淺埋深超大采高綜采工作面過地表溝流防治水技術

王春雷，池明波，崔東亮，李 宇，曹志國

(1.國能神東煤炭集團有限責任公司 布爾臺煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209；2.煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室，北京 102200)

0 引 言

淺埋藏超大采高綜采工作面回采過后，導水裂縫帶發(fā)育范圍通常可直接波及地表[1-2]，造成地表水系和生態(tài)環(huán)境破壞。若地表存在溝流，受河道沖刷影響，松散表土層厚度銳減，更加不利于防止河水滲漏和地表生態(tài)環(huán)境保護[3]。另外，由于地表水流域下方煤體埋藏更淺，原巖應力不強，工作面回采期間礦壓顯現(xiàn)不明顯，導致煤體截割困難[4]，對生產(chǎn)效率存在較大影響。因此，研究解決類似條件下的回采難題對綜采工作面實現(xiàn)安全高效開采具有十分重要的意義。目前，國內(nèi)外學者圍繞淺埋煤層大采高工作面進行了大量研究，提出了水力壓裂頂板控制技術，建立了基本頂?shù)摹岸唐鲶w梁”與“臺階巖梁”模型[5-8]，為大采高工作面安全生產(chǎn)提供了借鑒，也有學者針對淺埋、薄基巖煤層開采巖層滲透率開展了相關研究，分析了巖層滲透率隨開采過程中變化規(guī)律[9-11]，掌握淺埋煤層薄基巖滲透率橫向、縱向兩個隨開采過程中的變化規(guī)律[12-15]，為淺埋煤層水資源保護提供了理論基礎。而針對超大采高綜采工作面過地表溝流對煤礦安全生產(chǎn)的影響已逐漸在實際生產(chǎn)中凸顯，例如過溝流過程中易發(fā)生突水事故等，如不進行有效的處理措施，將對工作面安全生產(chǎn)構成嚴重威脅，加大煤炭開采對地表河流和生態(tài)環(huán)境的破壞程度。因此實現(xiàn)超大采高工作面安全高效過地表溝流對礦區(qū)綠色、安全生產(chǎn)具有重要意義。以神東煤炭集團上灣礦12煤為研究背景，開展淺埋煤層超大采高工作面過地表溝流技術研究，為煤礦防治水和安全生產(chǎn)提供借鑒。

1 開采及水文地質(zhì)條件概述

神東煤炭集團上灣煤礦12煤四盤區(qū)煤層平均厚度為9.05 m，傾角1°～3°，屬較穩(wěn)定煤層。盤區(qū)地質(zhì)儲量2.5億t，設計可采儲量1.82億t，共規(guī)劃12個工作面，服務年限15 a。石灰溝主溝大體由西北向東南從該盤區(qū)斜穿而過，是本區(qū)域一條較大的泄洪通道，正常溝流量110 m3/h，雨季洪流量800 m3/h。溝內(nèi)松散表土層缺失，基巖厚度為110～130 m，形成了該盤區(qū)煤層埋藏最淺的條帶之一。

12402工作面是12煤四盤區(qū)第2個超大采高綜采工作面，沿煤層走向布置，沿傾向推進，工作面寬300 m，走向長度5 272 m，設計采高8.8 m，埋藏深度115～270 m。在該工作面回采范圍內(nèi)，石灰溝流向與巷道夾角大致為30°，影響推進范圍約770 m。此外，溝流附近有9個水塘，2座水壩，總蓄水量約10.5萬m3，對井下回采構成一定威脅。工作面煤層直接頂較薄，巖性為泥巖，厚度0～0.52 m，上覆基巖為粉砂巖或砂巖，從巖層結(jié)構角度分析，由于直接頂無法完全充填采空區(qū)，基本頂懸頂面積及回轉(zhuǎn)空間均比較大，斷裂后發(fā)生滑落失穩(wěn)，不利于形成穩(wěn)定承載結(jié)構以對上覆巖層產(chǎn)生支撐作用，造成垮落帶、斷裂帶繼續(xù)向上發(fā)育，直達地表。12401工作面回采后地最大下沉量6.1 m，平均下沉量4.5 m。

