山東鄒平里彥煤礦水體下開采可行性研究

摘要：我國各類水體下壓煤量較大，水體下開采是我國煤礦開采的一個熱點問題。本文通過規程法、類比法、實測法，綜合確定導水裂隙帶發育高度，結合封閉不良鉆孔防水煤柱留設情況，對里彥煤礦六采區水體下開采可行性進行了探討和綜合分析。通過里彥煤礦水體下開采可行性研究實例計算，闡述了水體下開采應具備的條件和評估方法。為我國煤礦水體下安全開采進行了探索并積累了經驗。

關鍵詞：水體下開采；可行性；導水裂隙帶；山東鄒平

中圖分類號："TD823"文獻標識碼："Adoi：10.12128/j.issn.1672-6979.2024.11.004

引文格式：陳晴豐，韓希偉，王立英.山東鄒平里彥煤礦水體下開采可行性研究［J］.山東國土資源，2024，40（11）：25-32.CHEN Qingfeng， HAN Xiwei， WANG Liying. Study on Feasibility of Mining Underground Water in Liyan Coal Mine "in Zouping County in Shandong Province［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（11）：25-32.

0引言

根據不完全調查統計結果，我國各類水體下壓煤量較大，達到40億t左右，而已采出的煤炭約有3億t，只占水體下壓煤量的7.5%。水體下安全開采一直是困擾礦區安全生產的一大難題。近年來，我國礦區在水體下安全開采的實踐很多，初步取得了水下采煤的經驗。如兗州、邢臺、龍口、大屯等礦區［1］，針對不同的含水層水體，在留設防水、防塌的情況下，進行了水體下安全回采。

里彥煤礦六采區上部存在地表水體以及采空塌陷區積水水體［2］。因此，水體下安全開采是礦井今后要面臨的一個重要問題。為保證水體下的安全合理開采，確保礦工的人身安全及礦井的安全生產，提高煤炭資源回收率，延長礦井服務年限，保護地表水和地下水資源。本文收集里彥煤礦水文地質資料，查清六采區上部水體的類型，分析水體對六采區開采的影響，對里彥煤礦六采區水體下開采可行性進行了分析。

1六采區概況

1.1六采區位置與范圍

六采區位于里彥煤礦工業廣場東側，西北與七采區相鄰，正北與九采區相鄰，東至井田邊界，西及西南與一采區相鄰，南至煤層露頭或井田邊界，整體呈不規則火炬狀。

采區走向長度約2940m，傾向長度約3390m，面積6.32km2。區內主要可采煤層為石炭系上統太原組16上煤層和17煤層，煤層可采標高為-310m～-400m（圖1）。

1.2六采區地形地貌及水系

采區地表為第四系沖積平原，地勢較平坦，地形總體趨勢為東北高西南低，地面標高+32.6m～+39.55m，東北高，西南低。幸福河自礦區中部穿過。河床寬5～23m，全長5.3km，流域面積1.8km2，流量最大為345m3/s，水位受季節變化較大，豐水期為+32.37m，枯水期為+28.41m。與地下水相互補給，豐水期河水補給地下水，枯水期地下水補給河水。

1.3六采區地表建筑物

西起運煤公路與富北路交叉點向東2810m，北自陶城社區學校向南3630m。區內村莊有中城村、南城村、莊里村3個村莊，工廠、企業有本單位工業廣場、鄒城監獄、山東圣琪生物有限公司（一期和二期工程）、醬菜廠、收購站和鄒城羊毛衫廠等，主要建筑有本單位生活區、陶城學校、太平鎮政府、太平鎮小學、幸福河、220kV的羅彥高壓線、濟寧至鄒城段的嵐濟公路、山東鄒城工業園區、幸福河路和富北路等。

2六采區上部水體特征

里彥煤礦六采區可采煤層為3煤、16上煤和17煤。三層煤的空間位置見圖2。

16上、17煤六采區上方有一處3煤采空區積水、一處地表塌陷積水區［3-5］及一條河流幸福河；相鄰的七采區和一采區分別有一處16上煤層采空區積水和一個封閉不良鉆孔（里13）。

