堰塞湖下特厚煤层综放开采安全性及采动影响研究

朱 伟，滕永海

( 中煤科工生态环境科技有限公司 唐山分公司，河北 唐山 063012 )

地表水体下压覆煤炭资源的合理解放在我国有着60多年的研究历史，到目前为止取得了丰硕的技术成果和工程实践经验[1-3]，通过采取合理的技术方案不仅实现了薄及中厚煤层综采，而且实现了大型水体下厚煤层分层综采和综放安全开采，文献[4-7]详述了我国不同矿区在地表大型水体下开采工程案例。在理论研究方面，许家林[8]等提出了通过覆岩关键层位置来预计导水裂缝带高度的新方法，克服了对顶板岩性进行统计均化的不足，提高了预测准确度，在现场防治水工程中取得了较好的应用效果；陈连军[9]等考虑开采煤层覆岩裂隙的分布特征，基于格里菲斯摩尔-库伦准则建立了裂隙扩展的分析模型和判断方法，得出了水下采煤工作面覆岩导水裂缝带高度的确定方法并用现场实测进行了验证；许延春[10]等综合考虑综放裂缝带发育高度和保护层选取准则，提出了水体下安全煤岩柱的留设方法，促进了水体下采煤的安全实施。

当前特厚煤层( 厚度>8 m )开采产能已成为我国煤炭年生产能力的绝对主力，对于其覆岩破坏以及导水裂缝带发育规律，专家学者进行了广泛深入地研究，于斌[11]等建立了特厚煤层开采覆岩远、近场关键层破断的结构模型；刘英锋[12]等通过钻孔简易水文观测及钻孔电视探测得到深埋特厚煤层综放开采条件下顶板导水裂缝带发育高度，发现工作面回采距离与顶板导水裂缝带发育高度曲线呈台阶型；张宏伟[13]等基于关键层和材料力学相关理论，分析了特厚煤层综放工作面覆岩破坏发育过程及发育高度，采用EH-4大地电磁法对理论计算结果进行了验证；孔令海[14]、邓志刚[15]等采用高精度微地震监测技术探测了特厚煤层顶板破断和裂缝带发育规律；李超峰[16]系统收集了黄陇煤田内特厚煤层综放导水裂缝带实测数据资料，采用数理统计和回归分析研究导水裂缝带高度与工作面宽度、煤层埋深以及采高的相关关系；张玉军[17]等研究了急倾斜特厚煤层水平分层综放开采覆岩破坏特征。特厚煤层综放开采，造成覆岩垮落破裂发育剧烈，向上波及含水层范围广，同时地表坍塌裂缝损害严重，其顶板水害包括地表水体的防治更具有难度；文献[18-20]分别研究了地表水库下、富含水层下以及顶板离层水体下特厚煤层综放高强度开采顶板水害防治技术，保证了工作面顶水高产高效综放安全开采。

堰塞湖是一种特殊的地表水体形式，原有河道两侧山体在自然或者外力作用下崩落滑坡形成堰塞体堵塞河道( 河谷 )形成积水区，如果时间较长则堰塞湖储水体量相当大，对其下压覆的煤炭资源开采是一个重大危险源，同时是一种危害严重的地质灾害形式。本文以陕西彬长矿区火石咀煤矿七采区堰塞湖下压占特厚煤层资源开采为例，在研究特厚煤层综放开采导水裂缝带发育规律和防水安全煤岩柱尺寸的基础上，进行了堰塞湖下煤层开采安全性分析，通过预测堰塞湖区域开采后地表沉陷变形情况和地裂缝发育规律，对堰塞湖( 体 )受采动影响的程度进行评价。

1 研究区概况

火石咀煤矿位于陕西彬长矿区东南部，生产能力为3 Mt/a，开采侏罗系延安组4-2煤层，厚度8～11 m，倾角2°～4°，属于特厚煤层。目前开采矿井七采区西翼区域，采用综采放顶煤一次采全高工艺，全部陷落法管理顶板。七采区地表属典型陇东黄土高原塬梁沟壑地貌，工作面终采线区域上方为一大型沟谷地带，沟谷塬表处宽度约为500 m，两侧塬体坡度陡峭，为80°～90°，其中东侧部分区域塬体崩落垮塌形成堰塞体阻塞了沟谷泄洪通道，形成堰塞湖，水面跨度20～60 m，最深处15～20 m，估算储水量约30万m3，堰塞体体积约20万m3，堰塞体与堰塞湖实景如图1所示，七采区工作面与堰塞湖位置关系如图2所示。

