下霍煤礦水體下安全開采可行性研究

孫殿宇

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)潞安煤炭事業(yè)部，山西 長(zhǎng)治 047500）

0 引 言

煤礦淺部開采會(huì)受地表水體影響，地表河流若通過(guò)裂隙帶與井下采掘工作面存在水力聯(lián)系，則會(huì)給礦井安全生產(chǎn)造成威脅。下霍煤礦二采區(qū)綜采工作面位于田良河及其支流下方，礦井開采煤層厚度大、開采強(qiáng)度高、覆巖破壞劇烈，田良河及其支流以及第四系松散含水層水體的存在，一定程度上對(duì)煤層開采造成充水威脅，因此生產(chǎn)過(guò)程中，必須查明地表水體對(duì)工作面是否有水患威脅。

1 礦井地質(zhì)概況及充水因素分析

1.1 礦井概況

下霍煤礦位于長(zhǎng)子縣東南部，井田面積約為40.812 3 km2，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為2.40 Mt/a，全井田采用單水平開拓，采用綜合機(jī)械化一次采全高，全部垮落法管理頂板。

礦井目前開采3 號(hào)煤層，3 號(hào)煤層賦存于山西組下部，煤層厚度為3.68 ～6.75 m，平均為5.21 m。頂板一般為砂質(zhì)泥巖、泥巖或粉砂巖；底板為泥巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖，局部為細(xì)粒砂巖。煤層厚度穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，全區(qū)可采，井田地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單。

1.2 礦井充水因素分析

礦井在正常條件下開采3 號(hào)煤層，充水水源主要為煤層頂板砂巖裂隙含水層，充水通道為采動(dòng)裂隙及構(gòu)造破碎帶，因都屬弱含水層，充水量有限，正常情況下對(duì)礦井生產(chǎn)影響不大。礦井全區(qū)奧灰水帶壓開采，但3 號(hào)煤層底板隔水層厚度116.27～144.80 m，突水系數(shù)0.026 MPa/m，正常情況下發(fā)生突水的可能性小，但在地質(zhì)構(gòu)造破壞區(qū)，特別是在導(dǎo)水陷落柱或斷層附近，仍有產(chǎn)生異常突水可能性。

2 田良河概況

下霍井田位于奧灰辛安泉域南部長(zhǎng)治盆地水文地質(zhì)單元內(nèi)，區(qū)域地表水屬海河流域漳河水系，漳河分清漳河和濁漳河兩支。流經(jīng)下霍井田的田良河為濁漳河南源的支流，發(fā)源于丹朱嶺北麓，全長(zhǎng)18 km。目前田良河主干流流經(jīng)下霍煤礦2306、2307 和2308 工作面，河床寬度10～20 m，最大水深1.2 m。田良河流量穩(wěn)定在2 500 ~ 4 500 m3/h，水流量較小，受大氣降水影響，隨季節(jié)變化較大，歷史最高洪水位為+926.70 m，下游最低，侵蝕基準(zhǔn)面為+919.30 m。地表田良河周邊多為耕地，河床基底為砂礫石，地表無(wú)基巖出露。

礦井生產(chǎn)過(guò)程中，降水量與礦井涌水量無(wú)相關(guān)關(guān)系，降水量增減情況，礦井涌水量相對(duì)穩(wěn)定。

3 綜放開采覆巖破壞及導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律

為分析下霍煤礦工作面在地面田良河下安全開采的可行性，對(duì)該礦區(qū)3 號(hào)煤層頂板上覆巖層形成的“三帶”發(fā)育高度（主要為垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶） 進(jìn)行研究。將3 號(hào)煤層開采頂板覆巖“三帶”觀測(cè)布置在2303 工作面，采用電阻率測(cè)試法進(jìn)行觀測(cè)。通過(guò)在工作面布置觀測(cè)鉆孔，采用高密度電阻率法觀測(cè)不同位置不同標(biāo)高的電位變化情況，通過(guò)反演技術(shù)得出鉆孔控制區(qū)域的電性特征分布情況，得出客觀的“三帶”高度發(fā)育規(guī)律。

3.1 觀測(cè)鉆孔布置及參數(shù)

（1） 測(cè)試地點(diǎn)選取。

根據(jù)2303 工作面頂板覆巖破壞特征及工作面構(gòu)造發(fā)育情況，選擇煤層厚度穩(wěn)定、產(chǎn)狀變化小的區(qū)域，綜合分析將觀測(cè)鉆孔布置在2303 工作面回風(fēng)順槽，觀測(cè)鉆孔開孔位置位于X22Y2 導(dǎo)線點(diǎn)前27 m 處。