2.1采空區積水特征

2.1.13煤采空區積水特征

里彥煤礦16上、17煤六采區上方是3煤的四采區。地面對應位置在幸福河東西兩岸，地面建筑物有莊里、南城村、樊家樓、中城村、張行、翟行及聯合學校等村莊及圣琪生物有限公司。南北長約3700m，東西平均寬約2300m，總面積約8.2萬m2。3煤層開采范圍為南、北、西至3煤隱伏露頭附近防水煤柱，東至斷層保護煤柱和3煤隱伏露頭附近防水煤柱。開采面積約為2.1萬m2［6-7］。

3煤四采區內共布置17個工作面，全部為綜合機械化采煤工作面，煤層厚度1.65～10.10m，平均4.93m。

經推測，3煤采空區積水位于16上、17煤層六采區中北部上方，主要有一處積水區，積水面積17.433萬m2，積水量9.6萬m3，最低點標高-325.1m，積水外緣標高-234.0m（表1，圖3）。

3煤采空區積水直接來源于3煤層頂底板砂巖，間接來源于侏羅紀砂礫巖含水層和第四系下組砂礫含水層，由于第四系中部隔水層的原因，3煤采空區積水與大氣降水和地表水無關。經觀測，目前3煤層采空區有25m3/h的水從排泄口流出。

2.1.216上煤采空區積水特征

里彥煤礦16上煤六采區相鄰的七采區和一采區分別有一處采空區積水區，分別為16707采空區積水區和16102采空區積水區，積水面積分別為47525m2、10407m2，積水量分別為19196m3、3200m3，積水標高分別分-391.97m～-370m、-260m～-242m。這兩處積水區分別位于六采區的北面和西面，詳見圖4、圖5，表1。

2.1.33煤采煤塌陷區積水特征

里彥煤礦由于煤層開采，共形成塌陷區199.27hm2，3煤層四采區形成的塌陷區對應16上、17煤層的六采區［8］。

塌陷地面積196.53hm2（2948畝），水淹地面積72.73hm2（1091畝），最大深度3.5m，平均深度2.2m，水體總量23953m3，外圍線標高37.5m。3煤采空塌陷區積水情況詳見圖6。

2.2幸福河蓄水特征

幸福河流經里彥煤礦四采區、九采區和六采區。兩側河堤為素填土，種植大面積的柳樹，河堤上為寬8m左右的簡易混凝土路面。里彥煤礦16上、17煤層的六采區地面對應的河流為幸福河，河床寬度窄、流域面積、流量均較小。六采區幸福河上有3座橋，橋寬8m左右，長約30～50m。

2.3封閉不良鉆孔

經排查，六采區有1個封閉不良鉆孔，孔號為里13，里13號孔位于3煤層采空區內，鉆孔終孔層位為煤18。

3六采區水體下開采安全評價

留設防水安全煤巖柱的目的是不允許導水裂隙帶波及水體，其垂高應大于或等于導水裂隙帶的最大高度加上保護層厚度。影響六采區的水害因素有六采區上部水體、3煤采空積水區、地面幸福河、地面采空塌陷積水區和里13封閉不良鉆孔。

3.1水體下開采安全性評價

3.1.1導水裂隙帶高度的計算

3煤采空區充滿礦井水，可近似看作“水體”；地面幸福河、地面采空塌陷積水區均可做為“水體”。下部16上、17煤開采時，可認為是“水體”下采煤。

根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范（2017）》（以下簡稱《“三下”壓煤開采規范》），該水體采動等級Ⅰ級，允許采動程度為不允許導水裂隙帶頂點波及到水體，要求留設的安全煤巖柱類型為防水安全煤巖柱。

