chǔ)、導(dǎo)水裂縫帶高度、保水開(kāi)采工藝等開(kāi)展了保水采煤系統(tǒng)深入的研究，形成了自然保水、采取一定技術(shù)措施保水和水資源再利用三大類保水開(kāi)采技術(shù)。尤其是針對(duì)特殊保水開(kāi)采區(qū)，提出了局部充填開(kāi)采隔水層控制技術(shù)、再造覆巖關(guān)鍵隔水層的技術(shù)、注漿加固和強(qiáng)化采空區(qū)圍巖結(jié)構(gòu)技術(shù)、以及煤礦地下水庫(kù)等技術(shù)；針對(duì)礦井水處理，提出了利用井下采空區(qū)處理礦井水的循環(huán)系統(tǒng)和水資源利用技術(shù)。

近年來(lái)，張玉軍等[15]綜合考慮煤礦安全、經(jīng)濟(jì)合理以及低損害等重要因素，提出并發(fā)展了“控水采煤”的綠色理念，并將該理念與保水開(kāi)采相融合，在保障侏羅紀(jì)煤田資源開(kāi)發(fā)安全的前提下，最大程度地實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源的保護(hù)，從而實(shí)現(xiàn)控水保安全保水保生態(tài)的目標(biāo)。據(jù)此，筆者以鄂爾多斯盆地侏羅系煤田為工程背景，開(kāi)展了不同水文地質(zhì)和采礦條件下覆巖結(jié)構(gòu)類型、導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律、地表裂縫分布形態(tài)及深度、隔水層穩(wěn)定性分析以及疏控水方案等方面系統(tǒng)研究，進(jìn)行了基于確保采動(dòng)隔水層穩(wěn)定的淺層地下水保水，基于淺埋厚土層阻水效應(yīng)的地表水保水，以及基于控疏結(jié)合的深部多重含水層保水開(kāi)采實(shí)踐。

1 基于厚基巖采動(dòng)隔水層穩(wěn)定的淺層地下水保水開(kāi)采實(shí)踐

1.1 研究區(qū)概況

研究礦井王家塔煤礦位于東勝煤田的東北部，含煤地層為侏羅系延安組，煤層厚度為4.57～11.70 m，平均7.86 m，埋深140～225 m，采用綜采放頂煤開(kāi)采方法。地層由老至新為三疊系延長(zhǎng)組、侏羅系延安組、侏羅系安定-直羅組、白堊系志丹群、新近系上新統(tǒng)和第四系。煤層覆巖含水層為第四系潛水含水層和基巖裂隙承壓含水層，其中基巖含水層包括白堊系和侏羅系地層。第四系潛水含水層為礦區(qū)周邊居民生產(chǎn)生活用水的取水層位，水位埋深0～2 m，富水性弱～中等，透水性強(qiáng)。基巖裂隙承壓含水層的富水性均較弱。主采煤層上覆100 m范圍巖性以泥巖、粉細(xì)砂巖為主，其中泥巖類巖層平均厚度為33.37 m，砂巖類巖層平均厚度達(dá)66.63 m。巖石力學(xué)強(qiáng)度為5.0～35.9 MPa，平均抗壓強(qiáng)度僅為15.45 MPa。根據(jù)水理性質(zhì)分析，泥質(zhì)巖黏粒含量不高，黏粒一般小于15%，細(xì)砂巖和中粗砂巖干燥后在水中強(qiáng)烈崩解成砂狀，屬于具膨脹性和崩解性的極軟巖。綜合巖性結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)及水理特性分析，研究區(qū)覆巖整體具有下硬上軟的強(qiáng)度特征，上部泥巖易崩解，隔水性能一般；砂巖膠結(jié)性差，具有強(qiáng)崩解性，雖不具有隔水性，但受采動(dòng)影響后能較好地抑制采動(dòng)裂隙繼續(xù)向上發(fā)展。而下部地層為中粗砂巖，鈣質(zhì)膠結(jié)程度高，則不利于控制覆巖破壞。

