浅埋厚煤层河下安全开采控水防治技术研究*

刁乃勤，白国良

(1.中煤科工生态环境科技有限公司，北京 100013；2.中煤科工集团北京土地整治与生态修复科技研究院有限公司，北京 100013；3.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

现阶段，控制导水裂缝带发育高度的水体下采煤，其安全开采理论和技术实践已比较成熟，水体下采煤通常是将水体是否位于导水裂缝带上方，且有一定厚度的保护层作为安全开采的评判标准[1-2]，但在山西、陕西、内蒙等煤炭资源丰富矿区，水体下煤层赋存浅、厚度大的开采条件同样广泛存在，浅埋厚煤层开采后，覆岩破坏剧烈，多数地表水体或富水含水层会处于导水裂缝带影响范围以内，甚至导水裂缝带直达地表，此时第四系含水层和地表水体对浅埋煤层的安全开采构成了严重威胁[3-4]。

当水体位于导水裂缝带影响范围以内时，虽然可以采取留设防水煤柱、条带开采、限厚开采、协调开采等安全技术措施[5]，但是却降低了煤炭采出率，减少了矿井服务年限，增加了开采成本。如何在保证水体安全和开采安全的前提下，实行常规垮落法开采，对于提高煤炭采出率，创新“三下”开采技术具有重要意义。

1 河流及矿井水文地质概况

1.1 河流概况

山西左权阜生煤矿井田地表存在一条季节性泄洪河流，河流全长10 km，承担流域面积35 km2的排洪任务。河流沿西北—东南流向穿过矿井一采区地表，该区域河床宽约30 m，平均纵坡14.2‰，河流保护煤柱压占了一采区的1102和1106工作面。河流水源为大气降水和山间径流补给，仅在雨季汛期有山洪流过，平时干涸无水，历史最高洪水位时河水深1.8 m。

1.2 采矿地质条件

井田主要开采石炭系上统太原组15号煤层，厚度3.17～7.40 m，平均6.5 m，倾角9°，煤层结构简单稳定，含0～3层夹矸。采煤方法为大采高一次采全高，全部跨落法管理顶板。15号煤顶板以泥岩为主，局部为砂质泥岩、粉砂岩、细粒砂岩，厚度3.39～12.20 m，平均5.85 m。底板主要为砂质泥岩、泥岩及细中粒砂岩，厚度5.97～12.03 m，平均9.46 m。

井田地表主要为山区沟谷，山区第四系黄土冲积层厚0～5 m，平均3 m，河谷底部砂卵石覆盖层厚6～8 m，与下伏各时代地层呈角度不整合接触。泄洪河流流经采区的地面最高点位于采区西部(+1 354 m)，最低点位于采区东南部(+1 216 m)，地表最大相对高差138 m，河床高程为+1 232 m。

位于泄洪河流正下方的1102工作面开采标高+1 075 ～+1 159 m，工作面宽146 m，推进长度540 m，河下埋深为73～157 m；1106工作面开采标高+1 063～+1 163 m，工作面宽142 m，推进长度868 m，河下埋深为69～169 m，工作面与泄洪河流位置关系如图1所示。

图1 工作面与泄洪河流位置关系图

1.3 地层构造与岩层富水特性

河流流域的地层总体平缓，一般在2°～15°之间，区内构造断层发育较弱。15号煤层直接和间接充水含水层与石炭系上统岩溶裂隙含水层(K2、K3、K4石灰岩含水层组)有密切水力关系，其对1102、1106工作面开采有较大影响，其中K2石灰岩厚5.00～7.50 m，平均6.74 m，裂隙较发育，富水性不均；K3石灰岩厚2.40～5.53 m，平均3.88 m，裂隙较发育；K4石灰岩厚3.15～4.00 m，平均3.49 m。1102工作面开采主要受含水层组富水区影响，临近1101工作面的开采对部分富水区起到了疏干作用。

井田相对隔水层覆盖于各含水层之上，最大厚度19 m，分布较稳定，隔水性能良好。各含水层之间不产生直接的水力联系，大气降水不直接入渗补给地下水。

巷道掘进过程中，1102工作面回风平巷揭露X11陷落柱，未发现涌水；1102工作面运输平巷揭露X15陷落柱，有少量涌水现象。

2 采动覆岩破坏情况分析

煤层开采后，覆岩导水裂缝带发育高度直接关系着水体下采煤工作的安全。导水裂缝带最大高度与覆岩岩性及其力学强度关系密切，当岩层坚硬时，裂缝带发育到最大高度以后基本不再变化；当岩层软弱时，裂缝带最大高度随时间增加会有所降低；当岩层中硬时，裂缝带发育高度与时间关系规律不明显[6-7]。该矿岩石抗压强度实验结果如表1所示。

表1 岩石抗压强度实验结果表

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》[8]，该区覆岩性质属于中硬，垮落带和导水裂缝带高度可按下式计算：