依照《“三下”壓煤開采規范》中水體下采煤的防水安全煤巖柱的計算規定，其垂高（Hsh）至少等于導水裂隙帶的最大高度（Hli）加上保護層厚度（Hb），見公式（1）：

Hsh＞Hli+Hb"（1）

式中：Hsh—防水煤巖柱垂高（m）；Hli—導水裂隙帶最大高度（m）；Hb—保護層厚度（m）。

“煤礦防治水細則”（2018）也規定采空區積水區域下進行煤層回采時，要保證防水安全煤巖柱垂高至少等于導水裂隙帶的最大高度加上保護層厚度。

16上、17煤層為聯合開采，其導水裂隙帶高度［9］取疊加的高度。16上煤覆巖主要為灰巖、粉砂巖、泥巖等，屬堅硬覆巖類型。煤層傾角6°左右，屬緩傾斜煤層。根據區內鉆孔資料統計（表2），16上煤總厚度0.82（里8）～1.29（153）m，平均0.95m。17煤覆巖主要為灰巖、粉砂巖、細砂巖、泥巖等，屬中硬覆巖類型。煤層傾角6°左右，屬于緩傾斜煤層。17煤總厚度0.82（里8）～1.15（160）m，平均0.99m（表2）。

（1）規程法

按《“三下”壓煤開采規范》，堅硬和中硬巖性公式分別進行16上、17煤層垮落帶高度計算，見公式（2）。

16上煤層："Hk=[SX（]100∑M[]2.1∑M+16[SX）]+2.5=[SX（]100×1.15[]2.1×1.15+16[SX）]+2.5=8.74（2）

式中：∑M—16上煤采厚，取16上煤開采厚度為1.15m。

取兩公式計算中最大值，見公式（3）（4）：HK=8.74[JY，1]（3）

17煤層："100∑M[]2.1∑M+16[SX）]+2.5=[SX（]100×1.30[]2.1×1.30+16[SX）]+2.5=9.44（4）

式中：∑M—16上煤采厚，取17煤開采厚度為1.30m。

取兩公式計算中最大值，見公式（5）：

HK=9.44"（5）

根據鉆孔資料：六采區16上煤層與17煤層相距0～2.51m，平均1.27m。根據《“三下”壓煤開采規范》，在水體下開采近距離煤層群時，煤層間距等于或小于下一層煤的垮落帶高度，則以其累計的煤層厚度或綜合開采厚度設計安全煤（巖）柱。根據《六采區設計》，16上、17煤層的開采厚度為1.15m、1.30m，16上、17煤層實行聯合開采，則16上、17煤層的總開采厚度為2.45m。

按《“三下”壓煤開采規范》堅硬和中硬巖性公式（6）（7），分別進行16上、17煤層導水裂隙帶高度計算。

Hli=[SX（]100∑M[]1.2∑M+2.0"+8.9=[SX（]100×2.45[]1.2×2.45+2.0[SX）]+8.9=58.50（6）

Hli=30[KF（]∑M[KF）]+10=30[KF（]2.45[KF）]+10=56.96[JY，1]（7）

式中：∑M—16上、17煤層聯合開采的煤厚，取開采厚度為2.45m。

取兩公式計算中最大值，見公式（8）：

Hli=58.50[JY，1]（8）

根據規程法計算，16上、17煤層聯合開采的導水裂隙帶高度為58.50m。

（2）類比法

兗州礦區部分礦井在開采過程中，為解放更多的松散含水層下煤炭資源儲量，做了較多的提高開采上限工作。通過現場觀測手段（如鉆孔沖洗液法、聲速法、超聲成像法及數字測井等方法綜合確定導水裂隙帶發育高度等）、室內測試、模擬試驗、理論研究及計算機模擬等多種途徑，系統分析了第四系下組分布及富水特征、覆巖結構、含水性、隔水性及滲透特征等，取得了薄煤層開采條件下覆巖破裂的規律、合理確定煤柱寬度的技術參數及提高開采上限的途徑，為合理確定防水、防砂煤柱尺寸、提高開采上限工作提供了可靠的技術支持。

楊村煤礦根據16上煤層頂板狀況，用井下仰孔觀測法對16上煤工作面（16上煤平均厚度1.01m）進行了采前、采后的系列觀測，獲得了16上煤全采條件下覆巖導水裂隙帶的動態空間形態和規律。觀測結果顯示，16上煤開采時導水裂隙帶發育形態為兩邊高、中間略低的“馬鞍型”；導水裂隙帶的最大高度為HLmax=23m，此值對應16上煤頂板，導水裂隙帶達到最大高度時間為采后2～3個月，裂采比為22.8。用注水法測得16上煤單層開采時停采線一側裂隙帶高度為14m。

