董家河煤礦縣西河下安全開采多因素分析

馬政和，高健銘

(1.陜西陜煤澄合礦業(yè)有限公司董家河煤礦分公司，陜西 渭南 715200；2.陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司一號煤礦，陜西 延安 727307)

0 引言

董家河煤礦于1980年建成投產(chǎn)，原設(shè)計生產(chǎn)能力45萬t/a。2006年核定生產(chǎn)能力62萬t/a，井田面積13.07 km2，主要開采渭北石炭—二疊紀(jì)含煤巖系5號煤層，礦井采用2個水平開拓，主要大巷沿巖層布置，采煤工藝為綜合機(jī)械化長壁后退式采煤法，全部垮落法管理頂板，相鄰工作面之間采用留設(shè)30 m保護(hù)煤柱。礦區(qū)地表為黃土梁峁區(qū)，溝谷較發(fā)育，河谷地帶有基巖出露。由井上下對照圖可知，井田東北部發(fā)育有常年性河流縣西河，一般流量為0.03 m3/s。22509工作面位于井田北部為東西走向，工作面縣西河由北向南流經(jīng)22509工作面地表上方，縣西河部分溝谷河床基巖出露，出露基巖經(jīng)多年風(fēng)化剝蝕，在淺層產(chǎn)生了一定深度的風(fēng)化裂隙，改變了基巖的完整性和隔水性能，風(fēng)化裂隙成為了河水下滲的導(dǎo)水通道。22509工作面回采后，煤層頂板巖層原有應(yīng)力平衡被打破，產(chǎn)生采動裂隙，如果采動裂隙與基巖風(fēng)化裂隙發(fā)生溝通，將引起河水灌入井下，引發(fā)礦井水害，雨季來臨，洪水經(jīng)貫穿裂隙倒灌井下甚至可能發(fā)生淹井事故。因此，在22509工作面回采前，需要對工作面縣西河下塊段的安全開采進(jìn)行綜合分析，確保工作面安全回采。

1 工作面開采條件

1.1 井田地質(zhì)情況

井田范圍內(nèi)除縣西河河谷兩旁有極其零星的上二疊統(tǒng)石千峰組和上石盒子組露頭外，其它為掩蓋區(qū)，經(jīng)鉆孔揭露的地層由老到新有：中下奧陶統(tǒng)馬家溝組(01-2m)、上石炭統(tǒng)太原組(c3t)、下二疊統(tǒng)山西組(p1s)及下石盒子組(p1x)、上二疊統(tǒng)上石盒子組(p2s)及石千峰組(p2sh)和新生界(kz)。

井田內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)大的斷層，基本構(gòu)造輪廓為一走向近東西，傾向北的單斜構(gòu)造，沿走向有波狀起伏，傾角一般3°～5°左右。

1.2 水文地質(zhì)條件

1.2.1 地表水

井田內(nèi)地表地勢北高南低，河谷地帶有基巖出露，地表徑流條件良好，區(qū)內(nèi)地表水主要為縣西河，縣西河干流長度36.8 km，流域面積30 448 km2，河床比降為11.94‰，年平均流量1 911.83×104m3，平均流量0.61 m3/s。在干流上、中游已建成五一、永內(nèi)兩座水庫及59處小型引水、提水工程，水庫從不泄水?？h西河下游已經(jīng)成為一條季節(jié)性河流，在雨季擔(dān)負(fù)泄洪功能，下游流量一般為0.03 m3/s。

1.2.2 含水層及隔水層

裂隙水：裂隙水主要賦存于上二疊統(tǒng)至上石炭統(tǒng)的細(xì)-粗粒砂巖和礫巖層中。根據(jù)相關(guān)地質(zhì)報告顯示，上二疊統(tǒng)石千峰組第1段(P2sh1)含水巖組、上二疊統(tǒng)上石盒子組(P2s)底部K5砂巖含水層、下二疊統(tǒng)下石盒子組(P1X)底部K中砂巖含水層、下二疊統(tǒng)山西組(P1s)底部K4砂巖含水層之間均有較厚泥巖、粉砂巖組成良好的隔水層，在正常情況下，各含水層之間無密切水力關(guān)系。上石炭統(tǒng)太原組(C3t)石英砂巖和K2灰?guī)r含水巖組，據(jù)鉆孔抽水資料顯示，該段屬裂隙承壓水，富水性弱-中等的含水巖組。由于區(qū)內(nèi)的水1、水6、水7、水X16等孔石英砂巖和K2灰?guī)r含水巖組的水位標(biāo)高介于+381.27～+384.82 m，均接近于奧灰區(qū)域水位，因而兩者之間有可能通過隔水條件較差的鋁土質(zhì)泥巖發(fā)生水力聯(lián)系。

