巨厚砂砾含水层下大采高工作面安全开采研究

伊丽娟

（大同煤炭职业技术学院，山西 大同 037000）

随着经济的不断发展，煤炭资源依然是我国的主要能源之一。能够安全高效地进行煤矿开采是煤矿企业追求的一个重要目标。水文地质条件在很大程度上影响着煤炭的开采效率。在我国西部地区，很多煤矿存在水文地质条件复杂，极易发生矿井水害的问题。水体及含水层下开采是我国煤矿开采的一个重大的技术难题[1-6]，煤层上覆多个裂隙含水层，使得煤矿在开采过程中受到严重的影响，甚至引发安全事故。

本文针对黄陇侏罗纪煤田李庄矿大采高工作面4201 工作面的工程地质与水文地质情况，通过理论分析、裂隙探测及数值模拟的方法，对巨厚砂砾岩含水层下保水开采进行探讨。

1 工作面概况

4201 工作面东侧为井田边界，南侧为运输大巷，西侧为4203 工作面，北侧为地表河流保护煤柱。

4201 工作面所采煤层延安组4#煤层，煤层厚度为4.98～6.37 m，平均厚度 5.96 m，采用大采高工艺回采。煤层顶底板岩性及其特征见表1。

表1 含/隔水层情况统计表

2 水文地质特征

煤层上覆岩层含水层为：白垩系下统洛河组含水层、白垩系下统宜君组含水层、侏罗系中统直罗组含水层、侏罗系中统延安组含水层，隔水层为侏罗系中统安定组泥岩隔水层。各岩层情况见表2 ，煤层与主要含、隔水层之间的关系示意图如图1。

图1 煤层与主要含、隔水层之间的关系示意图（m）

根据表2 可知，区内主要充水含水层为白垩系下统洛河组砂岩含水层，厚度较大，富水；白垩系下统宜君组砾岩含水层，弱富水；侏罗系中统直罗组砂岩含水层，弱富水；侏罗系中统延安组砂岩含水层，弱富水。稳定隔水层为侏罗系中统安定组泥岩隔水层。对煤矿开采有比较大影响的是宜君组和上覆洛河组含水层，而直罗组和延安组含水层对煤矿开采影响较小。

表2 含/隔水层情况统计表

3 工作面导水裂隙高度分析

3.1 现场实测

为查明导水裂隙带的发育特征及工作面开采过程中洛河组含水层对其的影响，对4201 工作面进行了导水裂隙带发育高度探查。探查方法采用井下仰孔注水测漏观测法。

井下仰孔注水测漏法采用钻孔双端封堵测漏装置，是通过直接测定钻进过程中的钻孔冲洗液漏失量，并结合钻孔水位、掉钻、钻孔吸风及岩芯观察等资料来综合判定导水裂隙带高度的一种方法[7-9]。通过仰孔注水测漏法对4201 工作面不同开采高度向工作面导水裂缝带发育高度进行探测，工作面累计推进600 m。在不同采高条件下，上覆岩层导水裂隙带高度、离层带高度等实测数据见表3。（最高裂隙距离带的距离为离层带高度与导水裂隙带高度之差）

表3 导水裂隙带高度实测统计表

根据表3 可知：不同采高条件下，导水裂隙带高度为109.8～182.9 m，为采高的28～31.4 倍；采高为3.5～4.5 m 及6 m 时，裂采比相对较大，为31.4～30.5，采高为5.0～5.5 m 时，裂采比相对较小，为28～29.2。离层带高度为172.2～177.1 m，根据图1 可知，离层带位于安定组隔水层与宜君组含水层的交界带，并随采掘工作进行，离层带逐渐被上覆含水层中的水填充。

通过分析，4201 工作面采高在5.5 m 以下时，导水裂隙向上发育至上覆泥岩隔水层，此时，裂隙尚未贯通；采高在3.5～4.5 m 时，裂采比高，在5～5.5 m 时，裂采比减小，且减小幅度很大，其原因是离层形成过程中，上覆安定组泥岩发生弯曲下沉，部分裂隙发生了闭合；当采高为6 m 时，裂采比又明显增大，但离层带高度几乎没有变化，工作面内大量积水，说明安定组隔水层已经被贯通，裂隙发育到了宜君组隔水层，离层带之间的积水在工作面渗出。

3.2 数值模拟

应用FLAC 软件对不同采高进行了数值模拟，其中比较有代表性的是采高5.5 m 和6.0 m 时上覆岩层破坏形态（如图2）。由图可见，采高为5.5 m 时，上覆岩层最大破坏高度为148 m；当采高为6 m 时，上覆岩层最大破坏高度为185 m，其破坏高度较采高5.5 m 时的破坏高度有大幅度的增加。这跟前面分析的采高5.5 m 时裂隙没有贯通，部分裂隙发生闭合，而采高6 m 时，裂隙被贯通，发育到了宜君组隔水层的结论一致。因此在这种条件下进行开采，存在一定的安全隐患。

图2 4201 工作面上覆岩层破坏高度

4 结论

（1） 区内主要含水层为白垩系下统洛河组含水层和宜君组含水层，侏罗系中统直罗组含水层和延安组含水层。稳定隔水层为侏罗系中统安定组泥岩隔水层。对煤矿开采有比较大影响的是宜君组和上覆洛河组含水层。

（2）通过仰孔注水测漏法对导水裂缝带发育高度的探测结果显示：采高为3.5～6 m 时，裂采比为28～31.4。在不同采高条件下，导水裂隙带高度为109.8～182.9 m，为采高的28～31.4 倍；采高为3.5～4.5 m 时，裂采比大，采高为5～5.5 m 时，由于产生离层时，上覆安定组泥岩发生弯曲下沉，部分裂隙发生了闭合，此时的裂采比大幅度减小；采高为6 m 时，裂隙被贯通，裂采比再次增大。