大平煤礦地表水體下采煤工程實踐

連躍東

(山西大平煤業(yè)有限公司，山西 長治 046200)

據(jù)統(tǒng)計，我國僅國有煤礦各類水體下壓覆資源量超過100億t，建國后相關(guān)技術(shù)人員就開始了水體下壓覆煤炭資源解放技術(shù)研究和工程實踐，諸如淮河、資江、樂安江、南桐水庫等大型地表水體下進行了安全開采[1]，主要涉及到薄煤層普采、中厚煤層及厚煤層分層普采和綜采等開采工藝[2]。90年代后期綜放開采工藝開始普及，其對工作面地質(zhì)條件具有良好的適應(yīng)性，水體下厚煤層綜放開采進行了大量的研究和工程實踐[3-8]。文獻[9-10]介紹了水庫以及涇河下特厚煤層開采實踐經(jīng)驗。文獻[11]是我國水體下采煤實施的主要技術(shù)規(guī)范，對于水體下合理安全開采具有重要的指導意義。

水體下采煤不僅涉及到煤炭資源的合理解放，更重要的是關(guān)乎整個礦井的安全生產(chǎn)，必須慎之又慎，但同時不能“談水色變”，大量的水體下開采工程實踐表明，在充分掌握水文地質(zhì)條件和覆巖導水裂縫帶發(fā)育規(guī)律的基礎(chǔ)上，采用合理的開采技術(shù)方案，可以實現(xiàn)水體下安全開采，同時效益可觀。大平煤礦濁漳河過境井田北部區(qū)域，河流壓覆煤炭資源嚴重，河流存在導致河灣階地潛水位較高。該礦在實測獲得本井田厚煤層綜放開采導水裂縫帶發(fā)育高度基礎(chǔ)上，指導實施了水體下開采工程，保證了安全生產(chǎn)的同時取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟效益。

1 地質(zhì)采礦條件

大平煤礦地處山西省襄垣縣，區(qū)塊位于沁水煤田東南部，核定生產(chǎn)能力為120萬t/a。主采二疊系下統(tǒng)3#煤層，緩傾斜，平均厚度約6.0 m，煤系地層為石炭二疊系含煤地層，頂板覆巖主要以各類中粗細砂巖、泥巖和砂泥巖互層沉積。開采工藝為綜采放頂煤，頂板自然垮落，機采高度約3 m，割放比為1:1。濁漳河流經(jīng)井田中部，河床最低標高約+883 m，基巖直接出露，水面寬度約6～10 m，水深0.5～1.5 m，流量約0.5～2 m3/s。雨季雨量充沛加上上游后灣水庫放水，河水水位將暴漲1～2 m，河床階地潛水位高，一般位于地表下2 m深度。3#煤層底板標高約+560～+600 m，頂板主要含水層為K8(頂板上約30 m)以及K10(頂板上約96 m)砂巖含水層，富水性中等。

2 厚煤層綜放裂縫帶發(fā)育高度

2.1 現(xiàn)場實測

煤層不同開采工藝條件下裂縫帶發(fā)育規(guī)律對于制定水體下采煤技術(shù)方案具有重要指導意義。大平煤礦之前一直采用綜采放頂煤開采工藝，高產(chǎn)高效。為了評價大平礦水體下綜放開采可行性，該礦實施了綜放工作面導水裂縫帶發(fā)育高度地面鉆孔勘探工程，監(jiān)測鉆進過程中沖洗液消耗量、孔內(nèi)水位、注水消耗等和異常鉆探現(xiàn)象，掌握水文參數(shù)隨孔深不斷向煤層采空區(qū)接近變化情況，確定不同層位巖層破壞和裂隙發(fā)育情況。大平煤礦3118工作面典型地表鉆孔水文觀測曲線如圖1所示。通常以各參數(shù)突變位置確定裂縫帶高度。兩個鉆孔觀測數(shù)據(jù)綜合分析成果如表1所示。

圖1 1#鉆孔水文參數(shù)與鉆進深度關(guān)系圖

表1 大平礦裂縫帶高度觀測成果表

由表1可知，大平煤礦綜放導水裂縫帶發(fā)育高度為頂板以上105.53～112.62 m，裂隙帶高度與采高比為19.18～19.42。同時對裂縫帶頂界面以上巖層取樣進行巖石力學試驗，結(jié)果顯示巖層軟化系數(shù)為0.29～0.85，巖層易遇水軟化膨脹，能限制裂縫帶向上發(fā)育，增強巖層阻隔水性能。

