試論長平礦Ⅲ2317工作面丹河下開采安全技術(shù)

＊趙軍偉

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉城煤炭事業(yè)部 山西 048000）

雖然在我國水體下采煤已有數(shù)十年經(jīng)驗(yàn)，但由于受地質(zhì)、水文地質(zhì)、水體類型等因素影響，不同區(qū)域或地段具有顯著的差異性。長平礦Ⅲ2317工作面上方丹河流經(jīng)區(qū)，在對(duì)煤層賦存特征、頂板巖層巖性、厚度、含隔水性、構(gòu)造破壞程度等基本參數(shù)統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用定性、定量分析及結(jié)合國內(nèi)和礦井回采實(shí)踐，綜合分析研究回采工作面導(dǎo)水裂隙高度、防水安全煤（巖）柱保護(hù)層厚度、防水安全煤（巖）柱高度，繼而評(píng)價(jià)河流對(duì)回采工作面充水影響程度及安全性，并提出井下水害防治和地面河流治理措施，為工作面安全回采提供科學(xué)依據(jù)[1-2]。

1.Ⅲ2317工作面概況

Ⅲ2317工作面回采走向長569.75m，傾斜長225.40m，面積128421.65m2。兩平巷高度3m，寬度5.6m，切眼高度3m，寬度8.2m。3號(hào)煤層厚4.52～4.99m，平均4.85m，地質(zhì)儲(chǔ)量共計(jì)81.8萬噸。煤層底板標(biāo)高自北東至南西644～676m，整體南高北低，西高東低，最大高差32m；煤層埋藏深度203～ 239m，總體自南向北逐漸增大。

地表水體丹河，自北向南穿過Ⅲ2317工作面上方，流向南略偏東，河床標(biāo)高自南向北為880.8～884.3m，相對(duì)高差3.5m，比降為5.83‰。丹河發(fā)源于高平市趙莊丹朱嶺，主要補(bǔ)給水源為大氣降水與砂巖裂隙水，水量季節(jié)性變化較大。在Ⅲ2317工作面上方河床寬32～40m，最大洪水時(shí)影響寬度200m，深度2～2.5m。由于河床下第四系粉土、粘土厚度大（20m左右），可阻止河水下滲。一般流量60m3/h左右，最大流量1000m3/h以上，枯水期流量一般在10m3/h左右，并出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，歷史最大洪水位標(biāo)高+881m。選擇在水量小的枯水期開采，不僅可進(jìn)一步提高工作面回采的安全性，而且可大幅度降低地表塌陷區(qū)的治理難度和成本。

2.Ⅲ2317工作面丹河下開采安全技術(shù)評(píng)價(jià)

經(jīng)對(duì)煤層埋藏深度、上覆巖層特征及垮落帶與導(dǎo)水裂縫帶、防水、防砂安全煤（巖）柱高度計(jì)算結(jié)果及斷層、陷落柱影響程度綜合分析認(rèn)為，Ⅲ2317工作面可安全回采，其主要依據(jù)如下：

(1)防水、防砂安全煤(巖)柱設(shè)計(jì)與實(shí)際煤(巖)柱對(duì)比分析

依據(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)范》（安監(jiān)總煤裝〔2017〕66號(hào)），防水、防砂安全煤（巖）柱設(shè)計(jì)要求。

①防水安全煤（巖）柱設(shè)計(jì)要求

留設(shè)防水安全煤（巖）柱的目的是不允許導(dǎo)水裂縫帶波及水體，防水安全煤（巖）柱的垂高應(yīng)大于或等于導(dǎo)水裂縫帶高度與保護(hù)層厚度之和，見圖1。

圖1 防水安全煤（巖）柱設(shè)計(jì)示意圖

式中：Hsh—防水安全煤（巖）柱的垂高，m；

Hli—導(dǎo)水裂縫帶高度，m；

Hb—保護(hù)層厚度，m。

按照導(dǎo)水裂縫帶高度81.82～93.84m，保護(hù)層最大厚度14.55m，計(jì)算防水安全煤（巖）柱高度為96.37～108.39m，對(duì)比Ⅲ2317工作面上覆巖層最小厚度203m，比設(shè)計(jì)要求的煤（巖）柱高度高出94.61～106.63m。

②防砂安全煤（巖）柱設(shè)計(jì)要求

留設(shè)防砂安全煤（巖）柱的目的，是允許導(dǎo)水裂縫帶波及松散弱含水層或已疏干的松散強(qiáng)含水層，但不允許垮落帶接近松散層底部，防砂安全煤（巖）柱的垂高（Hsh）應(yīng)當(dāng)大于或等于垮落帶的最大高度（Hk）加上保護(hù)層厚度（Hb）。

