東峽煤礦南汭河防隔水煤（巖）柱設計方案淺析

樊寶輝

（蘭州煤礦設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 概況

東峽煤礦位于華亭煤田東南部，行政區劃屬于甘肅省華亭市東華鎮管轄，其范圍東以煤6-2 層露頭及南川鄉礦井深部最低境界為界，西南部以華信煤業及黃莊煤礦深部境界+950 m標高為界，北以礦權邊界為界。礦井南北長2.66 km，東西寬0.97 km，面積2.691 km2。

該礦礦區內地形比較復雜，溝壑縱橫交錯，沖溝比較發育，表土層一般為黃土層所覆蓋，東峽煤礦海拔1 530～1 401 m，總的地勢是西北比較低，東南部比較高一點[1]。

礦區長年性河流有南、北汭河，南汭河由西向東從礦井北部邊界東峽口與北汭河匯合至涇川流入涇河。井田附近實測南汭水河流量正常0.15～1.17 m3∕s，平均0.66 m3∕s，最大流速1.7 m∕s，流量隨季節變化較大，汛期有泛濫之勢，洪水位線（最高水位）為+1 407 m。

東峽煤礦井田北部發育的常年性河流南汭水河自西北向東南流經該井田，東峽煤礦主采煤6-2下層主要分布標高+1 400～700 m，煤層最低標高700 m，當地侵蝕面最低標高位于井田北部南汭河河床處，其標高為+1 413.96 m，對應煤6-2 下層底板等高線標高為+1 185.37 m，垂深228.59 m。在開采井田北部邊界煤層時，導水裂縫帶高度可能到達地表，給礦井開采帶來安全隱患。針對以上隱患，項目組進行了南汭河防隔水煤（巖）柱的設計，為礦井的安全生產提供了有力的依據。

2 井田水文地質條件概述

根據水力特征、含水類型，井田內巖層可劃分為含水層5個和隔水層3個。

（1）5個含水層

含水層1主要分布在礦區內、外，是含煤地層的基底沉積部分，含水層1與含水層2之間沒有隔水層相隔，2個含水層的水力密聯，含水層1由含礫砂巖、砂巖等組成，據東峽煤礦ZK902號孔全孔抽水資料：單位出水量0.001 8 L∕s·m，滲透參數0.000 49 m∕d，屬極弱含水層[2]。

含水層2由砂礫巖、砂巖等組成，含水層厚度平均值為24.72 m，屬于復合型含水層，具較高承壓水頭。根據東峽煤礦2801號鉆孔資料，侏羅系以上地層抽水試驗單位出水量0.000 96～0.001 83 L∕s·m，含水層的富水性及滲透性隨埋藏深度增加而減弱，為極弱含水層。

含水層3厚3.57～106.30 m，平均39.07 m，為一復合含水層，由細砂巖-粗砂巖組成。據東峽煤礦ZK902 號孔煤層頂板以上孔段抽水資料：單位出水量0.001 6 L∕s·m，滲透參數0.000 80 m∕d，屬于極弱含水層。

含水層4 巖性為新近系褐紅色細-粗砂巖及白堊系灰綠色細-粗砂巖、含礫粗砂巖，含水層總厚度180 m 左右，據東峽煤礦ZK902 號孔煤層頂板以上孔段抽水資料：單位出水量0.001 6 L∕s·m，滲透參數0.000 80 m∕d；據東峽煤礦2801號鉆孔該段含水層抽水資料：單位出水量0.001 L∕s·m，滲透參數0.002 27 m∕d，含水層4為極弱含水層[3]。

含水層5 分布于北汭水河河漫灘之中，含水層由砂礫卵石層組成，滲透性較好。據北汭水河漫灘部位水2號孔抽水資料：含水層厚3.53 m，滲透參數148.85 m∕d，單位出水量0.779 1 L∕s·m，在降深2.227 m 時，出水量6.25 m3∕h，富水性弱，含水層5 受大氣降水補給，以地下徑流及泉眼形式排泄，最終在南、北汭水河匯流之處排入汭河內。

（2）3個隔水層

隔水層1由泥巖、炭質泥巖等組成，分布范圍較廣。

隔水層2 在全井田大部分范圍內有分布，向斜中心部位變厚，巖性主要由泥巖、粉砂巖組成，雖在各組的底部有較粗粒的砂巖、砂礫巖、但并不影響整體隔水性能，膠結程度較好，較堅硬，孔隙、裂隙均不發育，隔水性能較好[4]。

隔水層3由泥巖組成，為井田主要隔水層。

3 地下水、地表水與大氣降水之間的關系

井田北部所發育的南汭水河為一常年性河流。此次收集了安口水文站1975—2016 年共42 年徑流資料，另外通過分析1956—1974 年的資料，形成61年的系列資料，根據比擬法確定安口水文站控制斷面多年平均徑流量為3 344萬m3∕a。

