淺埋厚煤層河下安全開(kāi)采控水防治技術(shù)研究*

刁乃勤，白國(guó)良

(1.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司，北京 100013；2.中煤科工集團(tuán)北京土地整治與生態(tài)修復(fù)科技研究院有限公司，北京 100013；3.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

現(xiàn)階段，控制導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度的水體下采煤，其安全開(kāi)采理論和技術(shù)實(shí)踐已比較成熟，水體下采煤通常是將水體是否位于導(dǎo)水裂縫帶上方，且有一定厚度的保護(hù)層作為安全開(kāi)采的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)[1-2]，但在山西、陜西、內(nèi)蒙等煤炭資源豐富礦區(qū)，水體下煤層賦存淺、厚度大的開(kāi)采條件同樣廣泛存在，淺埋厚煤層開(kāi)采后，覆巖破壞劇烈，多數(shù)地表水體或富水含水層會(huì)處于導(dǎo)水裂縫帶影響范圍以?xún)?nèi)，甚至導(dǎo)水裂縫帶直達(dá)地表，此時(shí)第四系含水層和地表水體對(duì)淺埋煤層的安全開(kāi)采構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[3-4]。

當(dāng)水體位于導(dǎo)水裂縫帶影響范圍以?xún)?nèi)時(shí)，雖然可以采取留設(shè)防水煤柱、條帶開(kāi)采、限厚開(kāi)采、協(xié)調(diào)開(kāi)采等安全技術(shù)措施[5]，但是卻降低了煤炭采出率，減少了礦井服務(wù)年限，增加了開(kāi)采成本。如何在保證水體安全和開(kāi)采安全的前提下，實(shí)行常規(guī)垮落法開(kāi)采，對(duì)于提高煤炭采出率，創(chuàng)新“三下”開(kāi)采技術(shù)具有重要意義。

1 河流及礦井水文地質(zhì)概況

1.1 河流概況

山西左權(quán)阜生煤礦井田地表存在一條季節(jié)性泄洪河流，河流全長(zhǎng)10 km，承擔(dān)流域面積35 km2的排洪任務(wù)。河流沿西北—東南流向穿過(guò)礦井一采區(qū)地表，該區(qū)域河床寬約30 m，平均縱坡14.2‰，河流保護(hù)煤柱壓占了一采區(qū)的1102和1106工作面。河流水源為大氣降水和山間徑流補(bǔ)給，僅在雨季汛期有山洪流過(guò)，平時(shí)干涸無(wú)水，歷史最高洪水位時(shí)河水深1.8 m。

1.2 采礦地質(zhì)條件

井田主要開(kāi)采石炭系上統(tǒng)太原組15號(hào)煤層，厚度3.17～7.40 m，平均6.5 m，傾角9°，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定，含0～3層夾矸。采煤方法為大采高一次采全高，全部跨落法管理頂板。15號(hào)煤頂板以泥巖為主，局部為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)粒砂巖，厚度3.39～12.20 m，平均5.85 m。底板主要為砂質(zhì)泥巖、泥巖及細(xì)中粒砂巖，厚度5.97～12.03 m，平均9.46 m。

井田地表主要為山區(qū)溝谷，山區(qū)第四系黃土沖積層厚0～5 m，平均3 m，河谷底部砂卵石覆蓋層厚6～8 m，與下伏各時(shí)代地層呈角度不整合接觸。泄洪河流流經(jīng)采區(qū)的地面最高點(diǎn)位于采區(qū)西部(+1 354 m)，最低點(diǎn)位于采區(qū)東南部(+1 216 m)，地表最大相對(duì)高差138 m，河床高程為+1 232 m。

位于泄洪河流正下方的1102工作面開(kāi)采標(biāo)高+1 075 ～+1 159 m，工作面寬146 m，推進(jìn)長(zhǎng)度540 m，河下埋深為73～157 m；1106工作面開(kāi)采標(biāo)高+1 063～+1 163 m，工作面寬142 m，推進(jìn)長(zhǎng)度868 m，河下埋深為69～169 m，工作面與泄洪河流位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 工作面與泄洪河流位置關(guān)系圖