16上煤層厚度1.23m，在采后1～2個月發育最大。裂采比為11.4。

為了安全起見，采取裂采比最大值22.8倍煤厚來預計里彥煤礦16上、17煤層聯合開采最大導水裂隙帶高度值。16上、17煤層聯合開采厚度為2.45m，預計16上、17煤層聯合開采的最大導水裂隙帶高度值為55.86m。

利用類比法里彥煤礦16上、17煤層聯合開采計算的最大裂隙帶高度為55.86m。

（3）實測法

2019年6月，山東科技大學對16705工作面的導水裂隙帶高度［10］進行了現場測試和研究分析，并使用FLAC3D軟件對16705工作面導水裂隙帶發育高度和發育形態［11］進行模擬分析，得到的最大導高值為25.6m。結合鉆孔現場實測數據分析，得到最大導高值為26.9m，則16705工作面的導高與采高之比（裂采比）為26.9山東科技大學，里彥煤礦16705工作面導水裂隙帶高度觀測研究報告，2019年，導水裂隙帶發育至頂板上方的石英中粒砂巖，發育形態呈“馬鞍型”［12］。六采區16上、17煤層聯合開采厚度為2.45m，預計16上、17煤層聯合開采的最大導水裂隙帶高度值為65.91m。

利用實測法里彥煤礦16上、17煤層聯合開采所得的最大裂隙帶高度為65.91m。

（4）綜合確定

對比規程法、類比法和實測法（表3），選擇三者中最大值作為采用結果，即16上、17煤層聯合開采的最大導水裂隙帶高度為65.91m。導水裂隙帶高度等值線見圖7。

3.1.2防水安全煤巖柱保護層厚度的計算

根據《建筑生、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》［13］中硬巖性公式防水安全煤巖柱保護層厚度，計算公式（9）（10）如下：

Hb=4A=4×1.23=4.92[JY，1]（9）

A=[SX（]∑M[]n[SX）]=[SX（]2.45[]2[SX）]=1.23[JY，1]（10）

式中：M—采厚（m），16上煤層開采厚度為1.15m，17煤層開采厚度為1.30m，合計開采厚度為2.45m。n—分層層數，16上、17煤為聯合開采，n=2。得出防水安全煤巖柱保護層厚度H為4.92m。

3.1.3防水安全煤巖柱計算

16上、17煤層聯合開采的導水裂隙帶最大高度為65.91m，即Hli=65.91m，則防水安全煤巖柱的厚度見公式（11）：

Hsh=Hli+Hb=65.91+4.92=70.83[JY，1]（11）

3.1.4水體下開采安全性評價

在六采區范圍內3煤與16上煤層的間距為153.16～197.60m，平均168.21m；16上煤層與三灰的間距為100.59～138.41m，平均114.36m；16上煤層與第四系底的間距為86.11～306.17m，平均208.52m。其厚度和間距見六采區鉆孔資料表2。

開采16上、17煤層所需防水安全煤巖柱高度為70.83m，根據六采區鉆孔資料，六采區16上煤層距第四系底86.11～306.17m，平均208.52m；16上煤層距3煤采空積水區153.16～197.60m，平均168.21m。遠大于其所需安全防水煤巖柱高度，開采16上、17煤層導水裂隙帶波及不到水體（3煤采空積水區、地面幸福河、地面采煤塌陷積水區）［14］（圖8）。

里彥煤礦第四系覆蓋全井田。第四系上、下含水層段間普遍存在一黏土層，厚37.10～73.50m，有效地阻隔了大氣降水、地表水、第四系上部含水層與下部含水層之間的聯系［15］。同時，在第四系下組下段含有一層較為穩定的黏土層，使得下組上段含水層與本段砂層的水力聯系變弱。

開采16上、17煤層的最大導水裂隙帶高度為70.83m，裂隙帶大約波及到12中煤層上部有粉砂巖，通過六采區的鉆孔資料可知，12中煤層至3煤層底板以粉砂巖和泥巖為主，中間有幾層薄層灰巖，泥巖、粉砂巖含水層均很弱，可以作為隔水層來考慮，所以16上煤層與3煤層之間的灰巖由于泥巖和粉砂巖的阻隔水力聯系很弱［16］。

