孟巴礦厚松散含水層下協調保水開采模式

余學義，毛旭魏，郭文彬,3

(1.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054; 2.西安科技大學 教育部西部礦井開采與災害防治重點實驗室，陜西 西安 710054; 3.呼倫貝爾學院 礦業學院，內蒙古 呼倫貝爾 021008)

孟加拉國巴拉普庫利亞礦(以下簡稱“孟巴礦”)是我國承建、承包生產的礦井，也是目前孟加拉國惟一的煤礦。孟巴礦采礦地質條件特殊，礦井開采安全受水害[1-2]、沖擊礦壓[3]、采空區發火及地熱多種災害威脅。由于上覆巖層中隔水層分布較少甚至缺失，所以新近系Upper Dupi Tila(簡稱UDT)松散富含水層是威脅礦井安全生產的主要災害，因此尋求一種有效開采方法即能夠有效減輕水害威脅又能保護UDT富含水層不發生泄漏，對于孟巴礦安全經濟開采具有重要意義。

地下煤炭開采后引起的水資源破壞問題很早就引起了國內外學者的關注。在國外為了預防開采對水資源產生破壞提出了法律性措施:十五六世紀比利時為了防止開采導致水資源破壞，頒布了一項法令對破壞引起列日城用水含水層者處以死刑[4];19世紀70年代以來美國針對煤炭開采引起的水資源消耗等生態問題，實施了“國家地下水資源總評價”等工程，將地表水、地下水均考慮到煤炭開采影響因素中，并于1977年頒布了Surface mining control and reclamation Act,SMCRA[5-6]等。澳大利亞地區在距離水體400 m的層位采煤，仍要做出細致的研究，可見人們對水下開采越來越重視[7-8]。BOOTH C J等學者針對美國伊利斯諾州的長壁工作面開采進行研究，提出開采引起的地下水位下降的可恢復性[9-10]。隨著我國在水體下開采的資源越來越多，我國學者針對水下開采也進行了系統研究。保水開采理念最早在1992年由范立民提出的[11]，隨后1995—1998年煤田地質總局、陜西煤田地質局185隊、中煤水文地質局和中國礦業大學等單位聯合針對陜北境內侏羅紀煤田開采進行研究首次使用“保水開采”一詞，并為后續研究奠定了一定的理論基礎[12]。2003年陜西煤田地質局在上述理論基礎上進行了進一步細致的研究，提出了保水開采的條件和相應的措施。同年，錢鳴高院士提出了煤礦綠色開采理念，保水開采屬于綠色開采中重要的一項研究[13-14]。自提出保水開采以來，范立民[15-16]、王雙明[17]、黃慶享[18-20]等國內專家針對保水開采進行了系統研究，提出保水開采分區原則，給出理論依據及相應開采方法，形成了一套完整的成熟的保水開采理論體系。

由于孟巴礦的特殊地質條件，地層中的含水層較多，是礦井安全生產研究的主要對象，UDT含水層厚，含水量豐富且分布較廣，如果導水裂縫帶波及到UDT含水層，將會導致淹井災害發生，所以并不能以傳統意義的水體下開采進行研究，針對孟巴礦特殊地質條件提出上保下疏協調開采模式，即采用合適的開采工作面布置方式，達到含煤地層中的水能夠被逐步疏放，保護UDT含水層底板的LDT隔水層的完整性和隔水性能，保證UDT水體不泄漏。

1 保水開采地質條件

孟巴井田揭露地層中缺失了中生代的全部地層，使新生代地層直接覆蓋在古生代的含煤地層之上，井田地層由下至上依次為古生界的寒武系復合基底、石炭—二疊系含煤地層Gondwana組以及新生界的古近系Lower Dupi Tila(簡稱LDT)組、新近系UDT組、第四系Madhupur(莫圖布爾)黏土組，見表1。主采Ⅵ煤層，賦存穩定，厚度在29.00～41.52 m，平均36.14 m，屬穩定特厚煤層，煤層傾角5°～30°。含煤地層巖性主要以粉砂巖、中粒砂巖、粗砂巖、含粒粗砂巖為主，夾薄層泥巖、炭質泥巖。Ⅵ煤的偽頂巖性為炭質泥巖、泥巖，厚度為0.11～2.20 m，屬穩定性較差的巖層;頂板是巨厚砂巖，單軸抗壓強度為46 MPa，屬于中硬巖層，中等～易冒落頂板[2]。

