神府礦區徑流條件下淺埋煤層開采防治水技術分析

楊磊

摘要：神府煤田煤炭資源豐富，煤質優良，埋藏淺，薄基巖，構造簡單，但是近年來防治水問題成了神府東勝礦區的主要難題。文中以陜煤集團紅柳林礦區為例，通過大量資料分析提出了采動溝谷水害類型分區，并針對不同類型提出了不同的地面、井下綜合治理方法。

關鍵詞：地面徑流；淺埋煤層；防治水技術

0、引言

陜北侏羅紀煤田處于毛烏素沙地與黃土高原的接壤地帶，礦區生態環境脆弱，煤層埋藏淺、基巖薄，煤層開采厚度4-10m，煤礦開采必然會造成地表水、地下水滲漏，土地沙漠化、水土流失嚴重，對生態環境影響大，而且易破壞，難恢復。針對陜北、內蒙的地理環境和煤礦開采易引發生態環境破壞的工程地質水文地質條件，生態環境保護、保水采煤[1-2]和煤炭資源安全開發利用都是非常重要的，在煤炭開采過程中尋求合理采煤措施成為該地區煤礦開采的必然選擇。

1、地面徑流條件下開采存在的問題

研究區—神南礦區位于陜北神府礦區南部，由紅柳林、張家峁、檸條塔三大井田組成，西部為波狀沙丘地，東部為黃土梁峁溝谷地貌，區內黃土在中西部形成“人”字形壟狀，分別構成了以考考烏素溝、蘆草溝、巴兔明溝、長毛溝及常家溝水庫為匯水單元的低洼位置。在區內各大支溝的上游邊界和溝壑區易發生水土流失，在這些區域，地形坡度一般大于15°，地形破碎、沖溝發育，暴雨產生急劇的地表徑流，形成巨大的沖刷力，強烈侵蝕表層土壤，形成大量的水土流失。在陜北地區，河流周邊一般都有村莊存在，煤礦開采后如果不采取措施，在淺埋條件下必然會造成地表水和地下水滲漏，這樣依存這條河流的土地和村莊就無法生存了，同時地表洪水地下水也威脅著礦山的安全開采。

2、采動后工作面水害類型分析

礦井采動后，在工作面后方將形成大范圍未支護的空間，當懸頂距達到直接頂的極限跨落距時，直接頂發生冒落，自由空間被冒落的破碎巖石充填，煤層頂板以上依次形成冒落帶、裂隙帶和整體下沉帶（圖2.1）。

冒落帶特點是巖石呈不規則塊狀，散體結構，空隙大，根據鄰近礦區的經驗，冒落帶發育高度約為3-6倍的煤層采高。裂隙帶的特點是，巖層不連續，豎向裂隙發育，滲透系數大，如裂隙帶與含水層導通，則含水層中的水會沿裂隙灌入礦井，形成潰水潰沙事故，增加礦井的排水費用，嚴重的威脅礦井的安全生產。整體下沉帶內的巖層結構未發生改變或只有少許的裂隙，不能構成貫通的導水通道。彎曲下沉帶上方地表一般都出現下沉盆地，盆地邊緣往往出現張裂隙，但寬度向下變小，至一定深度即閉合，如整體下沉帶內發育有連續的隔水層，對保護上部含水層水是有利的。故彎曲下沉帶具有隔水保護層的作用。

圖2.1 煤層開采三帶示意圖

一般情況下，裂隙帶的空間發育形態應為馬鞍形。在切眼后側和工作面前方，即鞍部兩翼，為拉應力區，將發育有豎向超前裂隙，這些裂隙在工作面推進過程中不易閉合，連通性強，發育高度大，往往形成貫通的導水通道，如圖所示，采空區煤幫上方和切眼上方為優勢滲流面，是工作面安全生產中的薄弱環節。隨著工作面遠離切眼，開切眼附近采動覆巖裂隙導水能力逐漸減小，最終達到穩定狀態，且滲透能力只是初始滲透能力的幾分之一。即在煤層開采工程中，只要開切眼側在工作面開采初始階段沒有發生頂板水資源流失，那么在以后的開采過程中，開切眼一側發生水資源流失的可能性更小。因此當工作面的布置與地面水體或燒變巖在水平方向上比較接近時，應留設足夠的側向防水煤柱，以防超前裂隙導通地面水體或燒變巖，發生潰水潰沙的事故。

根據以往研究可知：在工作面推進的過程中，如地表為梁峁地貌，地表裂縫開度往往呈先增大后減小的趨勢。裂隙在工作面前端拉伸區發育，開度增大（a），向下隨深度逐漸尖滅；隨著開采的推進，當拉伸區推過裂隙后，裂隙進入壓縮區，裂隙開度漸漸減小，趨于閉合（b），說明在煤層開采過程中，采動對地表裂隙的影響是多方面的。