地下水動態變化較大者是潛水，據以往觀測成果，潛水年變化在0.51～1.78 m，地下水水位最低是在5、6月份，最高是9、10月份，比雨季滯后2個月左右，各承壓含水層年水位變化幅度較小。

從地下水的補給情況看，含水層5 受地表水的補給，由于含水層厚度薄，補給量有限；含水層2 和含水層3距地表距離大，主要接受上、下基巖裂隙水補給，由于裂隙不甚發育，補給條件差。

含水層5 主要以地下隱伏或泉的形式排泄；含水層2、含水層3 承壓水主要以礦井開采的方式排泄；含水層1主要以隱伏或泉的形式排泄。

4 防隔水煤（巖）柱設計方案

南汭河在流經東峽煤礦東北部邊界煤系地層及T3yn 地層時，流水可能順裂隙補給各含水層，在開采井田北部邊界煤6-2 下層時，形成的導水裂縫帶高度可能到達地表，給礦井開采帶來安全隱患，因此，方案針對開采煤6-2 下層時對地表河流的影響進行設計。

4.1 導水裂縫帶高度的計算及結果分析

井田北部主要覆存煤6-2下層，煤層傾角26°～42°，頂板為中硬巖層。工作面采用大傾角走向長壁傾斜分層綜合機械化放頂煤采煤法，全部垮落法管理頂板。

此次分析垮落帶最大高度[5]采用式（1）計算：

式中：Hk—垮落帶最大高度，m；M—采厚，m。

此次分析導水裂縫帶最大高度[6]采用式（2）計算：

式中：Hli—導水裂縫帶最大高度，m；M—采厚，m。

垮落帶、導水裂縫帶估算結果[7]見表1。

表1 導水裂縫帶估算表

由表1可知，在102鉆孔處，導水裂縫帶最大高度為201.32 m，煤6-2 下層頂板距第四系含水層距離194.0 m，導水裂縫帶能夠到達第四系含水層并導通河流。由于巖層透水能力增強，南汭水河中的水就滲漏到井下，使礦井涌水量增加。如果涌水量較大，礦井排水能力不足，就可能湮沒礦井。

在103鉆孔處，導水裂縫帶最大高度為248.46 m，煤6-2 下層頂板距第四系含水層距離438.26 m，導水裂縫帶穿過第3 含水層。第3 含水層為弱含水層，補給條件差、富水性弱，對礦井充水影響不大。在此區域，導水裂縫帶未能到達第4系含水層，故松散含水層和地表水體中的水，都不能滲透到井下。

在ZK902鉆孔處，Hli為260.92 m；在ZK901鉆孔處，Hli為255.52 m，煤6-2下層頂板距離第四系含水層距離543.2～607.35 m 深，導水裂縫帶穿過第3 含水層，到達第4含水層[8]。由于第3、4含水層均為弱含水層，補給條件差、富水性弱，并且第2 隔水層為泥巖或者是炭質泥巖，遇水膨脹，對滴、淋水均有阻隔的作用，含水層水對礦井充水影響不大。ZK902鉆孔處開采較深，水體在覆巖彎曲帶的上部，水體的底部有較厚的彎曲帶巖層。這種條件下的開采，對地表水體或松散含水層水體無明顯影響，彎曲帶內巖層雖然可能存在伸張裂縫或離層，但這些裂縫一般互不貫通，彎曲帶巖層滲透水的能力開采前后變化很小，基本上是原來的狀況。

綜上所述，在井田內東北角汭河河谷原石咀煤礦一帶，所計算的導水裂縫帶能夠到達第4系含水層，在這一帶開采時，必須留設防水的安全煤（巖）柱。

4.2 防水安全煤（巖）柱設計

在井田內東北角汭河河谷原石咀煤礦一帶，所計算的導水裂縫帶能夠到達第四系含水層導通河流，在這一帶水體采動等級為Ⅰ級。在這一帶開采時，必須嚴格按照相關規范留設防水安全煤（巖）柱。即在103 鉆孔沿著南汭水河向東，必須留設防水安全煤（巖）柱。