图1 塬体与堰塞湖实景Fig.1 Real scene of loess and barrier lake

实测堰塞体前湖底最低标高为+955 m，塬梁顶部标高约+1 100 m，下方4-2煤层底板标高为+510～+410 m，工作面自西向东俯斜下山推进。物探和采掘生产揭示堰塞湖下开采区域地质构造简单，没有任何断层和陷落柱构造。

图2 工作面与堰塞湖相对位置Fig.2 Location diagram between working faces and barrier lake

图3 煤系地层综合柱状图Fig.3 Comprehensive columne section of roof strata

开采区域煤系地层主要为侏罗-白垩系地层，地层柱状图如图3所示，第四系厚30～200 m，在沟谷切割处较薄，松散含水层局部富水性强，单位涌水量达到2.96 L/( s·m )。下伏厚层状白垩系洛河组砂岩含水层和宜君组砂砾岩含水层，层厚214～290 m，单位涌水量0.175～0.048 L/( s·m )，属于弱至中等富水含水层，层组下段富水性弱。下伏侏罗系安定组、直罗组和延安组泥岩及砂泥岩相对隔水层，富水性极弱，为煤层开采顶板充水含水层，单位涌水量仅为0.000 046～0.000 153 2 L/( s·m )。

煤系地层的主要隔水层有第四系及新近系黏土，岩性以棕红色亚黏土、黏土为主，致密硬塑，是上覆松散含水层底板良好的隔水层，堰塞湖下方新近系厚度约45 m。其次为安定组顶部泥岩隔水层，其平均厚度60 m，岩性主要为泥岩、砂质泥岩，遇水易膨胀软化。力学试验结果显示，侏罗系层组内泥岩类、砂岩类饱和抗压强度均<30 MPa，泥岩类占比达到51%，属于中硬偏软结构，安定组泥岩的抗压强度为17.8 MPa，细砂岩的抗压强度为23.5 MPa，粉砂岩为24.3 MPa。说明安定组为软弱岩层，覆岩岩石力学强度低，对裂隙扩展发育具有较强抑制作用。对侏罗系安定组注水试验结果显示钻孔的单位吸水量仅为0.000 027 L/( s·m )，证明其隔水性良好，为区内较稳定的隔水层，能有效地阻隔上覆白垩系砂岩含水层与下方侏罗系地层的水力联系。

2 特厚煤层综放导水裂缝带

导水裂缝带高度是水体下采煤的主控因素，其与覆岩结构、开采工艺、顶板管理方式、开采厚度、工作面宽度等关系密切，是关系到堰塞湖下采煤能否安全实施的关键。火石咀煤矿缺乏本井田综放开采导水裂缝带高度实测资料，本次采用实测资料工程类比确定矿井特厚煤层综放高强度开采裂缝带发育高度。表1收集了目前我国国内部分特厚煤层开采矿井综放开采导水裂缝带高度实测资料，小康煤矿和大平煤矿属于康平井田，其余测试地均属于彬长矿区，部分煤矿与本井田毗邻，所列矿井开采煤层均为侏罗白垩系特厚煤层，开采工艺与覆岩结构特性相近，机采高度约3 m，余厚放顶煤，覆岩破坏观测结果具有参考类比性。

表1 特厚煤层综放开采导水裂缝带高度实测资料Table 1 Measured data of height of fracture zone in top coal caving with ultra-thick coal seam

由表1可以看出特厚煤层综放高强度开采，顶板覆岩破坏剧烈，导水裂缝带异常发育。下沟煤矿在泾河下采煤采用类条带( 缩小工作面宽度，增大隔离煤柱宽度 )开采方案一定程度上限制了顶板覆岩破坏发育程度，裂采比偏小。工作面宽度小于120 m时，裂采比11.20～13.30，当工作面宽度超过150 m时，裂采比15.88～22.70。七采区堰塞湖下工作面宽度210 m，开采技术条件与示例矿井类似，采用数学均值法可以确定综放裂采比中值为18.74，加权平均法计算其裂采比为18.53，为保证经验公式用于生产的安全可靠度，火石咀煤矿中硬覆岩特厚煤层综放一次采全高裂采比取值为20。