式中：

Hsh—防水安全煤（巖）柱的垂高，m；

Hk—垮落帶高度，m；

Hb—保護(hù)層厚度，m。

按照垮落帶高度16.49～18.38m，保護(hù)層厚度15m，計(jì)算防砂安全煤（巖）柱高度31.49～33.38m，對(duì)比Ⅲ2317工作面上覆基巖層最小厚度183m，比設(shè)計(jì)要求的防砂煤（巖）柱高度高出149.62～151.51m。

(2)水體下開采經(jīng)驗(yàn)礦井煤(巖)柱高度及柱高采厚比

①國內(nèi)其他礦區(qū)礦井水體下開采經(jīng)驗(yàn)煤（巖）柱高度及柱高采厚比

依據(jù)我國多個(gè)礦區(qū)礦井不同水體下開采實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在河床與煤系地層之間含粘土層的情況下，煤（巖）柱高度一般在50～70m之間，柱高采厚比一般在9～31之間，其中，阜新興隆礦和平頂山三礦采煤方法與本礦基本相似，柱高采厚比分別為21～29和16，見表1。

表1 河床與煤系地層之間含粘土層開采實(shí)例

②礦井一盤區(qū)1313工作面水體下開采煤（巖）柱高度及柱高采厚比

礦井已進(jìn)行安全回采的1313綜放工作面，位于一盤區(qū)南部，走向長1340.70m，傾斜長175.00m。切眼至338m段地表有釜山河、高良河下游河道，枯水期釜山河、高良河匯流后總水量300m3/h。過河流段煤層埋藏深度210m，地表黃土層厚度0.5～1.5m，煤層厚度5.70m。煤（巖）柱高度210m，柱高采厚比36.84。

對(duì)比本礦Ⅲ2317工作面，煤層上覆巖層最小厚度203m（其中基巖厚度183m，第四系粘土層厚度20m），煤（巖）柱高度最小203m，計(jì)算采厚比最小為41.86，遠(yuǎn)高于上述礦井水體下開采實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)值，其安全性較高。

③斷裂發(fā)育程度及含水性

A.斷層。工作面巷道揭露的擴(kuò)SF110、擴(kuò)SF112斷層，盡管延伸至工作面，但由于落差小（1.3m和6m），導(dǎo)水性差。即便工作面回采誘發(fā)垮落帶、導(dǎo)水裂縫帶有一定的增高，但煤層上覆巖層厚度大，以及近地表有較厚的（20m）第四系粉土和粘土，具有良好的隔水性且不在丹河河床下，可排除斷層構(gòu)成地表河流水入滲的直接通道。

工作面外側(cè)SF8、SF4、SF5斷層，落差分別為20m、12m和2.5m，分別距2317工作面175m、16.4m和29m。由于遠(yuǎn)離丹河河床，即便受采動(dòng)巖層影響斷層構(gòu)成砂巖裂隙水的聯(lián)系，水量有限，可控，不構(gòu)成對(duì)礦井充水的威脅。

B.裂隙發(fā)育程度與富水性。經(jīng)全面系統(tǒng)分析及礦井采掘揭露，區(qū)內(nèi)構(gòu)造裂隙發(fā)育程度較弱。依據(jù)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育最大高度93.84m，風(fēng)化裂隙發(fā)育深度70m，合計(jì)163.84m，對(duì)比煤層最小埋藏深度203m，導(dǎo)水裂縫帶與風(fēng)化裂隙之間最小厚度為39.16m，相互間不構(gòu)成導(dǎo)水通道，亦構(gòu)不成對(duì)地表河流水的影響。即便導(dǎo)水裂縫帶與風(fēng)化裂隙帶溝通，但由于第四系粉土、粘土厚度在20m左右，可阻止地表河流水通過裂隙帶下滲礦井。

煤層頂板砂巖及風(fēng)化裂隙帶局部具有中等富水性，即便工作面回采構(gòu)成對(duì)礦井充水，但在可控范圍以內(nèi)，對(duì)礦井采掘生產(chǎn)不構(gòu)成威脅。

④地面塌陷及其地裂縫的影響

A.地面塌陷。工作面及其附近地形平坦，工作面回采后必然形成以周邊高，中間低的下沉盆地，最低點(diǎn)位于工作面中心，計(jì)算最大塌陷深度為3.2m，塌陷最大幅度大致沿工作面中心呈南北向展部，見圖2。

圖2 塌陷中心位置衛(wèi)星影像圖

B.地面塌陷裂縫。按照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》（安監(jiān)總煤裝〔2017〕66號(hào)）水體下采煤的安全煤（巖）柱計(jì)要求，如果煤系地層無松散層和采深較小時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮地表裂縫深度，而Ⅲ2317綜采工作面第四系松散層厚度20m，上部為粉土，下部為粘土，可排除地裂縫影響。