表1 孟巴礦井田地層簡表Table 1 Field layer profiles of Barapukuria mine

孟巴礦礦井地層是典型的岡瓦納地層結構，對煤炭開采具有一定的特殊性，巖層整體因成巖作用差呈現巖性強度較低、孔隙率較大、含水率較高、缺失中生代地質沉積痕跡、在煤系地層中無隔水層的特征[21-22]。孟巴礦所處的岡瓦納地層地質采礦條件具有“三厚”特征，即地表10 m土層下具有110 m左右厚度的松散砂巖富含水層，滲透系數為0.505～40.160 m/d;煤層頂板直接賦存120 m的砂巖，具有巖層分層性差、整體性強的特征，滲透系數為0.005～0.938 m/d;厚煤層，開采煤層Ⅵ煤平均厚36 m。煤系地層中有效的隔水層缺失，僅在UDT富含水層底板存在LDT隔水層，在北部厚度0～30 m，可有效隔斷UDT富含水層水對煤系砂巖的補給，LDT等厚線如圖1所示。

圖1 LDT等厚線圖Fig.1 LDT contour map

根據開采煤層上覆巖層特征分析，礦井含水層可分為UDT富含水層和開采煤層至LDT隔水層兩個含水層組，由于礦井階段排水系統的排水能力有限，在厚煤層分層開采中宜通過分層開采分次疏放含煤地層中含水層的水，并同時保護UDT富含水層不產生下泄，才能保證礦井生產的安全。Ⅵ煤頂板為120 m厚的砂巖層，其分層性差、整體性強，加之近地表110 m厚的松散砂層的加載作用，開采礦壓顯現明顯，沖擊礦壓顯現較強。

2 上保下疏開采原理

孟巴礦的特殊地層決定了威脅礦井安全開采災害的多樣性和復雜性，首先是新近系UDT砂巖其具有厚度大、巖層松散(無法提取巖芯)富含水性，滲透系數達0.505～40.16 m/d，岡瓦納含煤地層滲透系數0.002 5～0.938 m/d，礦井開采水害防治是礦井安全生產必須解決的主要問題;其次是由于開采煤層頂板為分層性較差，厚度達120 m的砂巖，在UDT松散砂巖重力加載作用下，形成了較強的采場沖擊礦壓威脅。綜合礦井開采防水、防沖這兩種主要災害的特征，分析礦井地層結構特征，在開采過程中通過分層限高，限制分層開采覆巖破壞高度，降低覆巖應力集中，實現含煤地層水的逐步疏放、覆巖分段破壞釋放集中礦壓和分層協調布置開采降低LDT隔水層變形損傷程度，防止UDT富含水層擊穿LDT隔水層[23]，實現UDT水體下的上保下疏開采模式。

礦井開采中既要確保LDT隔水層的有效隔水性能，保護UDT含水層的水不發生下泄，同時因礦井排水系統的排水能力較小，含煤地層中的水體要通過控制分層覆巖破壞高度實現逐漸疏放。

3 上保下疏水害防治模式

水體下開采主要研究采動覆巖導水裂縫帶與水體賦存的位置關系，根據孟巴礦開采煤層覆巖含水層的富水性，導水裂縫帶溝通多個基巖含水層可能造成淹井事故，在這種條件下，采用工作面協調布置減損開采技術，可以為礦井安全、高產、穩產提供保障，同時對水體的保護和水體下煤炭資源的開發，具有重要的借鑒作用和參考價值。孟巴礦開采煤層頂板至LDT隔水層底板為200余米厚的岡瓦納地層，按照地層巖性、富水性和巖層結構可將開采煤層覆巖劃分為3組含水層組，如圖2所示。Ⅵ煤至Ⅴ煤為含水層1，Ⅴ煤頂板至LDT底板為含水層2，UDT含水層為含水層3。