巖溶水：中下奧陶統(tǒng)馬家溝組第五段(O1-2m5)含水巖組，巖性主要為深灰色石灰?guī)r，花斑狀及角礫狀灰?guī)r夾薄層灰色白云巖，厚度不詳(澄合礦區(qū)為89.90～96.70 m)。裂隙較發(fā)育，多具方解石細(xì)脈，X18鉆孔漏水量為13.36 m3/h。屬巖溶裂隙承壓水，富水性強(qiáng)但不均一的含水巖組。

1.2.3 地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件

補(bǔ)給：井田地下水主要接受大氣降水和區(qū)外側(cè)向徑流的補(bǔ)給，由于平均年降雨量較小，一般為554.26 mm，故依靠降水補(bǔ)給量較弱。

徑流：區(qū)內(nèi)奧灰?guī)r溶水的徑流方向，總的趨勢是由北向南與奧灰水壓面方向基本一致，因此徑流條件較好。

排泄：部分裂隙水可通過基巖風(fēng)化帶和較薄的相對隔水層段以及礦區(qū)邊界的導(dǎo)水?dāng)嗔褞c鄰近的含水層發(fā)生水力聯(lián)系，從而向南運動排泄于區(qū)外，部分則通過斷裂帶向下奧灰排泄。另一部分則以下降泉形式泄于地表較大的溝谷中匯流成河。

1.3 工作面主要參數(shù)

22509工作面位于井田北部，北部為實區(qū)，南側(cè)為22507工作面的采空區(qū)。工作面采用對拉式布置，斜長184 m，推進(jìn)長度1 170 m，一次采全高，全部垮落法處理采空區(qū)頂板，回采5號煤層，埋深約400 m，工作面內(nèi)煤層賦存穩(wěn)定，煤層傾角0°～7°，煤厚1.9～4.53 m，平均煤厚3.44 m，煤層底板最高標(biāo)高270 m，最低標(biāo)高236 m。平面布置如圖1所示。

圖1 22509工作面平面布置Fig.1 Layout of 22509 working surface

2 煤層覆巖破壞高度預(yù)計

影響覆巖破壞范圍及程度的最主要因素是開采空間的大小和開采厚度，其次還與回采工藝、煤層傾角、頂板管理方式、頂板巖性等諸多因素相關(guān)。目前常用的覆巖破壞高度預(yù)計方法主要有數(shù)值模擬法、相似模擬法、類比分析法和經(jīng)驗公式法，其中經(jīng)驗公式法應(yīng)用最為廣泛，下面將采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中的經(jīng)驗公式對22509工作面的覆巖破壞高度進(jìn)行預(yù)計。

根據(jù)鉆孔資料揭露，22509工作面范圍及鄰近區(qū)域的5號煤層厚度介于1.91～4.53 m，工作面范圍內(nèi)平均煤厚3.44 m。

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》相關(guān)規(guī)定，當(dāng)煤層單層采厚在1～3 m左右，累計厚度不大于15 m時，堅硬類型覆巖的覆巖破壞高度預(yù)計可用下列經(jīng)驗公式計算

式中，Hm為垮落帶最大高度，m；Hli為導(dǎo)水裂隙帶最大高度，m；∑M為累計采厚，m。

將煤層實際采厚帶入上式得到22509工作面開采引起的覆巖破壞高度，垮落帶發(fā)育最大發(fā)育高度約20.26 m，導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育高度約79.92 m。