1.2 覆巖采動(dòng)裂隙高度與特征監(jiān)測(cè)分析

為了監(jiān)測(cè)研究區(qū)受采動(dòng)影響后覆巖上行導(dǎo)水裂縫發(fā)育高度及特征，綜合采用地面鉆孔沖洗液漏失量觀測(cè)法，并配合巖心破碎程度觀測(cè)和鉆孔彩色電視窺視系統(tǒng)，實(shí)測(cè)獲得了該礦綜放開(kāi)采條件下覆巖裂隙發(fā)育高度與特征。共布置2個(gè)地面鉆孔，分別位于回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷內(nèi)。探測(cè)鉆孔位置煤層埋深分別為208、212 m，在煤層開(kāi)采厚度為5.0 m的條件下，最終實(shí)測(cè)確定出CH01鉆孔的垮落帶高度為19.90 m，導(dǎo)水裂縫帶高度為68.40 m；CH02鉆孔的垮落帶高度為23.45 m，導(dǎo)水裂縫帶高度為71.00 m。裂采比為13.7～14.2，覆巖采動(dòng)裂縫監(jiān)測(cè)成果如圖1所示。分析圖1可知，覆巖在80～110 m深度發(fā)育原生裂隙，受軟弱巖層的抑制作用，采動(dòng)導(dǎo)水裂隙頂點(diǎn)終止于砂質(zhì)泥巖和粉砂巖中，從采動(dòng)裂隙發(fā)育形態(tài)上看，采動(dòng)破壞也不夠充分，以高角度縱向延展裂隙為主，偶見(jiàn)縱橫交錯(cuò)裂隙，鉆孔窺視可見(jiàn)部分層段軟弱巖層受采動(dòng)后遇水發(fā)生局部塌落現(xiàn)象。

圖1 覆巖采動(dòng)裂隙監(jiān)測(cè)成果Fig.1 Monitoring results of overlying rock mining fractures

1.3 地表采動(dòng)裂縫分布范圍與深度實(shí)測(cè)分析

1.3.1 地面采動(dòng)裂縫分布范圍分析

通過(guò)對(duì)工作面回采過(guò)程中地面裂縫分布現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和監(jiān)測(cè)，工作面開(kāi)切眼位置兩側(cè)下沉盆地邊緣出現(xiàn)比較固定的裂縫，裂縫方向與采空區(qū)邊界方向基本一致，裂縫寬度一般20～50 mm，伴有較明顯的地表裂縫帶狀分布區(qū)，以工作面開(kāi)切眼位置地表裂縫最為發(fā)育，裂縫最大寬度約為250 mm，隨著工作面不斷向前推進(jìn)，在工作面前方動(dòng)態(tài)拉伸區(qū)不斷出現(xiàn)動(dòng)態(tài)裂縫，該裂縫一般每隔6～10 m出現(xiàn)1條，與回采線大致平行，呈弧狀裂縫，裂縫寬度一般10～30 mm，發(fā)育成熟一般需20 d左右，之后裂縫逐漸閉合消失?？偟膩?lái)看，裂縫在工作面上山方向較為發(fā)育。圖2為工作面回采期間，地表裂縫發(fā)育形態(tài)及分布。整個(gè)地表裂縫發(fā)育劇烈，以平行開(kāi)采工作面傾向?yàn)樘卣?，裂縫發(fā)育集中區(qū)域位于工作面中部，裂縫張口寬度最大可達(dá)50 cm以上，呈楔形，局部裂縫在兩幫出現(xiàn)臺(tái)階狀。

圖2 地表裂縫發(fā)育分布及形態(tài)Fig.2 Distribution and morphology of surface fractures

1.3.2 地面采動(dòng)裂縫深度監(jiān)測(cè)

為精確獲取煤層開(kāi)采地表裂縫發(fā)育深度，應(yīng)用高密度電法儀和槽探法分別在工作面開(kāi)切眼附近對(duì)地表裂縫的發(fā)育深度進(jìn)行了實(shí)測(cè)。圖3和圖4分別為高密度電法L1和L2線視電阻率反演剖面圖。

圖3 高密度電法L1線視電阻率反演剖面圖Fig.3 High-density electrical L1 line apparent resistivity inversion profiles

圖4 高密度電法L2線視電阻率反演剖面圖Fig.4 High-density electrical L2 line apparent resistivity inversion profiles