（2） 鉆孔參數(shù)。

工作面平均煤厚為4.9 m，按采高4.9 m 計(jì)算，根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》，結(jié)合本工作面煤層頂板巖性，預(yù)計(jì)垮落帶最大高度約20 m（3～4 倍采高），最大裂隙帶理論高度約71 m 和76 m累計(jì)采高），因此設(shè)計(jì)觀測(cè)鉆孔的終孔距煤層頂板最大垂高為90 m。依據(jù)施工條件，確定孔徑94 mm，鉆孔仰角60°，孔深124 m。

3.2 鉆孔電極系統(tǒng)參數(shù)

實(shí)際施工的鉆孔觀測(cè)系統(tǒng)以監(jiān)測(cè)孔開孔位置為坐標(biāo)原點(diǎn)（0，0，0），垂直巷道指向頂板上方為Z軸正向，沿鉆孔測(cè)線在2303 回風(fēng)順槽投影指向切眼方向?yàn)閄 橫正向。觀測(cè)鉆孔內(nèi)共安裝58 個(gè)電極，電極距2.2 m，孔頂為1 號(hào)電極。

3.3 “三帶”高度實(shí)測(cè)

2021 年6 月29 日進(jìn)行了背景值的采集，自6月29 日開始進(jìn)行“三帶”觀測(cè)孔動(dòng)態(tài)觀測(cè)，至2021 年9 月11 日采集完最后一組數(shù)據(jù)，當(dāng)日工作面回采到距離鉆孔孔口30 m 位置（到達(dá)停采線位置），現(xiàn)場(chǎng)共采集有效電法數(shù)據(jù)11 組。

對(duì)于采集的數(shù)據(jù)首先采用儀器配套軟件系統(tǒng)進(jìn)行解編，再利用電法處理系統(tǒng)進(jìn)行電阻率反演。根據(jù)三維電阻率數(shù)據(jù)體進(jìn)行鉆孔與巷道所在剖面切片，通過(guò)切片的對(duì)比進(jìn)行頂板覆巖破壞發(fā)育特征分析。

選取有變化規(guī)律的圖像剖面進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)煤層開采時(shí)，頂板巖層受采動(dòng)影響導(dǎo)致巖層變形與破壞，巖層變形與破壞程度越大反映出的電阻率值越高，從而根據(jù)電阻率值的高低進(jìn)行頂板巖層變形與破壞的規(guī)律解釋，如圖1～圖5 所示。

圖1 探測(cè)電阻率背景值圖Fig.1 Background value of detection resistivity

圖1中，回采工作面距監(jiān)測(cè)孔終孔投影位置216 m，以當(dāng)日測(cè)得的視電阻率值作為背景值，為后續(xù)探測(cè)剖面對(duì)比提供基礎(chǔ)。總體上，孔內(nèi)觀測(cè)區(qū)域巖層電阻率值在380 Ω·m 以下，為正常砂巖層的電阻率。

圖2 工作面距觀測(cè)孔84 m 電阻率結(jié)果Fig.2 Resistivity result with distance 84 m from working face to observation hole

圖3 工作面距觀測(cè)孔60 m 電阻率結(jié)果Fig.3 Resistivity result with distance 60 m from working face to observation hole

圖4 工作面距觀測(cè)孔40 m 電阻率結(jié)果Fig.4 Resistivity result with distance 40 m from working face to observation hole

圖2表明，工作面切眼距觀測(cè)孔口距離84 m，水平方向20 m 位置處電阻率值逐漸增大，表明該區(qū)域受超前支承應(yīng)力應(yīng)力影響，最大影響距離64 m，隨著工作面的不斷推進(jìn)，超前影響區(qū)域的電阻率繼續(xù)升高，表明裂隙繼續(xù)發(fā)育。

圖3表明，隨著工作面回采位置推進(jìn)高阻區(qū)范圍和電阻率值逐漸增大，表明受采動(dòng)影響，頂板上方巖體破壞明顯。測(cè)線下部高阻區(qū)變得不均勻，表明受應(yīng)力作用巖體結(jié)構(gòu)破壞的同時(shí)，也導(dǎo)致其它水文地質(zhì)條件的變化。