12401綜采工作面為12煤四盤區(qū)首采工作面，設計寬度300 m，走向長度5 255 m，埋深124～244 m，設計采高8.6 m，可采儲量1 853萬t。12402綜采工作面與12401綜采工作面相鄰，設計寬度300 m，走向長度5 272 m，埋深115～270 m，設計采高8.6 m，可采儲量1 748萬t。兩工作面均采用走向長壁后退式一次采全高全部垮落法處理采空區(qū)。煤層頂?shù)装逄卣饕姳?。

表1 12401、12402綜采工作面煤層頂?shù)装逄卣鱐able 1 Characteristics of roof and floor in fully-mechanized mining face of No.12401 and No.12402

12401綜采工作面上覆松散層厚度為0～27 m，主要是土黃色中、細粒風積砂，松散未固結(jié)。地表的松散含水層為潛水含水層，主要受大氣降水補給，其次是地表水。開切眼附近松散含水層厚度約為22.26 m，安定組含水層厚度約為8.16 m，含水層滲透系數(shù)約為0.000 7 m/d，工作面最大涌水量預計為323 m3/h。

12401工作面回采后塌陷地表形成大坑，頂板裂縫與地表導通，石灰溝內(nèi)地表水通過裂縫全部涌入井下，最大滲入采空區(qū)水量為130 m3/h，地表出現(xiàn)斷流，井下采空區(qū)多次出現(xiàn)向工作面涌水，水量較大。后隨著塌陷逐步穩(wěn)定、裂縫自然愈合及河流中泥沙充填等情況，地表塌陷區(qū)域水位逐步恢復，地表水漫過塌陷區(qū)向下游流動，塌陷區(qū)積水面積約1.8萬m2，最大深度積水約3 m，平均約1.5 m，涌入至井下水量約60 m3/h，向下游流走約70 m3/h。從輔助運輸巷道尾巷低洼點密閉反水管繼續(xù)排放采空區(qū)積水，累計排水量約28萬m3。

2 地表水及薄基巖對回采的影響分析

2.1 地表水對回采的影響

根據(jù)工作面中部石灰溝附近的水文鉆孔資料，可知工作面受上覆含水層影響小，受地表石灰溝水量影響大。采用類比法參照相鄰12401工作面的回采經(jīng)驗，估算得到導水裂縫帶最大發(fā)育高度約134 m，大于12402工作面石灰溝覆蓋范圍內(nèi)的基巖厚度。因此，工作面過溝時，地表塌陷蓄水并通過導水裂縫帶滲入井下，對安全生產(chǎn)構成威脅[16-18]。地表水塘及水壩積水疏放完畢，河床裂縫回填及防滲處理后，預計工作面正常涌水量為126 m3/h，最大200 m3/h。此時，通過配齊排水設備、管路，適當采取底板調(diào)整措施，可有效控制水患。

2.2 薄基巖對回采的影響

以神東上灣井田開采為例，當基巖厚度小于140 m時，煤體再生裂縫不發(fā)育，截割十分困難[18-20]。12401工作面過石灰溝期間，普遍來壓不強，受埋深變淺的影響，“大-小”交替間隔周期來壓規(guī)律明顯，但工作面整體周期壓較弱，強度小于35 MPa且來壓范圍小，甚至出現(xiàn)連續(xù)2次大周期來壓之間無壓的情況。個別強周期來壓一般為35～40 MPa，煤壁整體齊直堅硬，回采效率不足其他區(qū)域的70%。而且由于受到堅硬煤體強大的反作用力，極易對采煤機造成損傷。

3 防治水及高強度煤體對策

3.1 防治水對策研究

由圖1 12401工作面過石灰溝期間周期來壓可知，隨著工作面推進，回風巷先進入石灰溝，且處于石灰溝上游，地表塌陷后工作面上方形成可以蓄水的深坑，對回采構成威脅。為安全通過石灰溝，必須分別采取地表和井下2個方面的防治水對策。

圖1 12401工作面過地表溝流期間周期來壓Fig.1 Periodic weighting of No.12401 working face during passing through surface channel flow

對地表水以疏放為主，河床防滲治理為輔。首先，在工作面推進石灰溝之前，對地表水壩、水塘積水進行疏放，保證出水口暢通，對水塘進行回填，使之不再蓄水。其次，實施土方工程延河道加高構筑堤壩，防止河床大面積塌陷后溝流外溢，增加治理難度。最后，在構筑好的堤壩一旁備足填堵裂縫用的沙土，工作面過溝期間，對裂縫及時填堵。

