水体下采煤对地表河流影响及保护措施

崔振华

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)



水体下采煤对地表河流影响及保护措施

崔振华

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

由于煤矿矿区范围内各种地表水体存在，在开采过程中为提高煤炭资源回采率，不可避免的对地表水资源、水环境产生影响。为保证水体下采煤安全，以新疆肖西煤矿为例，分析水体下采煤的两个重要影响计算参数导水裂缝带最大高度和防水煤岩柱垂直高度，并提出了水体下采煤保护措施，对矿区矿井水害防治和水资源保护具有重要意义。

水体下采煤；导水裂缝带；防水煤岩柱

新疆煤炭资源丰富，矿区分布面广，并且大多数生产煤炭的矿区，地面井田范围一般都比较大，大部分矿区井田范围内都存在不同类型的水体，在新疆煤炭生产矿区较为普遍存在的地表水体是河流。煤炭生产过程中为提高煤炭资源的回采率，使得地表和地下开采范围不断扩大，因此开采过程中不可避免的对地表水资源、水环境产生不同程度影响。水体下采煤，如果水体受到开采的破坏影响，水体的水就会流入或者溃入井下，威胁矿井的安全生产和井下人员的生命安全，因此，水体下采煤应针对煤炭开采过程中不同覆盖岩层和开采条件，分析煤矿开采对水体的影响，制定专门的安全和技术措施以保障煤矿生产安全。通常煤炭开采对水体的影响主要有两个方面：一是开采后上覆岩层的冒落带和导水裂缝带对水体的影响，一是上覆岩层的变形和破坏，使水体中的水，渗透和溃入井下，影响矿井的安全生产。本文以新疆肖西煤矿为例，分析煤矿开采后上覆岩层的冒落带和导水裂缝带对地表水体的影响及保护措施。

1　导水裂缝带计算

煤层采出后，采空区周围的岩层会发生位移、变形甚至破坏，上覆岩层根据变形和破坏程度的不同分为冒落、裂缝和弯曲三带，其中裂缝带又分为连通和非连通两部分，通常将冒落带和裂缝带的连通部分称为导水裂缝带。开采沉陷对地下水含水层的影响主要表现在煤炭开采后顶板发生垮落形成垮落带和裂缝带，进而导致地下含水层遭到破坏、地下水漏失、水位下降，并间接对与已被破坏含水层存在水力联系的其他含水层产生影响。同时，开采沉陷对含水层的影响程度主要取决于覆岩破坏形成的导水裂缝带高度是否波及煤层上覆水体。

水体下采煤的实践表明，掌握上覆岩层破坏规律，是实现水体下采煤的关键。而导水裂缝带最大高度又是上覆岩层破坏规律中的主要参数，导水裂缝带最大高度的计算对水体下采煤是十分重要的，而导水裂缝带发育高度与煤层赋存地质条件、顶板岩性、煤层开采厚度等均有密切关系。根据中国矿业大学编制的《三下采煤新技术应用与煤柱留设及压煤开采规程实用手册》(2005版)，煤层开采后所形成的导水裂缝带最大高度、冒落带最大高度可参照表1、表2中的公式进行计算。

新疆肖西煤矿为新建井工矿工程，矿井煤炭产能为6.0 Mt/a大型煤矿工程，矿区东西长15.2～20.3 km，南北宽2.5～5.5 km，面积68.44 km2。矿区内有地表水体河流萨布拉克河流过，由于受降雨和气候条件影响，萨布拉克河为常年流动的小河，水面不宽、河水浅、流速流量小，河水补给来源十分有限。根据矿区地质勘查报告，萨布拉克河位于井田13勘探线位置，此勘探线主采煤层为29号煤层，结合该煤层覆岩岩性及开采厚度，经分析计算29煤层导水裂缝带最大高度为248.8 m。

2　防水煤岩柱高度计算

煤矿开采过程中留设煤岩柱是确保在水体下进行安全采煤的主要技术措施，留设防水安全煤岩柱的目的是不允许导水裂缝带波及水体，只要采煤引起的导水裂缝带的最高点不触及水体的底面，当开采深度达到一定值时，或者说在水体与煤层开采上边界之间保留一定高度的煤岩柱，就可以避免发生溃水事故，矿井涌水量也不会急剧增加，从而也就可以实现水体下安全采煤。

安全防水煤岩柱布设原则，当地表水体中的水量较大，补给来源充足，煤系地层上方无松散层或虽有松散层但较薄，或松散含水层水体的水量较大，且含水层水体的底界面下无稳定的厚度较大的粘土层，一般应留防水煤岩柱，以防止导水裂缝带波及水体，使水渗漏到井下。防水煤岩柱的高度必须大于导水裂缝带高度。根据中国矿业大学编制的《三下采煤新技术应用与煤柱留设及压煤开采规程实用手册》(2005版)，防水煤岩柱垂直高度等于导水裂缝带高度加上保护层厚度，即H水=H裂+H保。按照上述公式，萨布拉克河防水煤岩柱高度计算结果见表3。

