馬脊梁礦河床及采空區(qū)下煤層安全開采研究

秦飛龍

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 馬脊梁煤礦，山西 大同037000）

水體下開采將不同程度的引起煤層和巖體上下應(yīng)力變化、變形以及位移，隨著采掘范圍的增大，采空區(qū)面積逐步增大，這種影響會(huì)波及上下煤層、含水層、隔水層、地表水系等，給回采以及地表生態(tài)環(huán)境造成影響和破壞[1]。

針對(duì)“三下”開采國(guó)內(nèi)學(xué)者展開了諸多研究，主要研究了煤層開采后，覆巖破斷以及斷裂帶發(fā)育規(guī)律。劉天泉等[2-3]給出了不同巖性頂板覆巖煤層開采的垮落帶和導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨扔?jì)算經(jīng)驗(yàn)公式。余學(xué)義[4]通過(guò)物理相似以及數(shù)值模擬分析了開采后覆巖運(yùn)移以及破壞機(jī)理及導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨鹊贸龇浪簬r柱尺寸校核方法。劉貴[5]通過(guò)鉆孔沖洗液漏失量和彩色電視對(duì)開采后斷裂帶高度進(jìn)行了觀測(cè)，根據(jù)裂隙比確定了最小防水安全煤巖柱垂高。以上研究主要針對(duì)單一煤層覆巖導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨纫约胺浪踩褐叽绲拇_定，形成了一套較為完整的體系，并被編入《“三下”采煤規(guī)程》[6]。但鮮有涉及水體下多煤層的開采。關(guān)于水體、上煤層斷裂帶以及采空區(qū)在共同作用下，對(duì)下煤層開采的影響缺乏研究與探討。為此以馬脊梁礦8117工作面為研究對(duì)象，對(duì)地表水體、上層煤采空區(qū)積水情況以及復(fù)合導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育情況進(jìn)行研究，對(duì)防水煤柱尺寸進(jìn)行了校核。以保障8117工作面的安全開采。

1 工程概況

目前，馬脊梁煤礦井田范圍內(nèi)侏羅系煤層已開采完畢，現(xiàn)主采石炭系C3#煤層。8117工作面布置如圖1。地表地貌為溝谷相間的丘陵，馬脊梁大溝及其支溝由南至北穿越該工作面。上覆為侏羅系采空、馬脊梁大溝，在河床及采空共同影響下，如何安全開采8117工作面顯得至關(guān)重要。

圖1 8117工作面布置（單位：m）Fig.1 Layout of 8117 working face

8117工作面標(biāo)高880 m，主采石炭系C3#煤，煤層厚度為5.10～7.63 m，平均6.41 m，煤層傾角1°～4°，平均2°。該工作面為單斜構(gòu)造，傾向SE，工作面內(nèi)共計(jì)有6個(gè)斷層，從輔運(yùn)巷往里依次為F1～F6，傾角50°～65°，落差1.2～2.9 m，均為正斷層，除F1斷層傾向NW外，其他斷層均傾向SE，均對(duì)回采影響很大。8117工作面鉆孔柱狀圖如圖2。

圖2 8117工作面鉆孔柱狀圖Fig.2 Borehole histogram of 8117 working face

大同組為侏羅系主要含煤地層，含水層賦存在各煤層之間的砂巖段，井田侏羅系煤層經(jīng)多年開采，地下水位大幅度下降，地下水的天然流場(chǎng)發(fā)生了變化，由原來(lái)的均一含水層變?yōu)楝F(xiàn)在的局部集中的“地下含水體”。采空區(qū)積水對(duì)下部石炭系煤層開采構(gòu)成較大威脅。

8117工作面走向長(zhǎng)度2 377 m，傾斜長(zhǎng)度239.4 m，本工作面采用單一走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化低位放頂煤開采的采煤方法，機(jī)采高度3.3 m，放煤高度3.11 m。

2 馬脊梁河溝水文地質(zhì)詳勘

2.1 地質(zhì)詳勘方案

明確河床形態(tài)對(duì)確定徑流下滲通路以及水體下滲影響范圍起著至關(guān)重要的作用[7]。為掌握馬脊梁河床形態(tài)，沿大溝河床內(nèi)，由北向南共布置調(diào)查點(diǎn)10個(gè)。通過(guò)GPS、洛陽(yáng)鏟、照相機(jī)、皮尺、羅盤等工具，對(duì)第四系地層進(jìn)行取樣、測(cè)量了河道寬度、探明關(guān)鍵地層產(chǎn)狀。馬脊梁河溝形態(tài)及調(diào)查點(diǎn)分布如圖3。