⑤陷落柱

A.擴(kuò)SX20陷落柱。位于工作面南側(cè)，由于位于丹河河床下，為防止陷落柱受采動(dòng)影響溝通與河流水的聯(lián)系，留設(shè)煤柱寬度35m，遠(yuǎn)大于理論計(jì)算的煤柱寬度18m，況且陷落柱與圍巖膠結(jié)緊密，掘進(jìn)巷道揭露不含水，可排除其陷落柱的影響。

B.擴(kuò)SX21陷落柱、擴(kuò)SX22陷落柱。分別位于工作面外側(cè)北西部和南東部，由于距2317工作面較遠(yuǎn)（最近距離分別約86m和122m），且遠(yuǎn)離丹河河床，可排除工作面回采陷落柱誘發(fā)丹河水下滲的影響。

⑥地表水體特征對(duì)回采工作面充水影響

Ⅲ2317工作面區(qū)內(nèi)，地表河流水淺，煤層上覆基巖厚度大，砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、砂巖互層，具有較大的抗壓強(qiáng)度，可排除水體壓力及采動(dòng)礦壓的綜合作用誘發(fā)巖層的破壞構(gòu)成地表水對(duì)礦井充水的影響。

⑦第四系厚度及巖性特征對(duì)回采工作面充水影響

工作面及其附近地形平坦，第四系粉土、粘土層厚度達(dá)20m左右，不僅可阻止河流水下滲，而且對(duì)工作面回采塌陷裂縫起到充填堵漏作用，可阻止地表水通過基巖裂隙、導(dǎo)水裂縫帶下滲采空區(qū)。

3.Ⅲ2317工作面綜合防治水措施

依據(jù)Ⅲ2317工作面水文地質(zhì)條件，結(jié)合礦井其它工作面回采實(shí)踐，充水水源主要為煤層頂板砂巖裂隙水，且垮落帶與導(dǎo)水裂縫帶最大高度為采高的3.40～3.79倍與16.87～ 19.35倍，計(jì)算Ⅲ2317工作面垮落帶與導(dǎo)水裂縫帶最大高度分別為16.49～18.38m與81.82～93.84m。此時(shí)為了防止特殊情況下地表河水入滲的可能，確保工作面安全回采，建議采取以下防治水措施。

（1）建立工作面完善的排水系統(tǒng)，包括臨時(shí)水倉、排水泵或潛水泵和排水管路，依據(jù)計(jì)算的工作面涌水量，其工作泵排水能力不小于60m3/h，工作泵、備用泵排水能力不低于120m3/h，并配置檢修泵，以確保工作面回采過程中出水時(shí)及時(shí)有效地排泄（由于工作面西側(cè)工作面回采排水，可能會(huì)使本工作面水量明顯減小）。

（2）對(duì)物探預(yù)測(cè)的低阻異常區(qū)（富水異常區(qū)）進(jìn)行超前鉆探探測(cè)措施，水量大時(shí)采取疏放措施[2]。

（3）坑透、槽波探測(cè)的異常區(qū)，通過鉆探驗(yàn)證準(zhǔn)確確定構(gòu)造類型、規(guī)模。

（4）建立完善的水量監(jiān)測(cè)、監(jiān)控措施，以及水量、水質(zhì)變化特征的分析與測(cè)試，較準(zhǔn)確的確定其水源。

（5）回采過程中，加強(qiáng)對(duì)隱伏構(gòu)造的探測(cè)，尤其丹河床下及其邊緣，準(zhǔn)確確定是否發(fā)育有斷層、陷落柱。

（6）為防止頂板砂巖裂隙水的影響，采取超前疏放水措施，并留作工作面回采期間的觀測(cè)孔，其目的通過水量、水質(zhì)變化觀測(cè)，以便確定工作面回采塌陷后河水是否有泄漏現(xiàn)象。

（7）工作面回采期間，應(yīng)安排人員對(duì)地面丹河水是否漏失進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，若發(fā)現(xiàn)漏失較大時(shí)停止井下作業(yè)，并及時(shí)采取堵漏措施[3]。

（8）做好井下作業(yè)人員水害防范的培訓(xùn)及避災(zāi)路線。

4.結(jié)束語

綜上所述，通過對(duì)Ⅲ2317工作面丹河下開采安全技術(shù)進(jìn)行研究，并在此基礎(chǔ)上提出有效的綜合防治水措施，其不僅可以有效阻止地表河水的下滲，確保工作面回采的安全性，而且還可以提高煤礦開采效率和煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。