圖2 含水層劃分示意Fig.2 Aquifer division diagram

綜合礦井水體的賦存特征，巖層含(隔)水性，導水裂縫帶的發育規律，確定孟巴礦特厚煤層分層協調減損開采水害防治模式為:通過控制分層開采高度，實現覆巖水體的上保下疏、基巖水體分步疏排，分層工作面限高協調錯距布置、間歇開采，避免LDT隔水層拉應力區疊加破壞，降低LDT隔水層的損傷程度，以保證UDT含水層不擊穿LDT隔水層，實現LDT水體下的安全開采[24-25]。具體方法為:一分層開采厚度控制在Ⅵ煤頂板120 m厚的砂巖的關鍵層結構穩定的基礎上，能夠有效控制一分層開采覆巖破壞高度，實現一分層開采主要疏放含水層1;二分層開采控制覆巖導水裂縫帶高度在LDT隔水層以下，實現二分層開采主要疏放含水層2。即通過分層限高開采，保證導水裂縫帶不波及LDT隔水層;通過協調錯距開采，減輕LDT隔水層完整性和變性破壞程度，而達到保護UDT強含水層不下泄。

4 含水層上保下疏開采方法

4.1 基巖含水層1,2分期疏放方法

4.1.1 一分層工作面開采寬度、厚度確定

要實現一分層開采主要疏放含水層1的目標，必須控制一分層開采后關鍵層的結構穩定，Ⅵ煤頂板巖層結構如圖3所示。

圖3 Ⅵ煤頂板結構柱狀Fig.3 VI coal roof structure histogram

根據現場探測和模擬實驗結果，在孟巴礦開采條件下，一分層開采裂采比為25，二分層開采累計采厚裂采比為23，取保護層厚度為分層開采厚度的5倍，線性回歸得出孟巴礦分層開采覆巖導水裂縫帶發育高度預計計算公式:

H=(n+27)∑M-15n2

(1)

式中，n為分層層數;∑M為累計開采高度，m。

根據式(1)計算一分層開采后覆巖導水裂縫帶高度為69 m，結構關鍵層距煤層頂板72 m未受到導水裂縫帶的破壞。此時的結構關鍵層處于彎曲下沉狀態，根據岡瓦納地層的特殊條件，將從力學特征上簡化為:松散UDT含水層為主要加載層;煤系地層對載荷起傳遞作用;結構關鍵層為主要承載層，其穩定性可以通過初始后屈曲理論進行解析，即關鍵層從原始狀態發生彎曲達到后曲屈狀態產生的位能增量[22]可表示為

P=Wx+Wy

(2)

式中，P為關鍵層產生的總位能增量;Wx為載荷巖層沿傾斜方向的位能增量;Wy為載荷巖層沿垂直方向的位能增量。

撓曲變形函數通過弧長的傅里葉級數展開后取一階為

(3)

式中，y為最大撓度，m;s為弧長，m;l為結構跨度，m。

通過材料力學可知結構的應變能表達式為

(4)

結合式(3)和式(4)可得出均布載荷q做功即載荷沿垂直方向的位能為

式中，α為巖層傾角，(°);q為上覆巖層施加的載荷，N/m。

載荷巖層沿傾斜方向的位能為

(6)

將式(5)和式(6)代入式(2)中進行無量綱化，再進行泰勒公式(1+x)m型展開，利用駐值定理得出結構關鍵層穩定的充分必要條件為

(7)

式中結構關鍵層的抗彎剛度D可由下式計算:

(8)

“我家種了近3畝的西紅柿大棚，過去，施肥方式比較隨意，對于改良土壤沒有深刻的體會，看著家里的地越來越硬，西紅柿賣相不好，我很著急。今年年初，開始使用‘親土1號’土壤改良產品之后，效果特別明顯，植株根系發達，莖稈粗壯，葉片葉變得濃綠厚實，結的果子又大又亮，最關鍵的是，我家的土變得松軟了，保水性也變強了。”來自武威市涼州區羊下壩鎮七溝村的西紅柿種植戶盧文高興地跟與會菜農交流著。