2.2 數(shù)值模擬

采用巖層破斷過程分析系統(tǒng)RFPA，可以直觀模擬巖層隨工作面推進垮落破斷全過程。根據(jù)大平煤礦綜放工作面開采技術(shù)條件建立模型，綜采放頂煤一次采全高工作面上覆巖層運動破壞規(guī)律的模擬如圖2所示。

圖2 工作面覆巖破壞動態(tài)過程

由圖2可知，覆巖垮落破壞隨著工作面從切眼向前推進、不斷向上位巖層發(fā)展，裂縫帶高度發(fā)育到某一巖層層位便趨于穩(wěn)定，當工作面繼續(xù)向前推進時，頂板破斷裂隙呈現(xiàn)出周期運動的特征。經(jīng)過對大平煤礦特定開采技術(shù)條件下工作面覆巖破斷發(fā)育過程模擬得出，綜放有效累計采高6 m時導水裂縫帶將發(fā)育至頂板之上約120 m。

綜合綜放開采導水裂縫帶發(fā)育高度現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬結(jié)果，可以得到大平煤礦綜放開采裂縫帶高度計算公式如式(1)所示。

Hli=20M

(1)

式中，M為綜放采高。

式(1)可以作為大平煤礦地表河流水體下采煤防水安全煤巖柱的留設(shè)依據(jù)。

3 河道及河床階地下采煤工程實踐

濁漳河屬于文獻[11]中Ⅰ類采動等級的水體，不允許導水裂縫帶波及，需要留設(shè)防水安全煤巖柱。河床基巖直接出露，防水安全煤巖柱應(yīng)考慮基巖風化帶厚度，即Hsh≥Hli+Hf+Hb，式中Hsh為防水煤巖柱，Hli為導水裂縫帶最大高度，Hf為風化帶厚度，Hb為保護層厚度。根據(jù)式(1)，濁漳河下3#厚煤層綜放開采導水裂縫帶最大發(fā)育高度約為Hli=20M=120 m。根據(jù)地質(zhì)勘探資料，強風化帶厚度取30 m，其保護層厚度取5倍采厚，即Hb=5M=30 m。因此濁漳河下正常安全開采所需防水安全煤巖柱尺寸Hsh≥180 m，河床最低標高為+883 m，因此河道及河床階地下開采上限為+703 m。濁漳河下最高標高為+600 m，遠低于河床下開采上限標高，導水裂縫帶不會波及到地表水體。

濁漳河區(qū)域開采情況如圖3所示，開采區(qū)域位于F2正斷層上盤，落差為35 m，整個地層向西傾斜。開采過程中采取了如下安全技術(shù)措施：(1)加強對隱伏構(gòu)造超前勘探和防治；(2)加強井下涌水量監(jiān)測；(3)完善井下疏排水系統(tǒng)，加大工作面排水能力配備。

圖3 濁漳河河床階地區(qū)域開采情況

由于開采區(qū)域為河灣沉積地，地表潛水位較高，綜放開采地表沉陷較大，兩個工作面塌陷區(qū)均出現(xiàn)大面積積水盆地，積水深度0～3.6 m，平均積水深度達到2 m，積水量總計約3萬m3。積水區(qū)如圖4所示。

圖4 工作面采后地表淹沒衛(wèi)片與積水情況

開采過程中進行了包括井下工作面涌水量、地表塌陷積水區(qū)水位等觀測，并對比分析了地表積水和工作面涌水水質(zhì)。兩個工作面開采過程中涌水量均比較小，約3～8 m3/h，未出現(xiàn)涌水異常增大現(xiàn)象和滯后突水情況，地表積水區(qū)未發(fā)現(xiàn)漏失，實現(xiàn)了地面水體下的安全開采。

4 結(jié) 論

(1)采用現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬手段確定了大平煤礦特定條件下厚煤層綜放開采導水裂縫帶發(fā)育規(guī)律，為地表水體下采煤提供了科學依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

(2)通過綜合分析和采取完善的水害防治措施，大平煤礦實現(xiàn)了水體下厚煤層綜放高強度開采，具有很好的技術(shù)經(jīng)濟效益，有效地解放了礦井水體下壓覆煤炭資源。