圖3 馬脊梁河溝形態(tài)及調(diào)查點(diǎn)分布Fig.3 M orphology of M ajiliang River and distribution of investigation points

2.2 地質(zhì)詳勘結(jié)果

馬脊梁河溝隸屬于一級(jí)支流十里河，位于井田北部，全長(zhǎng)16 km，匯水面積69 km2，溝內(nèi)流量隨大氣降水而變化，其井田內(nèi)有記錄最高洪水位標(biāo)高為1 280.20 m。在調(diào)查區(qū)段內(nèi)，河道最寬處位于調(diào)查點(diǎn)①，河床地勢(shì)平坦，寬度約17.6m。在調(diào)查點(diǎn)④處，河床發(fā)生彎曲，該點(diǎn)以南河床寬度相對(duì)較窄，而且此處由于受河流長(zhǎng)時(shí)間沖刷，河床彎曲并且變寬。河床最窄處位于馬脊梁大溝支流分叉處，寬度約為1.5 m。

馬脊梁大溝河床地層主要由第四系全新統(tǒng)和基巖風(fēng)化殼（大同組）組成。經(jīng)勘察，該區(qū)第四系地層具有較好的孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)，具有良好的滲透性，大氣降雨在馬脊梁溝內(nèi)形成積水后往往在較短的時(shí)間內(nèi)向下入滲。因此第四系含水層富水性較好，但目前由于受地下采煤形成的“三帶”影響，潛水水位下降明顯，含水性大大減弱，河水流量減小甚至干涸無(wú)水。馬脊梁大溝由于洪水沖刷切割劇烈及“V”字型溝谷發(fā)育。其存在對(duì)于馬脊梁煤礦開采下部壓覆的侏羅系煤層及石炭系煤層存在潛在威脅。其主要表現(xiàn)為：

1）目前，雖然上層侏羅系煤層開采已停止，但開采時(shí)形成的導(dǎo)水裂縫帶有可能已發(fā)育至地表且導(dǎo)通馬脊梁大溝，從而使得地表水或大氣降水直接補(bǔ)給侏羅系老空區(qū)。

2）開采石炭系C3#煤層時(shí)，改變?cè)袘?yīng)力狀態(tài)，使得前期形成的導(dǎo)水?dāng)嗔褞Щ罨蛘咝纬尚碌牡孛媪芽p，加劇地表水或大氣降水對(duì)礦井的充水強(qiáng)度。對(duì)8117工作面安全開采帶來(lái)威脅。

3 侏羅系采空區(qū)充水分析

3.1 充水通道

井田侏羅系開采范圍開采煤層有2#、3#、7#、11#、14-2#、14-3#煤層，其中2-2#煤層為地方小煤礦開采。經(jīng)過(guò)多年開采，2-2#、3#、7#、11#、14-2#煤層基本已采完，煤層采后形成大范圍的侏羅系煤層采空區(qū)。由鉆孔柱狀圖結(jié)合實(shí)際調(diào)查得出，本礦井以及鄰近小窯在前期持續(xù)開采煤厚較厚的7#、11#、14#煤層，開采后遺留了范圍較大的采空區(qū)以及煤柱。其中侏羅系煤層的開采破壞了上覆巖層的完整性使裂隙發(fā)育，為水體提供了通路；同時(shí)采空區(qū)對(duì)充水提供了空間；并且遺留下的煤柱為已破斷的侏羅系煤層頂板重量的向下傳遞亦提供了媒介，使得石炭系煤層開采過(guò)程中支架壓力增大[8]。

3.2 物探結(jié)果

礦井物探具有距離探測(cè)目標(biāo)近、物探異常靈敏、探采對(duì)比實(shí)證性強(qiáng)、應(yīng)用場(chǎng)景多等優(yōu)點(diǎn)[9]。為明確7#、11#、14#煤層采空區(qū)分布范圍，進(jìn)而確定可能的積水范圍以及應(yīng)力異常區(qū)，通過(guò)鉆探以及物探的手段對(duì)此區(qū)域進(jìn)行了全面的探測(cè)。8117工作面與7#煤物探異常區(qū)對(duì)比圖如圖4，8117工作面與11#煤物探異常區(qū)對(duì)比圖如圖5，8117工作面與14#煤物探異常區(qū)對(duì)比圖如圖6。

圖4 8117工作面與7#煤物探異常區(qū)對(duì)比圖Fig.4 Contrastmap of geophysical anomaly zone between 8117 working face and 7#coal seam

圖5 8117工作面與11#煤物探異常區(qū)對(duì)比圖Fig.5 Contrastmap of geophysical anomaly area between 8117 working face and 11#coal seam