3 礦井充水規(guī)律分析

充水規(guī)律分析貫穿礦井準(zhǔn)備與開采的全過程，在準(zhǔn)備階段，主要根據(jù)礦床所處的自然環(huán)境及礦區(qū)水文地質(zhì)條件，初步預(yù)測采后主要充水水源和通道，為礦井涌水量的預(yù)測提供依據(jù)；在開采階段，充水規(guī)律分析可結(jié)合具體開采條件解決礦井充水水源和充水通道問題，為所采取的防治措施提供依據(jù)。下面將按照充水因素分析及工作面回采期間的涌水量預(yù)計2個方面進(jìn)行礦井充水規(guī)律研究，分析22509工作面回采前后的充水因素變化規(guī)律。

3.1 覆巖含水層

由前述可知，5號煤層基巖含水層基本屬于弱-中等富水，上石盒子組與石千峰組部分區(qū)域中等富水，裂隙含水層全區(qū)中等富水。22509工作面回采后，覆巖破壞高度最大為79.92 m，采動裂隙成為上覆含水層向工作面涌水的充水通道，即煤層頂板以上79.92 m范圍內(nèi)的含水層將向工作面直接充水，5號煤層直接頂板山西組含水層厚度44.66～49.41 m，上石盒子組地層底界距5號煤層頂板距離為73.04～86.15 m，可見工作面直接充水含水層主要是下二疊統(tǒng)山西組底部的K4砂巖含水層和下石盒子組K中砂巖含水層，屬裂隙承壓水，單位涌水量僅為0.000 102～0.004 81 L/s·m和0.001 3～0.013 2 L/s·m，均富水性弱，對采掘活動影響小，工作面上覆含水層對采掘空間的間接充水因素很弱。

3.2 底板灰?guī)r水

22509工作面5號煤層底板為上二疊統(tǒng)石炭系地層，據(jù)地質(zhì)資料反映，石炭系地層與奧灰含水層水位埋深相近，兩者可能存在著水力聯(lián)系；工作面范圍內(nèi)的鉆孔資料表明，5號煤層距離奧陶系馬家溝組輝巖承壓水含水層距離最近僅為25 m，且石炭系地層缺乏穩(wěn)定沉積的隔水層，屬多巖性互層沉積結(jié)構(gòu)，不利于抵擋高壓水的侵蝕。因此，22509工作面生產(chǎn)期間，要對底板奧灰承壓水情密切關(guān)注，并采取專門的防治水安全技術(shù)措施，通過底板加固等方式保證工作面安全回采。

3.3 工作面回采期間涌水量預(yù)計

22509工作面直接充水含水層為二疊系山西組和上石盒子組含水層段，均屬頂板進(jìn)水的承壓含水層。井田邊界無隔水層和構(gòu)造的影響，下石盒子組和山西組之間存在穩(wěn)定的隔水層，故直接充水含水層可抽象為無限平面的承壓含水層。當(dāng)?shù)V井排水時，會形成以巷道系統(tǒng)為中心，具有一定范圍的降壓漏斗，其與鉆孔抽水時形成降壓漏斗的情況十分相似，故可將巷道系統(tǒng)抽象為一個理想的大井，運用“大井法”計算巷道系統(tǒng)涌水量，預(yù)計分析公式如下

代入以上參數(shù)求得的預(yù)計結(jié)果為：Q山西組=964 m3/d，Q上石盒子組=181 m3/d。因此，工作面涌水量Q=Q山西組+Q上石盒子組=1 145 m3/d，合47.7 m3/h。

所以，22509工作面回采期間，因覆巖采動破壞帶來的工作面涌水量預(yù)計最大為47.7 m3/h。

4 工作面防水安全煤巖柱留設(shè)研究

留設(shè)防水安全煤巖柱是為了導(dǎo)水裂隙帶不波及水體。防水安全煤巖柱(Hsh)的最小尺寸應(yīng)當(dāng)大于導(dǎo)水裂隙帶的最大高度(Hli)加上一定厚度的保護(hù)層(Hb)，如圖2所示，即

圖2 防水安全煤巖柱的組成示意Fig.2 Composition of waterproof coal rock pillar

Hsh≥Hli+Hb

式中，Hsh為防水安全煤巖柱的垂高，m；Hli為導(dǎo)水裂隙帶最大高度，m；Hb為保護(hù)層厚度，m。

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》，結(jié)合22509工作面地質(zhì)采礦條件，覆巖屬堅硬類型，且河床下伏無穩(wěn)定沉積的厚層隔水層，保護(hù)層厚度選取7倍采厚，為最大限度保證安全，采厚取工作面區(qū)域最大值4.53 m，因此，防水安全煤巖柱合理留設(shè)尺寸為111.63 m。