(1)

(2)

式中，Hk为垮落带高度，m；Hli为导水裂缝带高度，m；∑M为累计采厚，m。

当采厚为6 m时，计算得垮落带最大高度14.9 m，导水裂缝带最大高度49.0 m。参考附近潞安地区大采高综放开采覆岩破坏的钻孔观测成果，导水裂缝带最大高度经验公式为Hli=20.22M+10，按此公式计算得到导水裂缝带最大高度为131.3 m。鉴于1102和1106工作面的埋深仅为69～169 m，因此浅部采区无法留设防水安全煤岩柱。

采用概率积分法对地表破坏情况进行预测，采厚6 m时地表最大下沉约5 m，由于浅埋煤层开采(采深采厚比小于30)，地表变形破坏非常剧烈，在开采边界处将产生不连续变形，形成大量明显的地裂缝和塌陷台阶[7]。在采区外围区域，地裂缝基本沿开切眼和采空区边界分布，裂缝的宽度和落差都较大，裂缝形成之后一般不会自然消失；在采区中心区，工作面开采时，采空区前方地表受沉陷拉伸作用，会出现沿工作面平行分布的弧形裂缝，随着开采推进，中心区地表又受到动态压缩作用，地裂缝受压后会在一定程度上闭合，在动态的拉伸和压缩过程中，地裂缝宽度先变大再减小，相对于外围裂缝其对隔水层和地表的影响相对较小[9]。

考虑到河流下方煤层埋深只有69～169 m，强烈的开采扰动会严重破坏隔水层，永久性的导水地裂缝势必会与河床连通，汛期泄洪时地表水与河水会溃入井下，威胁矿井生产安全。

3 枯水期工作面涌水量预测

根据矿井近5年气象水文及河流水量观测记录，当地每年7～10月为雨季汛期，11月至来年6月为旱季枯水期，河水流量经实测为0.039 m3/s，其中3月初至5月底河道内干涸无水，常规开采后，对工作面涌水量进行预测。

(1)对于第四系含水层，采用“大井法”地下水动力学潜水计算公式，其公式为：

(3)

(4)

式中，Q为预测工作面涌水量，m3/d；H为潜水含水层原始厚度，取10 m；S为水位降深值，取10 m；r0为工作面引用半径，m；R0为工作面影响半径，m；K为含水层渗透系数，取抽水试验的平均值18.05 m/d。

考虑富水区岩溶裂隙含水层的充水影响，将涌水量乘以1.2～1.5的安全系数，计算1102工作面涌水量为120 m3/h、1106工作面涌水量为140 m3/h。

(2)当工作面涌水量受开采面积、水位降深因素影响，表现出明显的线型变化规律时，可以按照“单位涌水量比拟法”进行计算，其公式为：

(5)

(6)

式中，q0为单位涌水量；Q0为已知工作面涌水量；F0为疏干面积；S0为水位降深；Q为预测工作面涌水量；F为预测疏干面积；S为预测水位降深。

根据相邻1101工作面的开采实测涌水量(7.8～26 m3/h)，预测类似条件下1102、1106工作面的涌水量分别为20 m3/h、31 m3/h。

取两种预测方法的最大值作为工作面最大涌水量(即140 m3/h)，由于泄洪河流为季节性河流，每年11月下旬至次年5月，河道干涸无水，因此可以通过调整井下开采进度，安排1102、1106工作面于11月初开采，次年5月初结束，平均每月推进约100 m，工作面采用垮落法管理顶板，按照正常回采速度可以在雨季之前停采撤面。为尽量降低开采对河道的破坏，减少雨季地表水入渗，保障安全生产，工作面在通过河流保护煤柱时采取限厚开采，采高降至综采设备允许的最小采高4.0 m，预计采后塌陷区地表裂缝分布情况如图2所示。

图2 垮落开采地表裂缝分区图

4 地表治理与河道保护修复

根据沉陷预计结果，正常开采区(采高6.0 m)地表最大下沉约5.2 m，限厚开采区(采高4.0 m)地表最大下沉约3.4 m，根据浅埋煤层覆岩破坏规律并参考相邻1101工作面地表破坏情况，1102、1106工作面采后地表会出现宽度0.5 m左右的永久地裂缝，以及落差高度超过0.5 m的塌陷台阶，为防止地表水与井下导通，塌陷台阶裂缝区是治理的重点区域。1102工作面开切眼附近地表塌陷台阶和裂缝情况如图3所示。

图3 1102工作面地表塌陷台阶和裂缝情况

4.1 地裂缝和塌陷台阶治理

(1)永久裂缝区回填治理：永久裂缝的宽度和深度超过0.5 m，塌陷台阶的落差也超过0.5 m，该区地表受损严重，需全部用黄土充填，每充填0.5 m用夯实机强夯压实，直至裂缝区与地表平齐，当沉陷区面积达到一定规模后再进行土地平整修复。