圖6 8117工作面與14#煤物探異常區(qū)對(duì)比圖Fig.6 Contrastmap of geophysical anomaly area between 8117 working face and 14#coal seam

分析可知，通過(guò)物探、鉆探和開采情況等方式在空間上對(duì)侏羅系煤層采空區(qū)及應(yīng)力異常區(qū)范圍進(jìn)行劃分，得出的結(jié)果范圍均高度一致且互相驗(yàn)證。從資料分析，在馬脊梁溝以西，各層煤都存在一定范圍內(nèi)的采空區(qū)，在馬脊梁溝以東，沒(méi)有資料表明有采空區(qū)存在。2#煤以小窯開采為主，7#煤和11#煤層本礦井和小煤窯均有開采，14#煤層以本礦開采為主。C3#煤層的鉆孔中，只有1個(gè)鉆孔有開采現(xiàn)象，開采厚度0.32 m，這基本是不可能的，且這1個(gè)點(diǎn)位于本工作面之外，因此，認(rèn)為C3#煤基本沒(méi)有開采。

根據(jù)物探及調(diào)查分析得出的8117工作面上方侏羅系煤層物探異常區(qū)分布如圖7。馬脊梁河溝流過(guò)8117工作面中部，且侏羅系煤層采空區(qū)也集中在工作面中下部。物探結(jié)果表明，7煤、11煤、14煤在工作面中部出現(xiàn)了不同范圍的物探異常區(qū)，推測(cè)馬脊梁河溝地表徑流已通過(guò)裂隙部分下滲至侏羅系煤層采空區(qū)。采空區(qū)積水對(duì)8117工作面安全回采構(gòu)成威脅。

4 8117工作面煤層斷裂帶圈定

煤層頂板的巖性結(jié)構(gòu)是影響頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育的重要因素[10]。根據(jù)《煤礦防治水手冊(cè)》[11]，對(duì)于華北地區(qū)石炭二疊系煤田，常用泥類巖所占比例，進(jìn)行覆巖分類。一般認(rèn)為泥類巖比例大于70%為軟弱覆巖，泥類巖比例在30%～70%為中硬覆巖，泥類巖小于30%為堅(jiān)硬覆巖。

8117工作面C3#煤～14#煤地層中泥巖類占比為34%；特別是14#煤下50 m段，是C3#煤能否導(dǎo)通14#煤老空區(qū)的關(guān)鍵層段，而在這1層段內(nèi)，泥巖類占比達(dá)52%，所以8117工作面C3#煤～14#煤之間的巖性為中硬覆巖。

4.1 斷裂帶圈定理論計(jì)算

針對(duì)晉能控股煤業(yè)集團(tuán)多煤層開采，于斌[12]建立了侏羅、石炭系多煤層破斷頂板群結(jié)構(gòu)演化模型，得出了對(duì)應(yīng)煤層開采時(shí)破斷頂板群發(fā)育擴(kuò)展高度理論計(jì)算公式。巖層移動(dòng)角描述了開采導(dǎo)致上覆頂板的巖層角度變量，故可根據(jù)巖移角臨界值計(jì)算頂板巖層破斷距及斷裂帶高度[13]。依據(jù)幾何關(guān)系可知：

式中：θ為巖移角，（°）；W為最大下沉量，m；L為最大下沉點(diǎn)至頂板開裂點(diǎn)距離，m。

進(jìn)而根據(jù)采空區(qū)及巖層空間幾何關(guān)系可知：

式中：m為工作面采高，m；λ為巖層的碎脹系數(shù)；h為垮落帶高度，m；L1為采空區(qū)至頂板開裂點(diǎn)距離，m；h1為斷裂帶高度，m；?為巖層塌陷角，（°）。

最后，將式（2）、式（3）代入式（1），便可得巖移角與斷裂帶的高度關(guān)系如下：

式中：θ1為巖層移動(dòng)角臨界值，（°）；L0為最大下沉點(diǎn)距煤壁距離，m。

圖7 8117工作面上方侏羅系煤層物探異常區(qū)分布Fig.7 Distribution of geophysical anomalies in Jurassic coal seam above 8117 working face

若巖層移動(dòng)角臨界值為θ1，則當(dāng)巖移角滿足式（5）時(shí)，巖層便會(huì)破斷。將式（5）進(jìn)行變形即可得到根據(jù)巖層移動(dòng)角及采場(chǎng)空間關(guān)系得出的導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨萮1：