圖5 工作面過(guò)孔口30 m 探測(cè)電阻率結(jié)果Fig.5 Detection resistivity result with distance 30 m from working face to observation hole

圖4表明，工作面切眼距孔口距離40 m 時(shí)，整個(gè)觀測(cè)剖面主要為高電阻率值分布，電阻率值顯著升高到600 Ω·m 以上，電阻率值呈現(xiàn)明顯的分帶現(xiàn)象。且在剖面下部高阻區(qū)比較集中，表明在老空區(qū)形成一定步距后，應(yīng)力集中破壞程度高，頂板近煤層巖體冒落，垮落帶發(fā)育充分，頂部巖體位移量較大，裂隙區(qū)進(jìn)一步發(fā)育。

圖5表明，工作面推過(guò)鉆孔30 m 后，高電阻率值分布廣，表明該觀測(cè)范圍內(nèi)頂板巖層破壞嚴(yán)重，為垮落帶；巷道頂板垂高20～70 m，電阻率值變化大、分布不均勻，為裂隙帶發(fā)育的反映；垂高70 m 以上，電阻率值相對(duì)最低，分布均勻，對(duì)比背景值，可得出無(wú)較大變化。

綜合分析電阻率值變化特征，判斷垮落帶高度為工作面頂板上方0～20 m，導(dǎo)水裂隙帶高度為工作面頂板上方20～70 m，彎曲下沉帶為工作面頂板上方70 m 至地表，垮高/采厚比為4.08，裂高/采厚比為14.28。

4 綜放防水煤巖柱尺寸與開采可行性

4.1 防水安全煤巖柱

本區(qū)新生界松散含水層厚度28～126 m，富水性弱—中等，基巖風(fēng)化帶發(fā)育較深，一般為60 m，富水性弱，屬于典型的復(fù)合水體下采煤。根據(jù)“三下”采煤規(guī)范相關(guān)規(guī)定，水體下開采留設(shè)防水煤巖柱時(shí)應(yīng)考慮基巖風(fēng)化帶深度，不允許導(dǎo)水裂縫帶波及復(fù)合水體。

防水安全煤巖柱垂高按下式計(jì)算：

式中：Hsh為防水安全煤巖柱垂高，m；Hli為導(dǎo)水裂縫帶高度，m；Hb為保護(hù)層厚度，m；Hfe為基巖風(fēng)化帶深度，取60 m。

根據(jù)上文實(shí)測(cè)成果，在正常地質(zhì)條件下綜采工作面的垮落帶高度為20 m，導(dǎo)水裂隙帶高度為70 m，3 號(hào)煤層平均厚度5.15 m，采厚取5.5 m，故保護(hù)層厚度為16.5 m，綜上通過(guò)計(jì)算，防水煤巖柱高度為146.5 m，為安全起見取150 m 作為留設(shè)防水煤巖柱高度。

4.2 田良河下安全開采可行性評(píng)價(jià)

下霍煤礦開采正常地段導(dǎo)水裂隙帶高度70 m，河下開采留設(shè)防水煤巖柱尺寸為150 m，田良河正河床下基巖最薄處基巖柱厚度為395 m（此處第四系厚度約126 m），在保護(hù)層上、基巖風(fēng)化帶下尚有185.8 m 巖柱保持原始滲透性。

通過(guò)二采區(qū)2306 工作面田良河下開采實(shí)踐，該工作面河床下煤層頂板最小采深452 m，回采過(guò)程中工作面正常涌水量15～30 m3/h，水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果為頂板砂巖裂隙水。因此在正常條件下，田良河水體下采用綜采一次采全高、全部垮落法管理頂板是安全可行的。煤層開采不會(huì)改變礦井充水條件，地表水體不會(huì)進(jìn)入井下工作面。

5 結(jié) 論

（1） 通過(guò)對(duì)下霍煤礦2303 工作面覆巖破壞現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、理論研究綜合論證分析，下霍煤礦3 號(hào)煤層綜放一次采全高開采條件下頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度70 m，裂高采厚比約為14 倍。計(jì)算得出田良河水體下采煤防水安全煤巖柱高度為150 m。

（2） 結(jié)合下霍煤礦2306 工作面田良河下開采實(shí)踐，工作面充水以頂板裂隙水為主，河流不會(huì)通過(guò)地表采動(dòng)裂縫對(duì)井下工作面充水產(chǎn)生直接影響，表明在田良河下綜放開采是安全可行的。