當(dāng)工作面范圍內(nèi)的基巖柱垂高大于111.63 m，且在受護(hù)水體與導(dǎo)水裂隙帶頂界之間賦存有穩(wěn)定沉積的隔水巖層時，即可認(rèn)為滿足防水安全煤巖柱留設(shè)要求，可以實現(xiàn)采動裂隙不波及受護(hù)水體的目標(biāo)。根據(jù)地質(zhì)資料顯示，22509工作面范圍內(nèi)基巖柱厚度介于321.40～371.77 m，遠(yuǎn)大于《規(guī)程》要求的防水安全煤巖柱最小尺寸，因而22509工作面滿足縣西河下5號煤層安全開采的防水安全煤巖柱留設(shè)要求。

5 工作面縣西河下開采安全性分析

5.1 地表裂縫深度確定

由地質(zhì)資料可知，在縣西河影響范圍區(qū)域埋深介于336～415 m之間，如果按照22509工作面最大采厚4.53 m計，采深采厚比約為74～91；按照最小采高2.5 m計，采深采厚比大于130。根據(jù)我國部分煤礦地表裂縫深度實測資料，地表裂縫深度基本上隨著采深采厚比增大而減小，且裂縫發(fā)育在松散層。考慮到董家河煤礦地表部分區(qū)域松散層較薄，黏性土質(zhì)含量低，在溝谷與河床地區(qū)有部分基巖出露，基巖屬堅硬類型，且煤層埋深變化大、采深采厚比大，綜合上述因素，預(yù)計該礦區(qū)在合理開采厚度條件下地表裂縫深度為15～20 m。

5.2 縣西河水灌入22509工作面可能性分析

由前文分析可知，當(dāng)按照最大開采厚度4.53 m進(jìn)行開采時，需要留設(shè)的防水煤巖柱尺寸為111.63 m，即便在基巖厚度薄弱區(qū)域，也能滿足尺寸要求。考慮到地表的張口裂縫影響，取其最大裂開深度為20 m，那么實際有效基巖柱厚度最低為301.4 m，深厚比達(dá)70，完全滿足巖柱厚度要求，結(jié)合鉆孔資料，在22509工作面范圍內(nèi)的下石盒子組頂界發(fā)育有一層穩(wěn)定沉積的厚層泥巖，是良好的隔水巖層，能有效減弱采動影響，并阻止了上下含水層的水力聯(lián)系，因此縣西河水與22509工作面直接充水含水層無法產(chǎn)生水力聯(lián)系。

5.3 工作面底板奧灰水威脅分析

根據(jù)鄰近礦井實踐證明，當(dāng)巷道開拓和煤層開采水平低于奧灰區(qū)域水位+380 m高程時，均有不同程度的影響和危害。根據(jù)鉆孔柱狀資料，22509工作面范圍內(nèi)5號煤層距離奧陶系馬家溝組頂界面最小距離僅為25 m，奧灰水壓有可能壓裂原生裂隙與底板采動裂隙溝通，奧灰水可能突破石炭系地層進(jìn)入采場。因此，奧灰水是22509工作面生產(chǎn)期間必須加以重視的安全威脅。

6 結(jié)語

綜合分析22509工作面水文地質(zhì)條件，依據(jù)“大井法”對工作面生產(chǎn)期間的涌水量進(jìn)行預(yù)計，最大涌水量47.7 m3/h；經(jīng)分析計算得出22509工作面垮落帶發(fā)育最大高度20.26 m，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育最大高度79.92 m，防水安全煤巖柱最小高度111.63 m，由于22509工作面基巖柱厚度介于321.26～371.77 m，所以工作面上覆基巖滿足開采防水安全煤巖柱尺寸要求，同時因22509工作面上覆基巖賦存有多層穩(wěn)定沉積的隔水泥巖層，分析認(rèn)為在正?；夭汕闆r下，縣西河水不可能灌入22509工作面，但因5號煤層距離奧陶系馬家溝組承壓灰?guī)r含水層距離最小僅為25 m，生產(chǎn)期間還需密切關(guān)注奧灰水的情況。