從縱向方向看，剖面圖上部為高阻層，厚度在10～20 m，推測(cè)為第四系的反映。剖面圖下部為相對(duì)低阻層，其視電阻率在140 Ω·m以下，推測(cè)為基巖。從橫向方向看，在第四系淺部有從地表向地下延伸的高阻，結(jié)合地面裂縫的分布，分析認(rèn)為在圖中反映6個(gè)(LI線)和8個(gè)(L2線)裂縫(圖中藍(lán)色虛線所示)，裂縫發(fā)育深度在5～10 m。

同時(shí)，對(duì)推測(cè)可能存在地裂縫的位置進(jìn)行槽探揭露，如圖5所示，探槽底部挖掘至基巖，巖性堅(jiān)硬，裂縫寬度迅速減小，肉眼難以識(shí)別，微裂縫深度無(wú)法確定。采用石灰水標(biāo)記印跡的方法，裂縫深部由于裂隙較窄及黃土充填等原因，石灰水滲不下去，確定本次探測(cè)得到的地表裂縫發(fā)育深度為16.6 m。

圖5 探槽法探測(cè)裂縫深度Fig.5 Detecting depth of crack by grooving

1.4 采動(dòng)地下含(隔)水層穩(wěn)定性分析

厚基巖條件下，主采煤層與保護(hù)含水層之間的隔水層穩(wěn)定性是實(shí)現(xiàn)保水采煤的關(guān)鍵。綜合煤層開(kāi)采的覆巖破壞高度和地表裂縫的監(jiān)測(cè)結(jié)果，分析覆巖含(隔)水層受采動(dòng)影響后的流場(chǎng)分布情況。在與第四系含水層有直接水力聯(lián)系的白堊系地層底界以下安定組頂部有一穩(wěn)定沉積的泥巖類隔水層，該巖層厚度大于5.0 m，平均厚度為14.57 m，該層泥巖強(qiáng)度較低，黏土礦物絕對(duì)含量約為15%，具有弱膨脹性和較好的抗?jié)B隔水性能，在原始狀態(tài)下基本阻隔了白堊系地層與下伏承壓含水層的水力聯(lián)系，這是阻隔地表裂縫與井下裂縫溝通的良好隔水層，是實(shí)現(xiàn)上覆水體保水開(kāi)采的有利條件和關(guān)鍵層位。實(shí)測(cè)導(dǎo)水裂縫帶最大高度為71.00 m，采動(dòng)導(dǎo)水裂縫頂點(diǎn)終止于直羅組的砂質(zhì)泥巖和粉砂巖中，不能導(dǎo)通白堊系含水層。同時(shí)，研究區(qū)范圍內(nèi)白堊系地層底界埋深均大于30.00 m，大于監(jiān)測(cè)的地表裂縫發(fā)育深度，地表裂縫不會(huì)破壞安定組頂部的泥巖層的隔水性。因此，采動(dòng)形成的上行和下行裂縫均沒(méi)有進(jìn)入到安定組頂部穩(wěn)定的泥巖類隔水層，保持了該隔水層的穩(wěn)定性，阻隔了第四系潛水含水層與基巖含水層產(chǎn)生的水力聯(lián)系，可以實(shí)現(xiàn)潛水含水層的保水開(kāi)采目標(biāo)。覆巖采動(dòng)裂縫與地表裂縫的連通情況如圖6所示。

圖6 采動(dòng)上行和下行裂縫連通情況Fig.6 Mining uplink and downlink crack connectivity

為了進(jìn)一步了解采動(dòng)覆巖破壞與地表裂縫的連通情況，以該礦區(qū)某工作面的地質(zhì)采礦條件，基于FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立了數(shù)值模型，模擬覆巖破壞、裂隙演化、地表裂縫演化以及與導(dǎo)水裂縫帶的連通情況，模擬結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出，由于采動(dòng)影響引起地表及頂板巖層移動(dòng)并在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生塑性破壞。隨著開(kāi)采推進(jìn)，導(dǎo)水裂縫帶呈現(xiàn)“馬鞍”形態(tài)，最大高度終止于直羅組，地表塑性區(qū)破壞呈現(xiàn)開(kāi)采邊界發(fā)育深度大，中間小的“倒馬鞍”形態(tài)，但覆巖采動(dòng)裂隙未與地表裂縫(塑性區(qū))貫通，在采動(dòng)影響下安定組頂部泥巖隔水層保持了穩(wěn)定性。