3 堰塞湖下开采安全性

七采区地表堰塞湖属于文献[1]中Ⅰ类采动等级的水体，对井下生产可能造成重大灾害影响，不允许导水裂缝带波及到地表水体，需要留设防水安全煤岩柱。防水安全煤岩柱厚度最小尺寸应满足大于或等于导水裂缝带最大高度加上保护层厚度，即Hsh≥Hli+Hb，其中，Hsh为防水煤岩柱尺寸；Hli为导水裂缝带最大高度；Hb为保护层厚度。根据上述类比确定本井田综放裂采比为20，则4-2特厚煤层综放开采导水裂缝带最大发育高度约为Hli=20M=220 m，由于湖区底部第四系松散层较厚，保护层厚度取3倍采厚，即Hb=3M=33 m，堰塞湖下安全开采所需防水安全煤岩柱尺寸Hsh≥253 m，远小于堰塞湖下最小基岩柱厚度469 m。如图4所示，由于特厚煤层综放开采导水裂缝带高度超过煤层顶板和洛河组底界面层间距HM-L=213 m，纵向远场小裂隙会波及到洛河组厚砂岩含水层底部，但不会造成该层组岩层的纵向整体破断贯通，加之安定组地层的隔水和阻水能力，可以抑制导水裂缝的继续向上发展。

图4 工作面推进走向堰塞湖下煤岩柱剖面Fig.4 Section of waterproof pillar in forward direction

目前国内在地表大型水体下开采特厚煤层工程案例不多，代表性案例为辽宁康平煤田铁法矿区大平煤矿三台子水库下进行了特厚煤层开采试验和扩大开采[18]。与本矿南部相邻的下沟煤矿在泾河下进行了地表水体下开采工程实践，其与本案工程类比情况见表2。可以看出，七采区堰塞湖下综放开采技术条件更为有利，湖下开采区域未发现任何断层和陷落柱等地质构造，工程类比表明堰塞湖下综放开采是安全可行的。

表2 水体下特厚煤层综放开采类比情况Table 2 Analogy case on mining under water with ultra-thick seam

堰塞湖下地质构造极为简单，没有断层和陷落柱，对地表水体下开采有利。开采过程中应该采取如下安全技术措施：① 加强对隐伏构造超前勘探和防治；② 加强井下涌水量监测；③ 完善井下疏排水系统，加大工作面排水能力配备，保证洛河组砂岩含水层下安全开采。

4 开采对地表采动影响

4.1 堰塞湖下采煤沉陷预测

采用概率积分法预测模型计算堰塞湖下8706，8704，8702工作面全采后地表沉陷变形情况。根据七采区开采技术条件综合选取预计参数如下：下沉系数q=0.75，水平移动系数b=0.3，主要影响角正切tan β=2.2，拐点偏移系数S=0.06H，开采影响传播角系数K=0.6。最大开采厚度11 m采后堰塞体及堰塞湖区域地表最大下沉约为7 400 mm，最大倾斜为25.2 mm/m，最大水平拉伸变形为12.1 mm/m。

地表采动沉陷情况如图5所示。

图5 堰塞湖区域采后地表沉陷变形Fig.5 Ground subsidence at barrier lake area

堰塞湖两岸山体极为陡峭，部分地段坡度甚至达到直立状态，开采沉陷基本不会使两侧淹没范围增大。现场勘查堰塞体顺沟谷方向长约100 m，堆土体积量大，稳定性良好。堰塞体顶面与当前水面高差超过12 m，工作面全采后一般不会出现溢坝，随着后期上游不断汇水，堰塞湖水位不断升高，在暴雨时可能出现漫坝现象。上述沉陷预测为工作面采后最终静态沉陷变形状态，开采过程中产生的动态沉陷变形将会对地表造成严重的采动损害( 下山裂缝角β″的动态发育 )，堰塞湖东侧塬体受到严重的拉伸变形作用。考虑到地表塬梁沟谷实际情况，本次采动损害主要关注地裂缝和采动坡体稳定性。