8117工作面所采煤層為石炭系C3#煤，其上地層分別是石炭系太原組、二疊系山西組、侏羅系永定莊組、侏羅系大同組，直到侏羅系大同組14#煤采空區(qū)。根據(jù)工作面上方頂板巖層巖性分析以及物理力學(xué)試驗(yàn)確定巖層移動(dòng)角臨界值為35°，根據(jù)式（6）時(shí)，代入7#、11#、14#煤采高等參數(shù)，計(jì)算可得導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨仍?117工作面上方內(nèi)120 m左右。

4.2 斷裂帶圈定結(jié)果

根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)，石炭系C3#煤至侏羅系14#煤距離最大209.45 m，最小158.8 m，平均185.57 m。在工作面范圍內(nèi)，石炭系C3#煤至侏羅系14#煤距離從盤區(qū)回風(fēng)巷到切眼方向逐漸減小，從202 m減少到160 m。

8117工作面開采，垮落帶和導(dǎo)水?dāng)嗔褞В瑹o(wú)疑會(huì)對(duì)C3#煤至侏羅系老空區(qū)之間巖體的滲透性產(chǎn)生重大影響。導(dǎo)水?dāng)嗔褞Х秶鷥?nèi)滲透性將很大程度增強(qiáng)，但在彎曲下沉帶之內(nèi)，其滲透性不變或增大很小。

根據(jù)前文計(jì)算，侏羅系老空區(qū)均位于C3#煤層開采的導(dǎo)水?dāng)嗔褞е?。侏羅系采空區(qū)的地層雖然也會(huì)受到C3#煤開采的影響，但總體處于一種均勻沉降狀態(tài)，兩煤層采空區(qū)直接溝通的可能性較低。

5 8117工作面開采高度

8117工作面上覆侏羅系老空區(qū)開采時(shí)間較長(zhǎng)，部分導(dǎo)水?dāng)嗔褞б验]合，由于C3#煤層導(dǎo)水?dāng)嗔褞Р安坏劫_系采空區(qū)，侏羅系采空區(qū)導(dǎo)水裂隙重新活化增大可能性較小，地表水一般情況下不會(huì)直接進(jìn)入侏羅系下部老空區(qū)。但8117工作面面臨頂水開采，上覆多個(gè)煤層的采空區(qū)，其中2#煤層采區(qū)積水受到了馬脊梁大溝水的直接補(bǔ)給，不能排除在地面徑流較大情況下，2#煤層采區(qū)積水量增大，水壓力增大，從而導(dǎo)致快速補(bǔ)給下伏煤層采空區(qū)的可能性。

針對(duì)C3#煤開采的不確定性，以及頂水開采的風(fēng)險(xiǎn)，故結(jié)合侏羅系煤層采空區(qū)物探異常區(qū)成果，及導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育規(guī)律，及工作面頂板、煤厚變化規(guī)律針對(duì)8117工作面進(jìn)行限高開采。

工作面限高開采可在一定程度上控制頂板斷裂帶的發(fā)育[14]。為保證安全開采，在防水安全巖柱厚度小于有效防水煤柱厚度區(qū)域需限制煤層采高。

式中：M為工作面安全采高，m；L為C3#煤距頂面侏羅系14煤采空區(qū)距離，m；B為斷裂帶與采高的比值。

由此將按照分區(qū)計(jì)算的原則得出的8117工作面安全采高劃分如圖8。

圖8 8117工作面安全采高劃分（單位：m）Fig.8 Safety m ining height division of 8117 working face

同時(shí)為了真實(shí)觀測(cè)8117工作面開采過(guò)程中導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度和上部采空區(qū)在C3#煤重復(fù)開采情況下滲透性變化。保證工作面開采后在雨季不發(fā)生河水直接潰入事件。設(shè)計(jì)在開采過(guò)程中進(jìn)行電磁法監(jiān)測(cè)。進(jìn)一步確定導(dǎo)水?dāng)嗔褞У目臻g分布規(guī)律和開采過(guò)程C3#煤頂板局部巖層及侏羅紀(jì)采空區(qū)頂?shù)装鍏^(qū)域的時(shí)空演化規(guī)律，為下一步河流治理提供依據(jù)。

6 結(jié) 語(yǔ)

明確了8117工作面上部的侏羅系煤層開采情況和老空區(qū)及老空水分布情況，勘察得出侏羅系煤層工作面采空區(qū)中部存在物探異常區(qū)；計(jì)算得出石炭系C3#煤開采后頂板巖層破斷距及斷裂帶高度，得出斷裂帶高度為120 m左右，未發(fā)育至侏羅系14#煤采空區(qū)；依據(jù)斷裂帶高度，參考物探以及煤層厚度變化圖，計(jì)算給出了8117工作面限高開采區(qū)域劃分圖。