表1　煤层开采时导水裂缝带最大高度计算公式表

备注：M为开采厚度

表2　厚煤层分层开采的冒落带最大高度计算公式表

表3　萨布拉克河防水煤岩柱计算高度表(13勘探线)

3　影响保护措施

3.1防水煤岩柱布设

为提高煤炭资源水下开采回采率，防止煤炭开采时出现河水沿开采形成的裂隙渗入井下的情况。新疆肖西煤矿按照表3计算的结果，对萨布拉克河留设了保护煤岩柱，本煤矿开采时不会对河道产生影响，不会出现河水沿开采形成的裂隙渗入井下的情况。具体布设如下：萨布拉克河煤柱开采时，回采上限的防水安全煤岩柱的最小厚度440.47 m，保护层最小厚度191.67 m，防水煤岩柱的保护层厚度与采厚比值最小15.41倍，大于《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》在一次采出厚度小于3.0 m(包括厚煤层分层厚度)采矿条件下，覆岩条件最不利时，防水安全煤岩柱的保护层厚度要大于采出厚度的6倍的要求，并且防水安全煤岩柱的保护层中起隔水作用的粉砂岩和泥质粉砂岩占比95%以上，具有阻隔渗透水的岩层占比较大，回采是安全可行的。由于有191.67 m厚的隔水岩层的作用，采后第四纪潜水或河的潜流对地下各含水层的水力联系及补给关系不会发生质的变化，补给强度不变或微量增加。

3.2地面沉陷保护措施

地面沉陷的影响范围受煤层厚度、上覆岩层的厚度、岩性、移动角和边界角影响，本项目开采过程中，为保护萨布拉克河后期采煤下沉的影响，煤矿开采过程中采用膏体充填方法回采，固体废物膏体充填就是把矿井的矸石及附近电厂粉煤灰、工业炉渣在地面加工制成不需要脱水处理的膏状浆体，采用充填泵或重力加压通过管道输送到井下，适时充填采空区，形成以膏体为主的上覆岩层支撑体系。萨布拉克河煤柱最大累计采厚16.97 m，按现有的充填膏体材料和充填技术，完全可以把地表的最终最大沉降值控制在2.0 m左右，2.0 m左右的下沉是在回采的10 a或20 a间分六次间断形成的，采用膏体充填回采，单分层的最大下沉仅0.37 m，采后地表移动与变形平缓，不产生地表裂隙；充填开采的采动导裂缝带高度大大降低或不产生导水裂缝带，地下各含水层之间的水力联系补给关系微变或不变，地下水与第四系水的水力联系补给影响较小，确保萨布拉克河压煤保护环境免遭损害。

4　结语

(1)煤矿开采过程中，由于岩石扰动使得岩层之间失去平衡，产生冒落、断裂、弯曲等移动与破坏，形成裂缝带，水体下采煤时，裂缝带具有一定导水性，故导水裂缝带最大高度的计算对水体下采煤是十分重要的，其指标是影响地表水体主要参数。

(2)为提高煤炭资源水下开采回采率，防止煤炭开采时出现河水沿导水裂缝带渗入井下，煤炭开采过程中应留设防水安全煤岩柱，目的是不允许导水裂缝带波及水体，因此防水煤岩柱高度计算也是水体下采煤的重要指标参数。

(3)本文以新疆肖西煤矿为例，分析了煤矿开采过程中两个重要参数，为保证水体下采煤生产安全，开采过程中应留设防水安全煤岩柱，其尺寸应满足防水安全煤岩柱高度要求，同时对开采可能产生的地面沉陷给予回填保护。

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[3]张建成.大同地区煤炭开采对水环境的影响分析和对策研究[J].山西水利科技.2005，156(10)：34-36.

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Effect and Protection Measurement on the Surface River Mining under Water Body

CUI Zhen-hua

(Xinjiang water and Hydropower Investigation, Design & Research Institute, Urumqi 83000, Xinjiang)

Because of many kinds of waters exist in many rang of mining area, for improving the mining recovery rate of coal, it will be inevitably produced different levels of impact to the surface water resources and water environment in the mining process. In order to keep mining safety under water body, this paper, taking the XiaoXi-coal mine as an example, analysises two important technical parameters: the maximum height of the water flowing fractured zone and the vertical height of the water-preventing coal pillars, on the basis of the latter parameter, suggests the protection measures of mining under water body, it has important significance for the ground water hazard survey and control in mine area and the water resources protection.

Mining under water body；Water flowing fractured zone；Water-preventing coal pillars

2016-03-21

崔振华(1979-)，男，河南永城人，工程师，主要从事水资源规划方面工作。

P641.4+61

B

1004-1184(2016)04-0049-02