對基巖及松散含水層水進行疏放水。工作面投產(chǎn)前，在工作面輔助運輸巷道、回風巷、開切眼和回撤通道共設計施工10個疏放水鉆孔，均為淋水。通過實施含水層疏放水工程，基本掌握了主要含水層的含水性。另外，對石灰溝附近區(qū)域提前進行了水文補勘，并接入水文自動監(jiān)測系統(tǒng)，可以實時掌握含水層水位變化(圖2)。

圖2 石灰溝河床治理工程Fig.2 River bed treatment project of Shihuigou

采取綜采工作面綜合防治水措施。除了合理提高排水能力之外，還采取了巷道應急排水和工作面底板調(diào)整防治水等綜合防治水策略。在輔助運輸巷、回風巷各2處低洼點每處設置1臺37 kW水泵(排水能力80 m3/h)，并隨著工作面推進在地勢較低的回風巷兩處低洼點各停放1臺泵車(排水能力155 m3/h)，所有應急排水管路均直接接入盤區(qū)排水泵房。當工作面推進至煤層背斜頂點時，盡可能留底煤回采，提升工作面底板標高，人為在工作面構筑一道平行于工作面的“水壩”，最大程度上減少采空區(qū)涌水。采空區(qū)積水可滯后工作面從尾巷密閉反水管排出，有效緩解工作面防治水壓力。

3.2 煤體強度弱化對策

結(jié)合神東礦區(qū)布爾臺煤礦、石圪臺煤礦等水力壓裂治理堅硬頂板的成功案例，探索試驗水力壓裂弱化煤體強度技術。其原理為將高壓水不斷注入煤層中，當壓力大于煤體破裂臨界值后，煤體原生裂縫繼續(xù)發(fā)育或產(chǎn)生新的裂縫，裂縫不斷擴展、貫穿，最終弱化煤體強度[19-20]。

根據(jù)試驗區(qū)域的鉆孔資料，建立特厚煤層水力壓裂數(shù)值模型，通過采集和測試模擬區(qū)域巖層物理力學參數(shù)，依托礦區(qū)地應力分布特征，進行模型相關參數(shù)的賦值，如圖3、表2所示。

圖3 模擬模型建立Fig.3 Establishment of simulation model

表2 巖層物理力學參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of rock stratum

參照神東礦區(qū)布爾臺煤礦、石圪臺煤礦等水力壓裂工程經(jīng)驗，設計注水流量為50 m3/h，單段壓裂時間為40 min。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，壓裂裂縫主要以水平裂縫為主，其延伸形態(tài)為橢球體，長半軸延伸方向為壓裂段裂縫長度，短半軸分別為裂縫寬度和高度，裂縫寬度隨著與孔壁距離的增加而逐漸減小。裂縫發(fā)育半徑最大為28.34 m，裂縫最大寬度0.22 cm，平均寬度0.15 cm，如圖4所示。

圖4 模擬結(jié)果三維視圖Fig.4 3D view of simulation results

結(jié)合模擬結(jié)果及相鄰工作面回采經(jīng)驗，對本次壓裂參數(shù)進行如下優(yōu)化。

1)破裂壓力。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，石灰溝區(qū)域下方12煤層破裂壓力為3.5～4.0 MPa，如圖5所示。

圖5 鉆孔孔底注水壓力模擬Fig.5 Simulation results of water injection pressure at bottom of borehole

2)壓裂孔及壓裂段最大間距為28.34 m，模擬結(jié)果表明壓裂孔間距以60 m為宜，同時為了保證壓裂裂縫能有效延伸，壓裂段間距選擇20～40 m為宜。

3)注水量。為保證壓裂效果，單段注水量設計為40～80 m3。設計12402工作面過石灰溝薄基巖區(qū)域煤體水力壓裂方案如下：為避免壓裂裂縫導通鉆孔并考慮經(jīng)濟技術因素，共布置3個鉆孔，鉆孔平行于溝谷方向，沿煤層中線水平布置，孔徑96 mm，間距78～79 m，長度分別為287、417、538 m，總進尺1 242 m，壓裂段間距40 m，共計壓裂28段，總體壓裂3次，注水壓力15 MPa，總注水量1 960 m3。鉆孔布置及壓裂位置如圖6所示。