(2)动态裂缝区治理修复：动态裂缝的宽度相对较小，深度较浅，主要采取黄土回填、夯实处理。结合井下开采进度，组织专人巡查报告，并根据裂缝发育情况及时回填平整。

(3)地表积水区处理：为消除地表积水隐患，对于局部积水区，应在开采影响波及以前采取临时排水措施，将地表积水排至采煤沉陷影响区以外[10]。

沉陷区裂缝治理应在雨季前完成，随着1102、1106工作面开采推进，地表及时巡视跟进施工，沟谷区累计回填厚度不得小于1.5 m，以增强表土层抗渗性能，治理回填后河床基本保持原来的地势坡度，以利于汛期泄洪，消除雨季降水涌入井下的安全隐患[11]。

4.2 地表截流排水

河道修复前，在不受采动影响的河流上游选择适宜位置筑坝截流，并利用排水管路对地表少量流水进行疏导，待采煤塌陷区地表治理工程结束后，再拆除截流坝恢复河道，截流坝布设位置如图4所示。

图4 截流坝布设位置平面示意图

为防止雨季洪水漫出河道，截水坝迎水面坝高低于河道两岸防洪堤1 m左右。拦截坝利用两岸防洪堤进行修筑，迎水面坝体上留设四个预制的排水管路接头，用于连接排水管路。根据枯水期河水流量0.039 m3/s，排水管路选择内径大于0.28 m的PE(聚乙烯)管，管路尽可能沿原河道敷设，并保持1.4%的坡度，管路每隔200 m留设一个三通，用于堵塞后检修和应急处置。

4.3 河道硬化修复

为保障煤矿安全生产和保护区域生态环境，待采动区地表沉陷基本稳定后，需对泄洪河道进行硬化修复。根据气象水文资料，结合河道原有防洪标准，河道修复按照100年一遇的防洪标准进行设计，最大洪水时河流水深按1.2 m、河水流量按353 m3/s计算。

考虑到地形、施工占地和施工难度等因素，在开采塌陷区就地取黏土填充河底、修筑河堤。河道修复后设计水位低于地面高程，河渠采用梯形断面，河道高1.8 m、底宽18 m、顶部宽23.4 m、坡比1.5，河道纵坡13.2‰，修复后河道流量为448 m3/s，满足100年一遇的排洪要求。

4.4 陷落柱防治水处理

1102工作面运输平巷揭露的X15陷落柱有少量出水，并伴有黄泥，推测其可能与地面导通。为防止在回采过程中X15陷落柱发展成充水通道，对该区段采用工字钢棚支护，并采用高分子HY-2宇速宁填充材料、HY-3宇固宁加固材料、HY-Ⅲ加固材料、QC-3T快速密闭材料对陷落柱进行注浆封堵加固。为保证回采期间巷道顶板稳定性，对陷落柱区段巷道顶板进行注浆加固，注浆钻孔距两帮煤壁0.5 m，孔间距0.7 m，排距1.0 m，两侧斜向上钻孔与顶板成45°～60°夹角，钻孔深度10 m，钻孔布置方式如图5所示。

图5 巷道注浆钻孔布置示意图

5 工程实践及工作面涌水量观测

1102工作面于2019年1月初开始回采，至2020年6月底顺利结束，开采期间对地表及河道进行了治理和局部改道修筑，并对工作面涌水量采用容积法进行了连续观测。观测结果显示：开采前3个月，工作面涌水量8.5～20.1 m3/h；后续15个月，工作面涌水量稳定在20.2～25.6 m3/h，平均21.5 m3/h，与单位涌水量比拟法计算的20 m3/h结果相近；1106工作面开采期间，现场实测最大涌水量20.2 m3/h，数值始终正常。观测结果说明地表治理及河道硬化修复措施有效可靠，地表水没有沿导水通道涌入井下，河下安全开采综合控水防治技术取得了成功。

6 结 论

(1)根据泄洪河流下开采、水文地质条件，计算了采厚6 m时导水裂缝带发育高度，浅埋深大采高垮落法开采会严重破坏含水层和河道。根据该区气象规律和季节性河流特点，通过调整开采进度和采高，安排1102、1106工作面在枯水期开采，在汛期到来之前结束开采。

(2)采用概率积分法预测了地表永久裂缝区和动态裂缝区位置，针对地裂缝和塌陷台阶进行治理修复；在不受采动影响的河流上游筑坝截流，利用排水管路疏导枯水期河水；按照100年一遇的防洪标准硬化修复受损河道；对采区陷落柱进行注浆封堵加固，防止雨季降水和泄洪河水沿导水通道溃入井下。

(3)1102、1106工作面开采实测涌水量小于25.6 m3/h，与水体外围常规工作面涌水量接近，说明井上下综合控水防治措施有效可靠，成功实现泄洪河流下深厚比小于30的垮落法安全开采，解放河流压煤126.9万t。