煤炭開采對覆巖產生不同程度的破壞，也對水資源產生不同程度的影響。通過我們大量的試驗研究紅柳林煤礦南翼肯鐵令溝區域導水裂隙帶發育高度、冒落帶高度、上覆基巖厚度、砂層厚度、松散層厚度、土層厚度對覆巖破壞影響因素，并結合防水防砂安全煤柱保護層厚度，將采動溝谷徑流水害劃分為四類：突水潰砂型、突水型、滲漏型、保水型。

突水潰砂型：當預測的冒落帶導通地表，或者冒落帶以上殘余巖土層厚度小于防砂安全煤巖柱保護層厚度，地表水、地下水以及上覆砂層一起潰入井下。

突水型：當預測的導水裂隙帶高度溝通地表，或者導水裂隙帶以上殘余巖土層厚度小于防水安全煤巖柱保護層厚度，地表水部分漏失，地下水潰入井下，對井下產生突水水害。

滲漏型：預測的導水裂隙帶發育到隔水土層但未完全導穿，隔水土層尚有一定的有效隔水厚度，少量地表水漏失，地下水滲入井下。

保水型：導水裂隙帶高度加防水安全煤巖柱厚度小于基巖厚度，地下水基本不受影響，短時間內可以恢復。

3、水害防治技術研究

21世紀以來，由中國礦業大學錢鳴高院士帶領的科學團隊提出了一個重要理論——“綠色開采”理論[3]，內涵是努力遵循循環經濟中綠色工業的原則，形成一種與環境協調一致的，努力實現“低開采、高利用、低排放”的開采技術。2006年，錢鳴高院士又提出了“科學采礦”理論[4]，該理論是指實現既能最大限度地高效采出煤炭資源而又保證安全和保護環境的開采技術。

礦井開采防治水工作是十分重要的，發生突水事故對于礦工生命安全和礦井財產安全的危害是極其巨大的，近幾年如駱駝山、王家嶺等突水事故都造成了極大的損失。因此，國家出臺了《煤礦防治水規定》，各個企業也出臺了相應的各類規章制度來杜絕水害。我們不僅僅是要加大投入開展防治水工作，針對不同的水害類型，更需要采取合理的治理方法，在煤炭形勢不好的情況下把防治水工作做好，用較小的成本活的最優的效果。下面根據研究區的水害類型提出相應的治理方法。

3.1地表水水害防治工程技術

（1）治山治坡：在山上植樹造林。

（2）在研究礦區，可在溝谷周圍構筑防洪圈，防洪圈由防洪堤、截水溝、排洪道組成。

（3）對礦區內的河流、溝壑的治理，可根據具體情況，采用改道、裁彎、分流、浚深、拓寬、筑堤、鋪底以及修渡槽等措施。

（4）對小窯塌陷坑、巖溶漏斗仍采用填、堵、圍、排等辦法。

（5）地勢低洼的地方，可采取挖排水溝排水的方法（爭取自流排水，無自流排水條件的應設泵站排水）

3.2 井下水害防治技術

一個采區、平面或巷道的具體工程，要具體了解開掘空間上覆含水層厚度及空間的變化，并了解隔水層巖性組合情況，主采煤層上覆砂層含水層的富水性及水量、水位情況。

在對煤層上覆含（隔）水層特征了解清楚的情況下，要按照《煤礦防治水規定》的規定留設防水煤巖柱，以預防雨季沖溝洪水潰入井下。應適當增加排水能力，在突水可控的情況下，最大限度的實現盡快排水。可采取分區隔離措施，分區設立水閘門。適當縮短工作面長度，改變開采方法，仰采掘進。

加強水文動態觀測，搞好水文情報。大量的突水事故表明，一些較大的突水事故，不僅是有條件的，而且突水前是有一定征兆的。只要認真觀察認識這些條件和征兆，就能夠對能否發生突水以及發展趨勢做出分析和判斷，就能采取措施預防水害發生或防止災情擴大。

3.3工作面總體防治水技術思路

以工作面為單元，在研究工作面走向水文地質工程地質條件變化后（含過溝谷段地表徑流水影響），按不同涌水條件和類型部位，預計涌水量值大??；然后按照研究的對應防治水技術措施，有針對性的提出對工作面不同部位防治頂板砂巖水、松散層水、過溝谷段地表徑流水配套技術措施及所需工程。

4、結論

經過對研究區15206工作面采取上述的防治水工程，工作面安全回采。溝道治理后，多回采煤炭資源45.15萬噸，按照70元/t 的利潤計算，可以增加企業利潤約3160萬元，而溝道治理費用為218萬元，經濟效益明顯。神府礦區很多區域都存在這樣的地質條件，這項研究技術均可以推廣應用。

參考文獻：

[1]范立民. 論保水采煤問題[J]. 煤田地質與勘探， 2005， 05期：50-53.

[2]范立民. 生態脆弱區保水采煤研究新進展[J]. 遼寧工程技術大學學報：自然科學版， 2011， 05期：667-671.

[3]錢鳴高， 許家林， 繆協興. 煤礦綠色開采技術[J]. 中國礦業大學學報， 2003， 32：343-348.

[4]錢鳴高， 繆協興， 許家林，等. 論科學采礦[J]. 采礦與安全工程學報， 2008， 第1期：1-10.