綜上，河水、地面塌陷積水或3煤采空區積水滲透或潰入井下的可能性很小，六采區16上、17煤層在幸福河、3煤采空塌陷積水區和3煤采空積水區下開采［17-18］是安全可行的。

3.2封閉不良鉆孔安全性評價

根據鉆孔資料分析，里彥煤礦共有5個封閉不良鉆孔，其中里13號鉆孔位于六采區［19-21］。

封閉不良鉆孔可以看做是一個導水體，為保證礦井生產安全，根據《煤礦防治水細則》［22］應留設防隔水煤巖柱。

3.2.1防隔水煤巖柱的計算

根據《煤礦防治水細則》進行計算，公式（12）如下：

L=0.5KM[KF（][SX（]3p[]Kp[SX）][KF）][JY，1]（12）

式中：L—煤柱的留設寬度（m）；K—安全系數，一般取2～5，本次取5。M—煤層厚度或采高（m）；鉆孔揭露16上、17煤層厚度之和，里13孔16上、17煤層厚度之各為1.82m；p—水頭壓力（MPa）；水頭壓力取開采16上、17煤層時，1#奧灰觀測孔的奧灰水位為+20.85m，里13號孔16上煤層底板標高為-404.32m；壓力為4.2517MPa。Kp—煤的抗拉強度（MPa）。煤層的抗拉強度取其經驗值為1.0MPa。經計算：防隔水煤巖柱L里13=18.76m≈20m，所以礦井應留設不小于20m防隔水煤巖柱。

3.2.2"封閉不良鉆孔留設防隔水煤巖柱的開采安全評價

防隔水煤巖柱的留設是防止含水層的水通過封閉不良鉆孔而進入采場，在3煤層開采時，里13號鉆孔留設20m的防隔水煤巖柱，保證了3煤的安全開采，這也從實踐的角度證明了封閉不良鉆孔留設足夠尺寸的防隔水煤巖柱能夠保證安全開采。

根據六采區設計，幸福河兩側各留設150m的保安煤柱，而里13號鉆孔就位于河堤保安煤柱內。

綜上，封閉不良鉆孔在留設足夠防隔水煤巖柱的情況下開采是安全可行的。

4結論

本文通過對于導水裂隙帶高度的計算、封閉不良鉆孔保護煤柱的留設等問題進行了分析。

（1）根據計算，六采區開采16上、17煤層所需防水安全煤巖柱高度為70.83m，六采區16上、17煤層距3煤采空積水區153.16～197.60m，平均168.21m，距離第四系下組86.11～306.17m，平均217.68m。遠大于其所需安全防水煤巖柱高度，且第四系上、下含水層段間存在黏土層，能有效阻隔幸福河的滲透。因此，六采區在幸福河、地面塌陷積水區和3煤采空積水區下開采是安全可行的。

（2）封閉不良鉆孔留設不少于20m的防隔水煤（巖）柱，可以有效阻止含水層的水進行入采場，因此，封閉不良鉆孔留設足夠防水煤（巖）柱可以保證六采區16上、17安全開采。

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Study on Feasibility of Mining Underground Water in Liyan Coal Mine "in Zouping County in Shandong Province

CHEN Qingfeng， HAN Xiwei， WANG Liying

（No.1 Exploration Brigade of Shandong Coalfield Geologic Bureau， Shandong "Qingdao 266500， China）

Abstract：There is a large amount of coal under all kinds of water bodies in China. Mining under water bodies is a hot issue in coal mining in China. In this paper， the development height of water-conducting fissure zone has been determined by the method of regulation， analogy and actual measurement， and the feasibility of mining under water body in No.6 mining area of Liyan coal mine has been discussed and analyzed comprehensively. Based on the calculation of the feasibility study in Liyan coal mine， the conditions and evaluation methods for mining under water bodies have been introduced. It will provide some references for safe mining under water body of coal mine in China.

Key words：Mining under water bodies; feasibility; water conducting fracture zone; Zouping county in Shandong province

收稿日期：2024-04-11；修訂日期：2024-06-29；編輯："曹麗麗"作者簡介："陳晴豐（1990—），男，山東棗莊人，工程師，主要從事礦產勘查和防治水工作；E-mail：764280816@qq.com