大厚度含水層下厚煤層保水開采研究

李宏儒，史久林,2，田錦州,2，李向陽，李明軒,2

(1.天地(榆林)開采工程技術有限公司，陜西 榆林 719000；2.煤炭科學研究總院開采研究分院，北京 100013)

0 引 言

保水開采不僅是制約礦井安全高效生產的重大技術問題，同樣也是礦井綠色開采技術的主要內容之一[1]。我國多數(shù)礦井上覆巖層中存在多個含水層，部分含水層離煤層距離較近，加之煤層厚度較大，開采過程中上覆巖層裂隙發(fā)育程度較高，為承壓水與工作面之間提供了涌水通道，導致開采過程中工作面涌水量大，給井下人員的正常作業(yè)與設備的正常運行帶來了嚴重的影響，甚至會造成嚴重的安全事故。近年來，由于采高的不斷增加，導致礦井突水問題日益嚴重，現(xiàn)已成為礦井開采最主要的災害之一[2]。

對于厚煤層開采過程中的保水措施，前人針對特定工作情況進行了大量研究。劉天泉[3]針對不同煤礦現(xiàn)場采動過程中形成裂隙造成工作面及巷道涌水問題，通過使用理論計算、科學實驗等方法，率先提出了“垮落-裂隙-下沉”理論，并總結出了“三帶”高度的經(jīng)驗公式。呂廣羅等[4]對埋藏深大采高煤層開采過程中的裂隙發(fā)育高度進行現(xiàn)場測量，總結出對裂隙帶長度的各個影響因素，基于影響因素對現(xiàn)場后續(xù)生產的裂隙帶高度進行回歸分析，并確定其大小。沙猛猛[5]運用四種研究方法對裂隙帶的高度進行分析，分析結果表明高度的大小與煤層厚度呈正比。李沂杭[6]針對不同影響因素對導水裂隙帶的高度影響進行研究，得出巖性對裂隙帶的影響程度最深。

本文以劉莊煤礦4301工作面為研究對象，通過水分地質特征分析、工作面導水裂隙帶探測、理論計算及數(shù)值模擬分析，對厚煤層開采下的導水裂隙帶發(fā)育的高度進行實測、計算和模擬，對不同采高下導水裂隙帶的高度進行分析，提出巨厚含水層下保水安全開采方案，在開采實踐中取得了良好效果。

1 工作面概況

4301工作面為劉莊煤礦三盤區(qū)首采工作面，位于盤區(qū)東部，工作面西邊為4302備采面，東部為井田邊界，北部為地表河流保護煤柱，南邊為盤區(qū)開拓大巷。工作面所采煤層為4-2#煤層，厚度為5.36～6.52 m，平均厚度為6.08 m，煤層含0.14 m泥巖夾矸，采用大采高工藝回采；工作面煤層基本頂為細粒砂巖、中砂巖或粗砂巖，成分以長石、石英為主，泥質膠結，弱風化巖體較完整成塊狀，含少量碩石，裂隙發(fā)育，厚度為1.95～13.30 m，平均厚度為5.45 m；直接頂為泥巖、細砂巖、粗砂巖，成分以長石、石英為主，泥質膠結，弱風化巖體較完整成塊狀，厚度為1.99～6.21 m，平均厚度為4.09 m；直接底為灰色泥巖，水平層理，夾灰綠色砂質泥巖，部分地段為鋁質泥巖，薄層及細砂巖薄層，見鏡煤條帶，厚度為2.02～5.32 m，平均厚度為3.67 m；老底為泥巖、細砂巖，成分以長石、石英為主，泥質膠結，弱風化巖體較完整成塊狀，裂隙發(fā)育，厚度為3.18～6.40 m，平均厚度為4.22 m。

2 水文地質特征分析

2.1 含水層及隔水層分析

基于工程現(xiàn)場地質資料得到各巖層參數(shù)和巖層位置關系，見表1和圖1。由圖1可知，洛河組含水層是礦區(qū)范圍內主要充水含水層，地層厚度大，富水性好，煤層回采過程中若導水裂縫帶波及到該含水層將造成工作面涌水強度增大；宜君組含水層為煤層上覆白堊系弱富水含水層；在工作面南部區(qū)域宜君組與上覆洛河組含水層有一定的水力聯(lián)系，其厚度分布和富水性特征對礦井充水有一定影響，其余含水層為弱含水層，對工作面開采影響不大；安定組作為4-2#煤層與上覆白堊系含水層間的主要有效隔水層，其發(fā)育厚度對工作面充水強度和水害影響持續(xù)時間有很大關系。