圖7 采動(dòng)覆巖與地表裂縫連通性模擬Fig.7 Connectivity simulation of mining overlay and surface fracture

1.5 研究區(qū)淺層地下水保水開(kāi)采實(shí)踐

研究區(qū)3101工作面為礦井首采工作面，煤層埋深180～240 m，其中開(kāi)切眼位置采厚4.8 m，埋深187 m，地表為河流沖洪積物沉積，屬于局部低洼區(qū)，第四系表層以粉細(xì)砂、粗砂和礫石為主，基底為砂質(zhì)黃土和膠結(jié)性較差的礫巖層。由于潛水位埋深較淺，煤層開(kāi)采后開(kāi)切眼位置形成明顯的積水區(qū)。同時(shí)，根據(jù)礦井涌水量觀測(cè)臺(tái)賬，工作面生產(chǎn)期間井下涌水量均穩(wěn)定在40m3/h左右，說(shuō)明地表積水沒(méi)有過(guò)地表裂縫進(jìn)入井下。另外，在3101工作面范圍內(nèi)開(kāi)切眼附近有磚混結(jié)構(gòu)井壁的水源井，水源井底部距地表12.5 m，工作面回采前后，水源井井壁未發(fā)生開(kāi)裂性破壞，井內(nèi)水位穩(wěn)定。由上述觀測(cè)資料可知，3101工作面回采期間第四系潛水含水層未受采動(dòng)破壞，潛水位未發(fā)生改變，即3101工作面開(kāi)采后地表裂縫未溝通第四系潛水含水層與下伏基巖含水層，且地表裂縫與覆巖采動(dòng)裂縫也未發(fā)生連通，實(shí)現(xiàn)了潛水含水層的保水開(kāi)采目標(biāo)。

2 基于淺埋厚土層阻水效應(yīng)的地表水保水開(kāi)采實(shí)踐

2.1 研究區(qū)概況

郝家梁煤礦地處陜北侏羅紀(jì)煤田榆神礦區(qū)的西南部，主采侏羅系3 號(hào)煤層，煤層厚度平均8.05 m，地層由上而下為全新統(tǒng)風(fēng)積沙、沖、洪積層，上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組，中更新統(tǒng)離石組、新近系上新統(tǒng)靜樂(lè)組，侏羅系中統(tǒng)延安組，下統(tǒng)富縣組。研究區(qū)埋深100～180 m，基巖厚度6～55 m，黃土層平均厚73 m，紅土層平均厚53 m，屬于典型的淺埋薄基巖厚土層覆巖結(jié)構(gòu)，井田內(nèi)典型地質(zhì)剖面如圖8所示。地表有常年性十八墩河流，薩拉烏蘇組分布于井田內(nèi)低凹灘地和河床兩側(cè)，厚10～20 m，強(qiáng)富水，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、居民生活用水水源，基巖風(fēng)化帶含水層為工作面開(kāi)采的直接充水含水層，富水性弱～中等，接受側(cè)向火燒巖含水層補(bǔ)給。采用一次采全高綜合機(jī)械化綜采工藝，采高7 m，工作面傾向長(zhǎng)200 m，推進(jìn)長(zhǎng)度1 700 m。新近系靜樂(lè)組紅土和第四系離石組黃土層為優(yōu)良隔水層。

圖8 水文地質(zhì)地質(zhì)剖面Fig.8 Hydrogeological profile

2.2 薄基巖厚土層條件下導(dǎo)水裂縫帶監(jiān)測(cè)

為監(jiān)測(cè)該礦淺埋深“薄基-厚土”型覆巖組合大采高條件下導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育特征及高度，尤其是研究厚紅土層對(duì)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度的抑制作用，分別在2301和30106工作面分別布置施工井下鉆孔3個(gè)，采用鉆孔分段注水法和鉆孔窺視進(jìn)行了實(shí)測(cè)。