4.2 地裂缝深度

陕北矿区绝大多数为厚湿陷性黄土覆盖，沟谷切割纵横。湿陷性黄土抗拉伸变形能力弱，胶结性差，当地表及土体中拉伸变形超过土体承受的极限变形时地表将会产生裂缝，裂缝两侧的不连续变形造成沉降差异，裂缝处还可能产生陷落台阶[21-22]。采动地裂缝发育深度与地表拉伸变形大小、土体的物理力学性质、表土层含水量、潜水位埋深等有关。文献[23]考虑湿陷性黄土特性以及在拉伸变形作用下土体极限平衡状态，给出不同地表变形区域的地裂缝深度计算公式，可以适用于七采区开采情况。

式中，lh 为地裂缝发育深度；为裂缝处水平变形值；为土体容重为土层压缩模量；为土层泊松比为土体黏聚力。

4.3 采动坡体稳定性

七采区堰塞湖东西两侧坡体陡峭，特别是沟谷东侧塬体，坡度达到80°～90°，塬顶沟谷深度落差超过150 m，黄土塬体自然状态下自身稳定性较差，西侧塬体整体呈现二级甚至三级台阶状，坡度较缓，为30°～50°。工作面方向为南北向( 西向东推进 )，推进过程中外侧将产生南北向裂缝，整个东侧塬体处于沉陷拉伸区内，堰塞湖长轴方向为N25°E，几乎与裂缝延伸方向平行，如图5( c )所示，这将对东侧临空坡体产生不利影响，裂缝纵深发育深度大，不易闭合，割断了土体的胶结联系。由于湿陷性土体中含有大量可溶性盐，降水会进一步对裂缝形成冲刷扩展作用，当滑体处于极限平衡状态时，抗滑力不足以支撑滑体下滑力，其将沿滑移面崩塌滑落。图6为彬长矿区典型井下开采扰动塬体临空滑坡现象。通过现场调查和分析，七采区堰塞体以及紧邻下游滑坡的形成与南部8612工作面开采存在一定的因果关系( 图1，2 )。

图6 彬长矿区地表沉陷诱发滑坡Fig.6 Landslide caused by ground subsidence at Binchang mining area

由地表沉陷预计可以看出，堰塞湖西侧塬体基本处于下沉盆地底部，处于整体均匀下沉状态，东侧塬体由于下沉的不同步造成地表倾斜，下沉盆地的倾斜方向与原始坡面以及潜在滑移面的倾向一致，更易造成滑体崩塌滑落。采用无稳定水位的单滑面采动坡体稳定性预测方法[24]计算得出，东侧临空坡体稳定性系数F值仅为0.279( F≤1为坡体不稳定，F>1为坡体稳定 )，为极为不稳定状态。根据已有工程案例可以推断8704，8702工作面开采会造成东侧塬体临空面失稳形成滑坡地质灾害，西侧塬体滑坡可能性较小。大体量的土体倾入堰塞湖会造成水位暴涨，可能产生漫坝溃坝危害以及泥石流，严重危害下游群众生命安全，因此开采期间必须加强监测东、西侧塬体的稳定性，地表留出合理的安全隔离空间，必要时提前对堰塞体和堰塞湖进行消危处理。

5 结 论

( 1 ) 根据堰塞湖下开采水文地质条件，计算了水体下特厚煤层综放一次采全高所需防水安全煤岩柱尺寸，其远小于湖下顶板基岩柱厚度，类比已实施的水体下开采工程案例，采取合理的安全开采技术措施，堰塞湖下特厚煤层综放开采是安全可行的。

( 2 ) 采用概率积分法计算预测了堰塞湖区域开采后地表沉陷情况。开采沉陷不会使堰塞湖淹没面积大幅度增加。不考虑东侧坡体滑坡的情况下，堰塞体稳定性良好，短期不会出现湖水漫坝情况。

( 3 ) 鉴于湿陷性黄土的特质，预测地裂缝发育深度较大，受地形影响程度大，堰塞体及湖底地裂缝发育受到抑制。采动影响会扰动地表特别是东侧塬体的稳定性，地表沉陷和地裂缝会对临空塬体的滑坡产生推动作用。

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