1.3 地層構(gòu)造與巖層富水特性

河流流域的地層總體平緩，一般在2°～15°之間，區(qū)內(nèi)構(gòu)造斷層發(fā)育較弱。15號(hào)煤層直接和間接充水含水層與石炭系上統(tǒng)巖溶裂隙含水層(K2、K3、K4石灰?guī)r含水層組)有密切水力關(guān)系，其對(duì)1102、1106工作面開(kāi)采有較大影響，其中K2石灰?guī)r厚5.00～7.50 m，平均6.74 m，裂隙較發(fā)育，富水性不均；K3石灰?guī)r厚2.40～5.53 m，平均3.88 m，裂隙較發(fā)育；K4石灰?guī)r厚3.15～4.00 m，平均3.49 m。1102工作面開(kāi)采主要受含水層組富水區(qū)影響，臨近1101工作面的開(kāi)采對(duì)部分富水區(qū)起到了疏干作用。

井田相對(duì)隔水層覆蓋于各含水層之上，最大厚度19 m，分布較穩(wěn)定，隔水性能良好。各含水層之間不產(chǎn)生直接的水力聯(lián)系，大氣降水不直接入滲補(bǔ)給地下水。

巷道掘進(jìn)過(guò)程中，1102工作面回風(fēng)平巷揭露X11陷落柱，未發(fā)現(xiàn)涌水；1102工作面運(yùn)輸平巷揭露X15陷落柱，有少量涌水現(xiàn)象。

2 采動(dòng)覆巖破壞情況分析

煤層開(kāi)采后，覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度直接關(guān)系著水體下采煤工作的安全。導(dǎo)水裂縫帶最大高度與覆巖巖性及其力學(xué)強(qiáng)度關(guān)系密切，當(dāng)巖層堅(jiān)硬時(shí)，裂縫帶發(fā)育到最大高度以后基本不再變化；當(dāng)巖層軟弱時(shí)，裂縫帶最大高度隨時(shí)間增加會(huì)有所降低；當(dāng)巖層中硬時(shí)，裂縫帶發(fā)育高度與時(shí)間關(guān)系規(guī)律不明顯[6-7]。該礦巖石抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 巖石抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》[8]，該區(qū)覆巖性質(zhì)屬于中硬，垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶高度可按下式計(jì)算：

(1)

(2)

式中，Hk為垮落帶高度，m；Hli為導(dǎo)水裂縫帶高度，m；∑M為累計(jì)采厚，m。

當(dāng)采厚為6 m時(shí)，計(jì)算得垮落帶最大高度14.9 m，導(dǎo)水裂縫帶最大高度49.0 m。參考附近潞安地區(qū)大采高綜放開(kāi)采覆巖破壞的鉆孔觀(guān)測(cè)成果，導(dǎo)水裂縫帶最大高度經(jīng)驗(yàn)公式為Hli=20.22M+10，按此公式計(jì)算得到導(dǎo)水裂縫帶最大高度為131.3 m。鑒于1102和1106工作面的埋深僅為69～169 m，因此淺部采區(qū)無(wú)法留設(shè)防水安全煤巖柱。

采用概率積分法對(duì)地表破壞情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，采厚6 m時(shí)地表最大下沉約5 m，由于淺埋煤層開(kāi)采(采深采厚比小于30)，地表變形破壞非常劇烈，在開(kāi)采邊界處將產(chǎn)生不連續(xù)變形，形成大量明顯的地裂縫和塌陷臺(tái)階[7]。在采區(qū)外圍區(qū)域，地裂縫基本沿開(kāi)切眼和采空區(qū)邊界分布，裂縫的寬度和落差都較大，裂縫形成之后一般不會(huì)自然消失；在采區(qū)中心區(qū)，工作面開(kāi)采時(shí)，采空區(qū)前方地表受沉陷拉伸作用，會(huì)出現(xiàn)沿工作面平行分布的弧形裂縫，隨著開(kāi)采推進(jìn)，中心區(qū)地表又受到動(dòng)態(tài)壓縮作用，地裂縫受壓后會(huì)在一定程度上閉合，在動(dòng)態(tài)的拉伸和壓縮過(guò)程中，地裂縫寬度先變大再減小，相對(duì)于外圍裂縫其對(duì)隔水層和地表的影響相對(duì)較小[9]。