2301工作面埋深105 m，正?；鶐r厚度6 m，風(fēng)化帶厚度10 m，紅土層厚度55 m，黃土厚度35 m，采厚7 m，工作面寬220 m，實(shí)測(cè)獲得導(dǎo)水裂縫帶高度45.7～49.3 m，裂采比6.53～7.04。30106工作面埋深140～190 m，基巖厚度1.88 m，風(fēng)化帶厚度8.93 m，紅土層厚度42.82 m，黃土厚度84.3 m，工作面走向長(zhǎng)1 848 m，傾斜長(zhǎng)220 m，實(shí)測(cè)獲得導(dǎo)水裂縫帶高度為50.1～54.5 m，裂采比7.16～7.78。由實(shí)測(cè)結(jié)果可知，較類似軟弱頂板條件下開(kāi)采裂采比降低了15%～53%，紅土層對(duì)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育抑制作用明顯。導(dǎo)水裂縫帶高度只發(fā)育至紅土層，不能導(dǎo)通上覆薩拉烏蘇組含水層，部分鉆孔實(shí)測(cè)結(jié)果如圖9所示。

圖9 部分鉆孔注水消耗量與鉆孔窺視成果Fig.9 Results of water injection consumption and borehole peeping

2.3 地表裂縫分布監(jiān)測(cè)分析

通過(guò)對(duì)工作面回采過(guò)程中地面裂縫分布現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和監(jiān)測(cè)，整個(gè)地表裂縫發(fā)育較劇烈，以平行工作面傾向、開(kāi)切眼位置兩側(cè)下沉盆地邊緣裂縫密集為特征，尤其在開(kāi)切眼外側(cè)裂縫以臺(tái)階狀為主，落差最大達(dá)到1.8 m，隨著工作面不斷向前推進(jìn)，在工作面前方動(dòng)態(tài)拉伸區(qū)不斷出現(xiàn)動(dòng)態(tài)裂縫。在基巖較薄區(qū)域，地表裂縫超前工作面發(fā)育，超前距0.40～2.28 m，基巖較厚區(qū)域，地表裂縫普遍滯后工作面發(fā)育，最長(zhǎng)達(dá)11.9～17.8 m。地表裂縫發(fā)育如圖10所示。

圖10 地表裂縫發(fā)育分布特征Fig.10 Distribution characteristics of ground fractures

2.4 采動(dòng)影響下紅土隔水層阻水效應(yīng)分析

通過(guò)掃描電鏡和X射線衍射礦物成分分析發(fā)現(xiàn)，靜樂(lè)組紅土層的膠結(jié)性好，黏土礦物絕對(duì)含量最高達(dá)35.5%，屬于黏性土層，遇水具有明顯的軟化特性和膨脹性，如圖11所示。取煤層上方未受破壞的原狀紅土進(jìn)行三軸加載試驗(yàn)并監(jiān)測(cè)滲透特性變化，在初始加載時(shí)，土樣原生裂隙逐漸減小，滲透系數(shù)大幅下降，進(jìn)入屈服階段后滲透系數(shù)又逐漸增大，隨著應(yīng)變的繼續(xù)增加，破壞后的土樣滲透系數(shù)并沒(méi)有繼續(xù)增加，而呈逐漸下降趨勢(shì)。表明紅土在圍壓作用下滲透性能具有自愈性，如圖12所示。

圖11 紅土層電鏡掃描圖Fig.11 SEM scanning of laterite

圖12 紅土層全應(yīng)力應(yīng)變滲透性曲線Fig.12 Permeability curves of full stress-strain in red soil layer

為進(jìn)一步研究紅土層在采動(dòng)影響下的阻水效應(yīng)，采用流固耦合相似模擬試驗(yàn)方法研究紅土層采動(dòng)裂縫發(fā)育情況，如圖13所示。結(jié)果表明：采動(dòng)紅土層在回轉(zhuǎn)、反回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和遇水膨脹雙重作用下，裂縫產(chǎn)生了彌合，隔水性能顯著提高。模擬過(guò)程中監(jiān)測(cè)了滲透系數(shù)的變化情況，滲透系數(shù)在開(kāi)采擾動(dòng)過(guò)程中發(fā)生了先增大、后減小的變化規(guī)律，表明紅土層的隔水能力在采動(dòng)后較短時(shí)間內(nèi)得到了恢復(fù)(圖14)。

圖13 采動(dòng)黏土層裂縫演化及隔水效應(yīng)模擬Fig.13 Simulation of fracture evolution and water barrier effect of mining clay layer