表1 含水層、隔水層參數(shù)情況Table 1 Parameters of aquifer and aquiclude

圖1 煤層與主要含水層、隔水層上下關系示意圖Fig.1 Schematic diagram of the relationship between the coal seam and the main aquifer and aquiclude

2.2 覆巖發(fā)育特征分析

通過對劉莊煤礦4301工作面分布的鉆孔柱狀圖進行地層相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計，結合井田東部區(qū)域地層覆巖發(fā)育特征綜合分析，繪制出的最主要含水層和隔水層與工作面煤層距離等值線圖如圖2及圖3所示。

圖2 4301工作面煤層距洛河組含水層距離等值線圖Fig.2 Contour line diagram of the distance between the coal seam of 4301 working surface and the aquifer of Luohe Formation

圖3 4301工作面煤層距宜君組隔水層距離等值線圖Fig.3 Contour line diagram of the distance between the coal seam of 4301 working surface and the aquifer of Yijun Formation

由圖2可知，4301工作面范圍內4-2#煤層到洛河組底部的距離相對穩(wěn)定，總體距離多在200 m以上，回采期間，隨著工作面推進，工作面煤層距洛河組含水層距離逐漸減小，由最初的216 m逐漸減小至約200 m。 由圖3可知，煤層和宜君組距離變化趨勢與煤層距洛河組含水層距離較為一致，從切眼到停采線距離逐漸減小，由179 m逐漸減小到165 m。

通過以上分析可知，4301工作面從切眼到停采線方向煤層頂板與上覆洛河組含水層及宜君組距離逐漸減小，在同樣的開采條件下，隨著工作面推進，上覆巖層導水裂隙更容易觸及主要含水層，其覆巖組合特征決定了工作面從切眼推進至停采線過程中受到頂板洛河組含水層水害威脅是逐漸增大的。

3 工作面導水裂隙高度分析

3.1 現(xiàn)場實測

為進一步分析洛河組含水層對工作面開采的影響，現(xiàn)場通過仰孔注水測漏法對劉莊煤礦4301工作面不同開采高度受采動影響后導水裂隙帶發(fā)育高度進行測定。劉莊煤礦4301工作面輔助運輸巷煤層厚度分別為3.5 m、4.5 m、5.0 m、5.5 m和6.0 m區(qū)段處布置5個測站，分別為圖4(a)中的1～5，每個測站有3個鉆孔(A孔、B孔和C孔)，鉆孔直徑89 mm，孔深垂直距離200 m，如圖4所示。

圖4 測站分布及測漏系統(tǒng)Fig.4 Station distribution and leak measurement system

在劉莊煤礦4301工作面距離測站25 m處時，通過仰孔注水測漏法對工作面導水裂縫帶發(fā)育高度進行探測，探測期間工作面累計推進600 m，不同采高條件下，上覆巖層導水裂隙帶高度實測數(shù)據(jù)見表2。

表2 導水裂隙帶高度實測統(tǒng)計Table 2 Height measurement data of water-conducting rift zone

1) 4301工作面回采期間不同采高條件下上覆巖層垮落帶高度為17.6～45.8 m，為采高的5.0～7.6倍，導水裂隙帶高度為采高的27.9～31.6倍。

2) 覆巖離層帶高度為172.4～176.8 m，結合圖1和圖3可知，覆巖離層帶位于宜君組砂礫巖含水層與安定組泥巖隔水層交界之間，隨著工作面采動，上覆洛河組及宜君組中的水將逐漸流至離層帶。

3) 當采高為3.5～4.5 m時，裂隙帶高度為采高的31倍以上；當采高為5.0～5.5 m時，覆巖裂采比減小為27.9～29.3；當采高為6.0 m時，裂采比增加至30.5。

由此分析可知，采高在3.5 m及以下導水裂隙發(fā)育至上覆巖層安定組泥巖隔水層，但并未貫通；煤層采高變?yōu)?.0～5.5 m時，裂采比又大幅度減小，表明上覆安定組泥巖層在離層形成過程中發(fā)生彎曲下沉，使部分裂隙閉合，與安定組上部巖層形成隔水層共同阻隔離層積水；采高變?yōu)?.0 m時，覆巖導水裂隙帶發(fā)育高度增大至187.0 m，裂采比增大至30.5，且在實測過程中離層帶高度不明顯，離層受到破壞，工作面短時間內出現(xiàn)大量積水，表明當采高為6.0 m時覆巖裂隙已發(fā)育至宜君組隔水層，安定組隔水層被貫通，從而使離層帶之間的積水滲流至工作面。