結構關鍵層上部厚度17.4 m(h1)的細砂巖彈性模量為4 695 MPa(E1)，下部厚度15.2 m(h2)的中砂巖彈性模量為4 482 MPa(E2)，結構關鍵層承載的覆巖容重已求得近似為5 120 kN/m3，代入式(7)和式(8)中計算得到結構關鍵層的極限破壞長度為178.05 m，結合鉆孔探測得到覆巖裂隙角為79°。

同理，以式(1)來限定工作面采高，以式(6)和式(7)來限定工作面采寬，考慮到一分層大面積開采，選取小于臨界狀態的采寬與采高，分析確定一分層工作面寬度不超過150 m，開采高度3 m時，覆巖關鍵層結構是穩定的，能夠有效抑制導水裂縫帶向上發展，可以實現主要疏放Ⅵ煤頂板砂巖含水層水體的目的。

4.1.2 二分層限高保水開采

孟巴礦二分層開采后結構關鍵層發生破壞，對上覆巖層無法起到承載作用，此時覆巖破壞發育高度完全依賴于巖體的殘余碎脹系數，所以對于導水裂縫帶高度的控制尤為重要。根據式(1)計算，二分層除了1204，1203工作面采用分層綜采(采高3.0 m)外，其余工作面均采用分層綜合機械化放頂煤開采方法開采，采放厚度在5～8 m。通過地表探測孔:1204工作面17號探測孔、1210工作面16號探測孔、1214工作面25號探測孔，應用鉆孔鉆液漏失量探測方法，配合鉆孔電視成像方法，結合實驗模擬方法研究，二分層開采后導水裂縫帶最大高度在LDT底板以下15～25 m，通過二分層限高開采方法，既控制了二分層導水裂縫帶發育高度，同時實現了基巖含水層的有效疏放和UDT含水層有效保護的上保下疏礦井安全開采模式。

4.2 二分層錯距協調布置減損開采

協調開采技術是基于協調理論的礦井開采部署、開采順序和開采參數在空間和時間方面的科學有效銜接和管理，通過科學規劃開采布局和開采順序，選擇合理開采參數，降低覆巖應力的疊加效應，減輕采動覆巖的破壞程度，避免災害發生或減輕災害強度的開采技術[26]。

4.2.1 分層錯距布置減損原理

根據工作面協調減損開采原理，在二分層開采工作面與一分層開采邊界外錯距布置，使二分層回采巷道位于一分層采空區下并應用綜放方法開采，這種工作面布置方式開采，有效破壞一分層采空區的區段煤柱，實現覆巖整體下沉，降低了覆巖導水裂縫帶發育高度，加速了導水裂縫通道的閉合，保證了隔水層的穩定性。邊界錯距布置開采防止隔水層拉伸應力疊加產生下行裂隙在承壓水體作用下被擊穿。

根據概率積分法分析巖層內部應力和水平變形，如圖4所示，右側是未進行錯距布置的工作面，煤柱上方的應力集中疊加，LDT隔水層上的水平變形拉伸區拉伸變形疊加，增加了LDT產生拉伸破壞的不穩定性;左側是進行錯距開采布置的工作面，上分層開采后產生的變形與下分層開采后產生的變形避免疊加，且一分層開采后在LDT隔水層上產生的壓縮水平變形ε1與二分層開采后產生的拉伸變形ε2相互抵消，使得LDT平緩下沉。合理的錯距可按下式計算:

(9)

式中,L為合理錯距，m;r1，r2分別為一、二分層開采對應在LDT隔水層位置的主要影響半徑，m;H1,H2分別為一、二分層與LDT隔水層的距離，m;tanβ為主要影響角正切。

圖4 分層錯距與對齊開采LDT水平變形疊加Fig.4 Stratified offset and alignment mining LDT horizontal deformation overlay