圖14 不同開(kāi)采階段土體滲透系數(shù)的變化曲線Fig.14 Variation curves of soil permeability coefficient in different mining stages

2.5 淺埋深薄基巖厚土層保水開(kāi)采實(shí)踐

郝家梁煤礦2301工作面正常開(kāi)采時(shí)采高7 m，實(shí)測(cè)涌水量35～58 m3/h，主要來(lái)自基巖風(fēng)化帶?；夭珊蟮乇砗哟残纬伤莘e水坑，第四系及地表水未進(jìn)入井下，實(shí)現(xiàn)了淺埋薄基巖厚土層條件下的全厚保水開(kāi)采。2302工作面采厚7 m，河床區(qū)域埋深102 m，正?；鶐r厚度5 m，風(fēng)化帶厚度12 m，紅土層厚度50 m，黃土層厚度35 m?；夭善陂g工作面涌水量25～40 m3/h?；夭珊蟮乇砗哟残纬伤莘e水坑，第四系及地表水未進(jìn)入井下，也實(shí)現(xiàn)了全厚保水開(kāi)采，如圖15所示。

圖15 工作面開(kāi)采后地表河流及地表積水情況Fig.15 Surface river and area water after mining

3 基于控疏結(jié)合的深部多重含水層保水開(kāi)采實(shí)踐

3.1 研究區(qū)概況

納林河二號(hào)礦井位于東勝煤田南部，主采侏羅系3-1煤，埋深530～590 m，上覆含水層主要有薩拉烏蘇組含水層、白堊系洛河組含水層、直羅組含水層、延安組煤系地層含水層。31101工作面為研究區(qū)的首采工作面，工作面長(zhǎng)240 m，推進(jìn)長(zhǎng)度2 100 m，采用一次采全厚大采高綜采采煤法，煤層厚度4.36～7.05 m，工作面設(shè)計(jì)采高6 m。覆巖巖層組合以砂巖為主，上硬下軟，屬中硬偏堅(jiān)硬類型，綜合隔水性能一般。研究區(qū)域開(kāi)采主要防治水問(wèn)題是如何在高承壓多重含水層威脅下實(shí)現(xiàn)厚煤層安全開(kāi)采，同時(shí)盡可能地減少對(duì)環(huán)境和水資源的破壞。

3.2 導(dǎo)水裂縫帶高度井上下聯(lián)合監(jiān)測(cè)分析

為了監(jiān)測(cè)研究區(qū)受采動(dòng)影響后覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度及特征，綜合采用地面鉆孔沖洗液漏失量、井下仰上鉆孔注水觀測(cè)法，并配合鉆孔彩色電視窺視系統(tǒng)，實(shí)測(cè)獲得了該礦一次采全高開(kāi)采條件下覆巖裂隙發(fā)育高度與特征。1個(gè)采后孔布置在31101工作面地表，1個(gè)采前孔CH01(兼做采后觀測(cè)CH01)和1個(gè)采后觀測(cè)CH02布置在31102工作面輔運(yùn)巷ZF10聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)。最終實(shí)測(cè)獲得納林河二號(hào)礦井厚煤層(5.3～6.0 m)綜采一次采全高條件下的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度，裂采比為17.1～22.06。

3.3 采動(dòng)影響下多重含水層充水規(guī)律分析

為了分析采動(dòng)對(duì)上覆各含水層的影響，借助GMS軟件建立了主采煤層采動(dòng)破壞與頂板含水層的空間模型，如圖16所示。

圖16 采動(dòng)對(duì)含水層的影響Fig.16 Effects of mining on aquifers

由于直羅組含水層底界距離3-1煤81.00～157.97 m，導(dǎo)水裂縫帶將全部導(dǎo)通頂板延安組砂巖含水層，在局部區(qū)域?qū)芽p帶將進(jìn)入到直羅組含水層的底部。3-1煤頂板延安組含水層、直羅組底部砂巖含水層是煤礦開(kāi)采的直接充水含水層。因此，為避免延安組和直羅組底部砂巖含水層向工作面過(guò)量充水，在工作面回采前，采取鉆孔疏放措施，預(yù)先疏干或疏降直接充水含水層水位。但是，大量的鉆孔疏降勢(shì)必造成對(duì)含水層水源的破壞。因此，如何合理控制疏降程度是確保回采安全和水資源保護(hù)的關(guān)鍵。