3.2 導水裂隙帶高度計算

基于煤層工作面地質資料情況，煤層的平均采高為6.08 m，通過不同經(jīng)驗公式對導水裂隙帶發(fā)育高度的預計，確定采煤過程中裂隙帶是否會發(fā)育至含水層，使得含水層通過裂隙進入工作面，造成危害。

1) 根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》中的經(jīng)驗公式計算[7-8]，見式(1)和式(2)。

(1)

Hd=10M+10

(2)

式中：Hd為導水裂隙帶的發(fā)育高度，m；∑M為累計采厚，m。

通過式(1)和式(2)計算得到，4-2#煤層的導水裂隙帶高度為48.64～65.06 m和70.80 m。

2) 根據(jù)《煤礦床水文地質工程及環(huán)境地質勘查評價標準》(GB 12719—91)中的經(jīng)驗公式計算[9-10]，見式(2)和式(3)。

Hm=(3～4)M

(3)

(4)

式中：Hm為垮落帶發(fā)育高度，m；Hli為裂隙帶發(fā)育高度，m；M為采厚，m；N為煤層分層數(shù)。

3) 根據(jù)《煤礦防治水手冊》中軟弱覆巖綜放工作面導水裂隙帶經(jīng)驗公式計算[11]，垮落帶高度計算見式(5)，裂隙帶高度計算見式(6)。

(5)

(6)

式中：Hm為垮落帶發(fā)育高度，m；Hli為裂隙帶發(fā)育高度，m；M為采厚，m。

通過式(5)和式(6)計算得到，垮落帶的發(fā)育高度為23.74～33.26 m，裂隙帶的高度為62.07～76.05 m，因此導水裂隙帶的高度為85.81～109.31 m。

綜上所述，通過經(jīng)驗公式計算的導水裂隙帶范圍為48.64～115.05 m。為了礦井的安全開采，導水裂隙帶高度取預計結果的最大值115.05 m，計算得到裂采比約為18.92。對比地質資料，導水裂隙帶會發(fā)育到富水性弱的石英砂巖含水層，該層涌水量較小，對工作面造成危害的可能性較小。

由于各經(jīng)驗公式計算結果范圍較大，且經(jīng)驗公式計算只考慮了煤層厚度的影響因素，但煤層的厚度分布并不是均勻不變的，而且上覆巖層的巖性也會對導水裂隙帶的發(fā)育高度產生不同影響。因此，引入數(shù)值模擬研究方法，針對這一變量下導水裂隙帶發(fā)育高度進行更準確的深入研究。

3.3 數(shù)值模擬

為了進一步分析煤層采高對該地質條件下導水裂隙帶發(fā)育的影響，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對煤層采高為4.5 m、5.5 m和6.0 m時，工作面回采過程中上覆巖層破壞范圍進行模擬。數(shù)值模擬采用莫爾-庫倫(Mohr-Coulomb)本構模型，基于劉莊煤礦4301工作面的地質條件，建立數(shù)值模型，模型尺寸1 000 m×300 m×520 m(x×y×z)，模型四周和底座固定，頂部為自由邊界，工作面沿y軸方向推進，模型如圖5所示。

“為了求學，你即使在操場的杠子上摔死，在講堂上得腦充血昏死，都沒有什么。主要的你必須做一個人！你必須為三千萬亡國奴爭一口氣。你個人的光榮，就是這三千萬人的光榮！好好苦干吧！”

圖5 數(shù)值計算模型Fig.5 Numerical calculation model

圖6為4301工作面上覆巖層破壞高度。由圖6工作面塑性區(qū)分布可知，上覆巖層整體破壞形態(tài)呈不對稱“馬鞍”狀，工作面的不同采高會對塑性區(qū)的破壞高度形成不同的數(shù)值結果。當工作面采高為4.5 m時，上覆巖層最大破壞高度為96 m，為采高的21.33倍(圖6(a))；當工作面采高為5.5 m時，上覆巖層最大破壞高度為149 m，為采高的27.1倍(圖6(b))；采高增大至6.0 m時，上覆巖層破壞范圍大幅度向上擴展，最大破壞高度為186 m，為采高的31倍(圖6(c))。 結合圖6(a)和圖6(b)可知，采高為4.5～5.5 m時，導水裂隙帶的發(fā)育高度為96～149 m，上覆巖層破壞區(qū)域最大擴展至安定組泥巖隔水層，由于隔水層的密實作用，破壞范圍會產生橫向擴散的趨勢，當采高進一步增大至6 m時，上覆巖層破壞區(qū)域已擴展至宜君組含水層，含水層與工作面之間的滲流通道已導通，在該開采條件下工作面涌水量會增大，具有一定的安全隱患。