考慮到河流下方煤層埋深只有69～169 m，強(qiáng)烈的開(kāi)采擾動(dòng)會(huì)嚴(yán)重破壞隔水層，永久性的導(dǎo)水地裂縫勢(shì)必會(huì)與河床連通，汛期泄洪時(shí)地表水與河水會(huì)潰入井下，威脅礦井生產(chǎn)安全。

3 枯水期工作面涌水量預(yù)測(cè)

根據(jù)礦井近5年氣象水文及河流水量觀(guān)測(cè)記錄，當(dāng)?shù)孛磕?～10月為雨季汛期，11月至來(lái)年6月為旱季枯水期，河水流量經(jīng)實(shí)測(cè)為0.039 m3/s，其中3月初至5月底河道內(nèi)干涸無(wú)水，常規(guī)開(kāi)采后，對(duì)工作面涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

(1)對(duì)于第四系含水層，采用“大井法”地下水動(dòng)力學(xué)潛水計(jì)算公式，其公式為：

(3)

(4)

式中，Q為預(yù)測(cè)工作面涌水量，m3/d；H為潛水含水層原始厚度，取10 m；S為水位降深值，取10 m；r0為工作面引用半徑，m；R0為工作面影響半徑，m；K為含水層滲透系數(shù)，取抽水試驗(yàn)的平均值18.05 m/d。

考慮富水區(qū)巖溶裂隙含水層的充水影響，將涌水量乘以1.2～1.5的安全系數(shù)，計(jì)算1102工作面涌水量為120 m3/h、1106工作面涌水量為140 m3/h。

(2)當(dāng)工作面涌水量受開(kāi)采面積、水位降深因素影響，表現(xiàn)出明顯的線(xiàn)型變化規(guī)律時(shí)，可以按照“單位涌水量比擬法”進(jìn)行計(jì)算，其公式為：

(5)

(6)

式中，q0為單位涌水量；Q0為已知工作面涌水量；F0為疏干面積；S0為水位降深；Q為預(yù)測(cè)工作面涌水量；F為預(yù)測(cè)疏干面積；S為預(yù)測(cè)水位降深。

根據(jù)相鄰1101工作面的開(kāi)采實(shí)測(cè)涌水量(7.8～26 m3/h)，預(yù)測(cè)類(lèi)似條件下1102、1106工作面的涌水量分別為20 m3/h、31 m3/h。

取兩種預(yù)測(cè)方法的最大值作為工作面最大涌水量(即140 m3/h)，由于泄洪河流為季節(jié)性河流，每年11月下旬至次年5月，河道干涸無(wú)水，因此可以通過(guò)調(diào)整井下開(kāi)采進(jìn)度，安排1102、1106工作面于11月初開(kāi)采，次年5月初結(jié)束，平均每月推進(jìn)約100 m，工作面采用垮落法管理頂板，按照正?；夭伤俣瓤梢栽谟昙局巴２沙访妗楸M量降低開(kāi)采對(duì)河道的破壞，減少雨季地表水入滲，保障安全生產(chǎn)，工作面在通過(guò)河流保護(hù)煤柱時(shí)采取限厚開(kāi)采，采高降至綜采設(shè)備允許的最小采高4.0 m，預(yù)計(jì)采后塌陷區(qū)地表裂縫分布情況如圖2所示。

圖2 垮落開(kāi)采地表裂縫分區(qū)圖

4 地表治理與河道保護(hù)修復(fù)