3.4 控保水開(kāi)采實(shí)踐

3.4.1 控疏開(kāi)采技術(shù)思路與方案

基于上述導(dǎo)水裂縫帶高度監(jiān)測(cè)結(jié)果，以及對(duì)各含水層的波及程度，結(jié)合裂隙承壓含水層富水性不均一、衰減速度快、可疏降性較好的特點(diǎn)，借助采動(dòng)裂縫發(fā)育的垂向分帶性，即越靠近導(dǎo)水裂縫帶上部，裂縫寬度越小，連通性和導(dǎo)水能力越差的特征，提出了“先疏后采與邊采邊疏相結(jié)合”的疏控水方案。通過(guò)先疏后采，預(yù)先疏放含水層的靜儲(chǔ)量，降低回采初期含水層壓力和瞬時(shí)水量，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)。

通過(guò)回采疏降，借助回采裂縫的導(dǎo)水性差異實(shí)現(xiàn)對(duì)含水層的逐步疏降。采前疏放水的目標(biāo)層位為3-1煤頂板延安組含水層，同時(shí)，根據(jù)工作面的推進(jìn)，采取分段疏降的方式預(yù)先疏降工作面前方的含水層靜儲(chǔ)量，避免對(duì)動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量的持續(xù)無(wú)效疏放，如圖17所示。

3.4.2 蒙陜深部礦區(qū)多重高承壓含水層下厚煤層開(kāi)采實(shí)踐納林河二號(hào)井31101工作面針對(duì)導(dǎo)水裂縫帶范圍內(nèi)的含水層采用全覆蓋大量深孔高強(qiáng)度疏降方案，工程量大幅增加，而且全工作面施工終孔至直羅組的疏放水鉆孔，勢(shì)必會(huì)形成人為導(dǎo)水通道，將采動(dòng)裂縫原來(lái)無(wú)法導(dǎo)通直羅組地層的區(qū)域人為疏降，導(dǎo)致總放水量大，給礦井造成不必要的排水負(fù)擔(dān)。

31102工作面采用疏控水開(kāi)采方案可以顯著降低工作面疏放水工程投入，優(yōu)化了疏放水方案，避免過(guò)量鉆孔和鉆孔深度太大成為導(dǎo)通頂板直羅組含水層的人為通道，弱化了采掘活動(dòng)對(duì)地下水流場(chǎng)的擾動(dòng)，減少了采前疏放水工程量，縮短了采前疏放水時(shí)間，大幅降低了工作面總排水量。開(kāi)采效果對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 31101和31102工作面控水開(kāi)采效果對(duì)比

4 結(jié) 論

1)以鄂爾多斯盆地侏羅系煤田為工程背景，對(duì)不同水文地質(zhì)和采礦條件下覆巖結(jié)構(gòu)類型、導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律、地表裂縫分布形態(tài)及深度、隔水層穩(wěn)定性分析以及疏控水方案等方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

2)實(shí)測(cè)獲得王家塔煤礦軟弱覆巖條件下綜放開(kāi)采裂采比為13.7～14.2，郝家梁煤礦薄基巖厚土層7 m大采高條件下裂采比為7.16～7.78，納林河二號(hào)礦井深部厚煤層一次采全高條件下裂采比為17.10～22.06。

3)針對(duì)厚基巖淺層地下水保護(hù)，監(jiān)測(cè)分析了導(dǎo)水裂縫帶與地表裂縫發(fā)育特征及其連通性，提出了保證隔水層穩(wěn)定性的保水開(kāi)采技術(shù)；針對(duì)淺埋薄基巖厚土層條件下地表水體保護(hù)，研究了黏土隔水層對(duì)導(dǎo)水裂隙帶的抑制作用和采動(dòng)影響下的阻水效應(yīng)，提出了基于采動(dòng)黏土阻水效應(yīng)的保水開(kāi)采技術(shù)；針對(duì)深部多重高壓含水層，提出了“先疏后采與邊采邊疏相結(jié)合”的疏控水技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了安全開(kāi)采前提下最大程度的對(duì)水資源的保護(hù)。