圖6 4301工作面上覆巖層破壞高度Fig.6 Failure height of overburden layer of 4301 working surface

4 含水層下安全開采方案研究

針對導水裂隙帶發(fā)育高度的計算結果，采高不同會對導水裂隙帶的高度造成不同的結果，其中，煤層的采高變?yōu)?.0 m時，覆巖導水裂隙帶發(fā)育高度增大至186 m，裂采比為30.5，直接貫通宜君組含水層，逼近白堊系下統(tǒng)洛河組含水層，會形成較大的威脅。為了保證劉莊煤礦4-2#煤層的安全開采，提出開采過程中的部分改進措施。

4.1 分段限高開采

4301大采高綜采工作面主要水害為洛河-宜君組含水層涌水及離層積水。因此，在實際開采過程中應嚴格控制采高，其主要原則為工作面回采過程中覆巖最大導水裂隙發(fā)育位置與離層之間的距離不宜小于安全保護層厚度，同時根據(jù)回采過程中工作面實際涌水量循序漸進調整采高。

根據(jù)4301工作面內煤層厚度及上覆巖層主要含水層、隔水層分布情況，可將工作面分段限高區(qū)域劃分：在工作面推進600～950 m范圍內工作面最大采高限制為5.5 m；在工作面推進至950 m以后采高逐步變?yōu)?.0 m，工作面推進至1 300 m以后采高逐步變?yōu)?.5 m。

4.2 均勻快速推進

當采高一定時，工作面推進速度與上覆巖層離層積水量具有一定關系，工作面推進速度越小，上覆巖層離層積水量越大，離層空間越容易被積水充滿，推進速度增大時，離層空間積水量將逐步減小。結合前期4301工作面推進速度實踐情況，工作面可保持均勻、快速推進，推進速度保持在6 m/d以上。

5 開采工程實踐

基于研究結果，對劉莊煤礦4303工作面進行回采，600 m處限制采高為5.5 m，推進速度為6～7 m/d，回采期間工作面最大涌水量為65.2 m3/h，平均涌水量為52.5 m3/h；推進至950 m后采高逐步變?yōu)?.0 m，日推進距離為6～7 m，期間工作面最大涌水量為48.4 m3/h，平均涌水量為50.6 m3/h；工作面推進至1 300 m后采高逐步變?yōu)?.5 m，推進速度為7～8 m/d，期間工作面最大涌水量為49.8 m3/h，平均涌水量為40.7 m3/h。

通過對4303工作面600～1 300 m回采期間推進速度、涌水量等數(shù)據(jù)采集分析可知，工作面采用分段限高開采、均勻快速推進開采方案，在回采期間未出現(xiàn)涌水量過大而停產撤人現(xiàn)象，實現(xiàn)了巨厚含水層下安全開采。

6 結 論

1) 基于現(xiàn)場地質資料，通過仰孔注水測漏法實驗測得不同采高導水裂隙帶高度不同，工作面裂采比范圍為27.9～31.6；采高為5.5 m以下時，上覆巖層宜君組砂礫巖含水層與安定組泥巖隔水層交界之間出現(xiàn)離層帶，采動過程中安定組泥巖彎曲下沉，使部分裂隙閉合密實，有利于隔水；當采高為6.0 m時，覆巖裂隙貫穿隔水層而發(fā)育至宜君-洛河組含水層，工作面涌水量增大。

2) 通過理論計算及數(shù)值模擬對該地質條件下的煤層開采進行計算模擬，得出采高為6.0 m時，導水裂隙帶高度最大，范圍為48.64～186 m；裂采比也為最高，范圍為8.1～30.0。因此，采高為6 m時對劉莊煤礦的安全生產威脅最大。

3) 基于計算結果提出考慮安全保護層分段限高、均勻快速推進的安全開采方案。實踐結果表明，采用該方案開采后工作面涌水量有效降低，實現(xiàn)了巨厚含水層下安全開采，對后續(xù)工作面的防治水工作的開展有指導作用。