圖6 壓裂區(qū)域鉆孔平面位置及其沿工作面傾向剖面圖Fig.6 Plane position of borehole in fracturing area and its profile along working face inclination

4 防治水及煤體強度弱化實踐

4.1 防治水效果分析

12402工作面在過石灰溝期間正值雨季，通過采取地表疏放水和河床防滲治理等措施，及時回填塌陷區(qū)，加高河堤，保障河道暢通，增加河床松散表土層厚度，提高其防滲性，石灰溝溝流正常，流量100～180 m3/h，未出現(xiàn)明顯滲透或斷流現(xiàn)象。工作面涌水量較以往無明顯變化，輔運巷道尾巷密閉反水管流量不大于2 m3/h，排水系統(tǒng)總設防能力遠大于需求，綜合防治水措施成效明顯。

4.2 煤體強度弱化效果分析

通過水力壓裂弱化煤體，疊加采動影響，煤體裂縫進一步發(fā)育，煤壁承載能力降低，出現(xiàn)明顯片幫現(xiàn)象，總體礦壓規(guī)律及顯現(xiàn)如圖7、表3所示。

表3 12402和12401工作面礦壓對比Table 3 Comparison of ground pressure between No.12402 and No.12401 working faces

圖7 12402工作面過石灰溝期間周期來壓Fig.7 Periodic weighting curve of No.12402 working face during passing through lime ditch

1)有利于提高生產(chǎn)效率。經(jīng)統(tǒng)計，12401工作面過石灰溝期間每日生產(chǎn)班平均割煤10.2刀，相同條件下12402工作面平均每刀少用19 min，日均割煤13.8刀，生產(chǎn)效率提升35.3%。

2)有利于降低能耗。煤體強度的弱化直接降低了截割難度，不僅生產(chǎn)效率提升了，受煤機的牽引、截割負荷也有所減小，見表4。

表4 12402工作面過石灰溝期間采煤機運行參數(shù)Table 4 Coal machine operation parameters in No.12402 working face during passing through lime ditch

3)有利于減少設備磨損沖擊。12401工作面過石灰溝期間由于未采取水力壓裂措施，截齒消耗30～40個/d，總計消耗1 507個，推進290 m，消耗截齒16個/萬t。12402工作面進入水預裂影響區(qū)域后，截齒消耗量明顯下降，一般為5～10個/d，過石灰溝總計消耗534個，推進550 m，萬噸煤消耗截齒3個。此外，相比12401工作面在過石灰溝期間更換2次煤機搖臂，12402工作面在此期間未更換任何大型部件。

4)有利于減塵。通過對12402工作面進入水力壓裂區(qū)域前后測塵數(shù)據(jù)進行對比，得出采煤機前后10 m粉塵質(zhì)量濃度降低20.3%～50.2%，回風巷超前10 m處，粉塵質(zhì)量濃度降低27.0%～50.7%，說明水預裂孔降塵效果明顯，見表5。

表5 12402工作面過石灰溝前后粉塵濃度測量數(shù)據(jù)對比Table 5 Comparison of dust concentration measurement data of No.12402 working face before and after passing through lime ditch

5 結(jié) 論

1)淺埋藏、超大采高工作面過地表溝流時，地表發(fā)生大面積塌陷、蓄水，導水裂縫帶高度大于埋深時，地表水沿裂縫滲入井下，對回采構成威脅。通過疏放地表積水，回填塌陷河床，加高堤壩等綜合治理措施，保證了河道暢通，提高了河床防滲性。

2)井下探放含水層水，解除含水層水患；增大工作面及巷道排水能力，可有效應對工作面涌水；根據(jù)排水需要，回采時適當調(diào)整底板坡度，一方面減少采空區(qū)積水，另一方面使采空區(qū)水自流向排水設防點，盡量不涌入工作面?？蓮臅r間和空間上分解防治水壓力，達到良好的效果。

3)受地表河道沖刷影響，溝流下方工作面基巖薄、埋藏淺，礦壓顯現(xiàn)不明顯，煤體堅硬給回采帶來困難。借鑒同一礦區(qū)其他礦井類似經(jīng)驗，提出水力壓裂弱化煤體的解決策略。通過數(shù)值模擬，確定壓裂效果，優(yōu)化壓裂設計，在實踐中提高了生產(chǎn)效率、降低了能耗、保護了設備、減少了粉塵。