（1）防水安全煤（巖）柱垂高[9]計算

井田內東北角汭河河谷原石咀煤礦一帶，即103鉆孔沿著南汭水河向東區域，由于采深較小，因此，Hsh按式（3）計算：

Hb按煤厚的3倍考慮。

經計算，井田內東北角汭河河谷原石咀煤礦一帶，102鉆孔處，Hsh為270.6 m。

井田內103鉆孔處，Hsh按式（4）計算：

Hb按煤厚的3倍考慮。

經計算，井田內103鉆孔處，Hsh為344.73 m。

綜合上述計算結果分析，結合水文地質剖面圖，從安全角度考慮，在井田內東北角汭河河谷原石咀煤礦一帶，Hb取96 m，Hsh取345 m，從安全角度出發，同時結合礦井開采現狀，設計確定礦井煤6-2下層安全煤柱最低標高取+1 000 m 標高，即確定的合理的開采上限約為+1 000 m[12]。

（2）水平方向防水安全煤（巖）柱計算

依據地質資料及設計規范要求，設計選擇的技術參數如下：

松散層的移動角：ψ＝45°；

巖層的裂縫角：移動角為65°，設計考慮重復采動等對裂縫角的影響，設計選取裂縫角為60°。

由于南汭河河堤是參照50 年一遇的防洪標準留設的，近些年最高洪水位線未超過河堤高度，本次河流防護寬度以河堤寬度為準進行防隔水煤（巖）柱設計。

河流圍護帶取20 m。

經計算，考慮到南汭水河河床較鉆孔位置低，故綜合考慮在102 鉆孔區域，南汭水河北岸至井田邊界均留作防水安全煤（巖）柱，南汭水河南岸向井田南部防水安全煤（巖）柱留設尺寸不小于150 m。

4.3 地表河流保護煤柱設計

井下開采會引起一定的地表沉降，從而開采區域內河流由于地表沉降與未開采區域造成高差，河流會不順暢，容易造成河水四處蔓延，從而造成地面設施的不安全，需要對河流進行保護。

井田內由南汭河防隔水煤柱下部邊界+1 000 m標高處沿著南汭水河向西，所計算的導水裂縫帶高度雖未到達地表水體，但由于南汭水河這一帶煤6-2下層厚度較厚，在20.76～36.05 m，若不留設河流保護煤柱，在開采之后使得該地塌陷，進而導致河流的河堤下沉，破壞河流的水系，故需留設保護河流煤柱。根據地表沉降分析，本次按照經驗留設150 m煤柱。同時，根據礦井采掘工程平面圖，距離保護河流煤柱80 m范圍之內布置有3條下山巷道，各工作面停采線距離膠帶下山約80 m范圍之內，均不進行開采。由此累加計算，相當于距離南汭河河堤310 m 范圍之內是不進行開采的，可以有效防范由地面塌陷進而導致河流河堤下沉的問題。

4.4 地表河流保護煤柱量

根據前面的計算，在102鉆孔區域，南汭水河北岸至井田邊界均留作防水安全煤（巖）柱，南汭水河南岸向井田南部防水安全煤（巖）柱留設尺寸不小于150 m；井田內南汭河防隔水煤柱下部邊界+1 000 m標高處沿著南汭水河向西，南汭水河北岸至井田邊界均留作河流保護煤柱，南汭水河南岸向井田南部保護河流煤柱留設尺寸150 m。

綜合上述數據，依據煤6-2下層儲量估算圖，計算得地表河流防治煤柱量為1 223.22萬t。

4.5 河堤移動觀測站

井田內由南汭河防隔水煤柱下部邊界+1 000 m標高處沿著南汭水河向西，南汭水河北岸至井田邊界均留作河流保護煤柱，南汭水河南岸向井田留設南部保護河流煤柱150 m。為了觀測開采煤6-2 下層對南汭河的影響，本次設計方案在河流堤岸建立地表移動變形觀測站，通過地表移動與變形監測研究地下開采導致的地表變形規律，以便及時了解設計區域開采時地表變形的第一手資料，及時了解工作面開采時地表變形特征參數，測站設置時需要充分考慮開采的影響范圍。通過觀測取得開采沉陷對南汭水河的影響規律，必要時可根據井下開采的具體情況進行保護河流煤柱尺寸的調整，然后再進行開采。

5 結語

此次設計方案按照經驗公式計算了導水裂縫帶最大高度，計算分析得出的防隔水煤（巖）柱的留設尺寸是可行的。在井田內東北角汭河河谷原石咀煤礦一帶，所計算的導水裂縫帶高度能夠到達地表河流，給礦井開采帶來安全隱患，為了保證安全生產，嚴格按照相關規范留設防隔水安全煤（巖）柱是非常必要的。同時，為了有效防范由地面塌陷進而導致河流河堤下沉的問題，此次按照經驗留設了150 m 的煤柱，并在河流堤岸建立了地表移動變形觀測站。

綜上所述，為南汭水河留設防隔水煤（巖）柱是可行的，也是很有必要的，礦方在實際生產過程中必須嚴格按照設計的河流防治煤柱尺寸進行留設，以保證安全生產。