根據(jù)沉陷預(yù)計(jì)結(jié)果，正常開(kāi)采區(qū)(采高6.0 m)地表最大下沉約5.2 m，限厚開(kāi)采區(qū)(采高4.0 m)地表最大下沉約3.4 m，根據(jù)淺埋煤層覆巖破壞規(guī)律并參考相鄰1101工作面地表破壞情況，1102、1106工作面采后地表會(huì)出現(xiàn)寬度0.5 m左右的永久地裂縫，以及落差高度超過(guò)0.5 m的塌陷臺(tái)階，為防止地表水與井下導(dǎo)通，塌陷臺(tái)階裂縫區(qū)是治理的重點(diǎn)區(qū)域。1102工作面開(kāi)切眼附近地表塌陷臺(tái)階和裂縫情況如圖3所示。

圖3 1102工作面地表塌陷臺(tái)階和裂縫情況

4.1 地裂縫和塌陷臺(tái)階治理

(1)永久裂縫區(qū)回填治理：永久裂縫的寬度和深度超過(guò)0.5 m，塌陷臺(tái)階的落差也超過(guò)0.5 m，該區(qū)地表受損嚴(yán)重，需全部用黃土充填，每充填0.5 m用夯實(shí)機(jī)強(qiáng)夯壓實(shí)，直至裂縫區(qū)與地表平齊，當(dāng)沉陷區(qū)面積達(dá)到一定規(guī)模后再進(jìn)行土地平整修復(fù)。

(2)動(dòng)態(tài)裂縫區(qū)治理修復(fù)：動(dòng)態(tài)裂縫的寬度相對(duì)較小，深度較淺，主要采取黃土回填、夯實(shí)處理。結(jié)合井下開(kāi)采進(jìn)度，組織專(zhuān)人巡查報(bào)告，并根據(jù)裂縫發(fā)育情況及時(shí)回填平整。

(3)地表積水區(qū)處理：為消除地表積水隱患，對(duì)于局部積水區(qū)，應(yīng)在開(kāi)采影響波及以前采取臨時(shí)排水措施，將地表積水排至采煤沉陷影響區(qū)以外[10]。

沉陷區(qū)裂縫治理應(yīng)在雨季前完成，隨著1102、1106工作面開(kāi)采推進(jìn)，地表及時(shí)巡視跟進(jìn)施工，溝谷區(qū)累計(jì)回填厚度不得小于1.5 m，以增強(qiáng)表土層抗?jié)B性能，治理回填后河床基本保持原來(lái)的地勢(shì)坡度，以利于汛期泄洪，消除雨季降水涌入井下的安全隱患[11]。

4.2 地表截流排水

河道修復(fù)前，在不受采動(dòng)影響的河流上游選擇適宜位置筑壩截流，并利用排水管路對(duì)地表少量流水進(jìn)行疏導(dǎo)，待采煤塌陷區(qū)地表治理工程結(jié)束后，再拆除截流壩恢復(fù)河道，截流壩布設(shè)位置如圖4所示。

圖4 截流壩布設(shè)位置平面示意圖

為防止雨季洪水漫出河道，截水壩迎水面壩高低于河道兩岸防洪堤1 m左右。攔截壩利用兩岸防洪堤進(jìn)行修筑，迎水面壩體上留設(shè)四個(gè)預(yù)制的排水管路接頭，用于連接排水管路。根據(jù)枯水期河水流量0.039 m3/s，排水管路選擇內(nèi)徑大于0.28 m的PE(聚乙烯)管，管路盡可能沿原河道敷設(shè)，并保持1.4%的坡度，管路每隔200 m留設(shè)一個(gè)三通，用于堵塞后檢修和應(yīng)急處置。

4.3 河道硬化修復(fù)

為保障煤礦安全生產(chǎn)和保護(hù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境，待采動(dòng)區(qū)地表沉陷基本穩(wěn)定后，需對(duì)泄洪河道進(jìn)行硬化修復(fù)。根據(jù)氣象水文資料，結(jié)合河道原有防洪標(biāo)準(zhǔn)，河道修復(fù)按照100年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最大洪水時(shí)河流水深按1.2 m、河水流量按353 m3/s計(jì)算。