一分層開采煤層頂板距LDT隔水層220 m，二分層開采煤層頂板距LDT隔水層230 m，取tanβ=2.2，由式(3)計算出一、二分層開采分層錯距約為82 m。

4.2.2 分層錯距布置間歇開采

根據一、二分層開采各分層頂板至LDT隔水層的垂距，由式(9)計算出二分層工作面與對應一分層工作面的錯距布置距離，如圖5所示。二分層工作面按1204,1203,1214,1206,1205依次順序進行開采。這種工作面布置方法:① 避免分層工作面在邊界位置水平變形疊加，減輕LDT隔水層拉伸變形破壞，達到防水目的;② 二分層開采后通過頂煤放煤量控制，達到完全釋放一分層煤柱應力，即不但增加了頂煤回收量，而且使得覆巖在UDT松散層的加載作用下，整體快速下沉。

圖5 分層工作面錯距布置方法示意Fig.5 Schematic diagram of the layout method of layered working face error

5 應用效果

一分層共開采了13個工作面，分層開采高度均為3.0 m，二分層共開采了9個工作面，其中1203,1204工作面采用分層綜采，開采高度3.0 m，其余工作面均采用綜放方式開采，采放高度4.5～8.0 m。礦井生產各個工作面回采期間涌水量如圖6所示，淺部1101,1203工作面開采期間涌水量超出500 m3/h，1205工作面受構造影響涌水量達到900 m3/h，其余工作面開采期間涌水量均在500 m3/h以下范圍，實現了在礦井排水能力限制條件下的水體下安全開采。同時工作面協調錯距布置間歇開采，與一分層開采相比二分層開采礦山壓力顯現明顯降低，沖擊礦壓強度降低，由于二分層開采有效地破壞了一分層采空區煤柱，實現了覆巖快速整體沉降，密實了采空區，也降低了采空區發火的危險性。

為了實時監測開采過程中UDT水位變化，專門于井田內布置了觀測孔群(分別命名為：P11/2,P11/3,SOB11/2,SOB11/3,SOB11/4,SHOB11/2,SHOB6)，2017年11月至2018年11月近1 a的水位觀測變化數據如圖7所示，由于存在LDT天窗區，UDT水位變化規律與當地降雨密切相關，雨季水位上升，旱季水位下降，但UDT整體水位變化幅度穩定保持在一定范圍內，未出現持續下降現象，表明UDT含水層并未與導水裂縫帶貫通建立水力通道。

圖6 各個工作面回采期間涌水量Fig.6 Water inrush during each mining face

圖7 UDT含水層水位變化Fig.7 Water-level fluctuation of UDT aquifer

1214工作面采空區范圍內一分層平均采厚3 m，二分層平均采厚為7 m，是整個開采區域中累計采厚最大的地方，所以在二分層回采結束后于1214工作面采空區實施地面鉆孔探測2個分層開采結束后導水裂縫帶發育高度，可以有效說明2個分層開采后覆巖裂隙發育情況。鉆孔實施共372.86 m，在137.07～173.61 m段進行了抽水實驗，實驗結果顯示該段即LDT隔水層段滲透系數為0.028 95 m/d，具有良好的隔水性，說明2個分層協調開采結束后LDT隔水層未發生大變形破壞，且具有良好的隔水性。涌水量未超過煤系地層含水層上限涌水量、UDT水位變化情況和最大采高處LDT的完整性3個方面表明上保下疏水體下開采模式有效防止了UDT含水層中的水進入井下。

6 結 論

(1)孟巴礦具有特殊的岡瓦納地層結構，地質采礦條件具有“三厚”特征:松散砂巖富含水層厚、煤層頂板厚、煤層厚，這種結構決定了礦井水害防治和防沖是礦井安全開采中需要解決的關鍵問題。

(2)依據地層巖性、富水性、巖層結構和礦井階段排水能力將孟巴礦覆巖含水層劃分為3組含水層，應用理論方法給出了厚煤層分層工作面寬度和分層開采高度，達到了逐步疏放了含煤地層水體的目的。

(3)提出了上保下疏開采模式，定義了協調減損開采科學涵義，通過理論計算結合工程探測數據，分析確定了限高協調分層錯距開采方法及其參數，將上保下疏水害防治模式成功地應用于孟巴礦UDT強含水層下厚煤層分層開采中。