考慮到地形、施工占地和施工難度等因素，在開(kāi)采塌陷區(qū)就地取黏土填充河底、修筑河堤。河道修復(fù)后設(shè)計(jì)水位低于地面高程，河渠采用梯形斷面，河道高1.8 m、底寬18 m、頂部寬23.4 m、坡比1.5，河道縱坡13.2‰，修復(fù)后河道流量為448 m3/s，滿(mǎn)足100年一遇的排洪要求。

4.4 陷落柱防治水處理

1102工作面運(yùn)輸平巷揭露的X15陷落柱有少量出水，并伴有黃泥，推測(cè)其可能與地面導(dǎo)通。為防止在回采過(guò)程中X15陷落柱發(fā)展成充水通道，對(duì)該區(qū)段采用工字鋼棚支護(hù)，并采用高分子HY-2宇速寧填充材料、HY-3宇固寧加固材料、HY-Ⅲ加固材料、QC-3T快速密閉材料對(duì)陷落柱進(jìn)行注漿封堵加固。為保證回采期間巷道頂板穩(wěn)定性，對(duì)陷落柱區(qū)段巷道頂板進(jìn)行注漿加固，注漿鉆孔距兩幫煤壁0.5 m，孔間距0.7 m，排距1.0 m，兩側(cè)斜向上鉆孔與頂板成45°～60°夾角，鉆孔深度10 m，鉆孔布置方式如圖5所示。

圖5 巷道注漿鉆孔布置示意圖

5 工程實(shí)踐及工作面涌水量觀(guān)測(cè)

1102工作面于2019年1月初開(kāi)始回采，至2020年6月底順利結(jié)束，開(kāi)采期間對(duì)地表及河道進(jìn)行了治理和局部改道修筑，并對(duì)工作面涌水量采用容積法進(jìn)行了連續(xù)觀(guān)測(cè)。觀(guān)測(cè)結(jié)果顯示：開(kāi)采前3個(gè)月，工作面涌水量8.5～20.1 m3/h；后續(xù)15個(gè)月，工作面涌水量穩(wěn)定在20.2～25.6 m3/h，平均21.5 m3/h，與單位涌水量比擬法計(jì)算的20 m3/h結(jié)果相近；1106工作面開(kāi)采期間，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)最大涌水量20.2 m3/h，數(shù)值始終正常。觀(guān)測(cè)結(jié)果說(shuō)明地表治理及河道硬化修復(fù)措施有效可靠，地表水沒(méi)有沿導(dǎo)水通道涌入井下，河下安全開(kāi)采綜合控水防治技術(shù)取得了成功。

6 結(jié) 論

(1)根據(jù)泄洪河流下開(kāi)采、水文地質(zhì)條件，計(jì)算了采厚6 m時(shí)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度，淺埋深大采高垮落法開(kāi)采會(huì)嚴(yán)重破壞含水層和河道。根據(jù)該區(qū)氣象規(guī)律和季節(jié)性河流特點(diǎn)，通過(guò)調(diào)整開(kāi)采進(jìn)度和采高，安排1102、1106工作面在枯水期開(kāi)采，在汛期到來(lái)之前結(jié)束開(kāi)采。

(2)采用概率積分法預(yù)測(cè)了地表永久裂縫區(qū)和動(dòng)態(tài)裂縫區(qū)位置，針對(duì)地裂縫和塌陷臺(tái)階進(jìn)行治理修復(fù)；在不受采動(dòng)影響的河流上游筑壩截流，利用排水管路疏導(dǎo)枯水期河水；按照100年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)硬化修復(fù)受損河道；對(duì)采區(qū)陷落柱進(jìn)行注漿封堵加固，防止雨季降水和泄洪河水沿導(dǎo)水通道潰入井下。

(3)1102、1106工作面開(kāi)采實(shí)測(cè)涌水量小于25.6 m3/h，與水體外圍常規(guī)工作面涌水量接近，說(shuō)明井上下綜合控水防治措施有效可靠，成功實(shí)現(xiàn)泄洪河流下深厚比小于30的垮落法安全開(kāi)采，解放河流壓煤126.9萬(wàn)t。