河下采煤安全性分析研究

胡永磊

摘 要：本文以七一煤礦河下工作面開采為例，通過理論計算及數值模擬，確定導水裂隙帶高度、地表裂縫發育深度及地表下沉值，對安全性進行分析研究，最終確定河下采煤的安全性，對礦井進行水下采煤具有重要的指導意義，同時為礦井開展地面河道治理提供基礎依據。

關鍵詞：水下采煤;安全;導水裂隙帶;地表裂縫;河道治理

中圖分類號：TD823 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）14-0165-02

煤炭資源在我國能源結構中占很大比重。隨著技術進步，使得建筑物、水體、鐵路下壓埋的復雜難采煤炭資源得以開發。把“三下”煤炭資源開采出來非常必要[1][3]。河下采煤的關鍵在于，一是防止河水潰入井下，二是防止井下開采影響地面生態，因此開展河下開采安全性研究具有重要意義[4][5]。本文采用數值模擬、理論計算等方法，確定導水裂隙帶高度，開采引起的地表裂縫深度及地表開采沉陷值，得出河下開采是否安全的結論。

1 工程概況

山西襄垣七一煤礦位于襄垣縣城西北8km處七里街大河村附近，太行山西麓的長治盆地北部。采用斜井開拓方式，單水平開拓3號煤層。

為了提高煤炭采出率，擬回收二采區下山巷道與路家溝村保護煤柱之間未采動部分，以及二采區下山巷道間的煤柱，即2006綜采放頂煤工作面，設計生產能力為0.6Mt/a。

2006工作面地面有石角河自西北向東南流過。石角河為季節性流河，平時基本無水，僅在7～8月份降雨量較大時有流水，最大流量為12.5m3/h。

2006工作面東至南翼回風立井場地保護煤柱，西至井田邊界，南至一采區下山巷道保護煤柱，北至采空區煤柱，包括二采區三條下山之間的煤柱。工作面斜長170m，有效推進長度為441m，面積為0.075km2。煤層平均厚度為5.45m，煤層傾角11°～21°，平均為16°。工作面最大埋深387m，最淺埋深285m，平均埋深343m。

2 工作面開采安全性分析

2.1 導水裂隙帶高度計算

根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》和《煤礦床水文地質、工程地質及環境地質勘探評價標準》（MT/T1091-2008）中提供的計算方法分別對2006工作面回采后的導水裂隙帶最大高度進行計算。

經計算，地表裂縫發育深度為3.95m。而2006工作面上覆第四系表土層厚度約5.65m，所以地表裂縫一般不會貫通表土層。

2.3 地表開采沉陷預測

采用開采沉陷預測預報系統軟件（MSPS）對開采后地表下沉情況進行模擬計算。

（1）地表預測沉陷參數：地表移動變形計算的主要輸入參數有下沉系數q、主要影響角正切tgβ，水平移動系數b，拐點移動距S及影響傳播角θ。這些參數的取值主要與煤層開采方法、頂板管理方法、上覆巖層性質、重復采動次數以及采深采厚比等因素有關。根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》及本井田所在區域地質情況，并結合實際開采情況確定其模式輸入參數。參數選取見表1。

（2）地表沉陷預測結果：2006工作面平均開采深度為343m。根據煤層開采厚度，采深及有關預計參數，計算出工作面開采后產生的地表移動變形最大值，見表2。

對于同一煤層，隨著深度的增加其地表變形最大值逐漸減小。

2006工作面開采后地表會形成一個長約850m，寬約550m的下沉盆地，地表下沉量等值線見圖1。

2006工作面回采后，地表最大下沉量為3.581m，大致位于2006工作面推進方向中部，未開采前該處地表標高約為+965m，地表最終形成的下沉盆地的最低點標高約為+961.419m，石角河下游與路家河交匯處標高為+959.8m，下沉盆地的最低點比石角河下游與路家河交匯處高1.619m，因此下游河水不會倒灌入下沉盆地。但是由于開采造成地表下沉，地表下沉盆地的底部可能會積水。

2.4 安全性分析

根據以上計算結果可知，回采2006工作面后最大的導水裂隙帶高度為82m，地表裂縫發育最大深度為3.95m，而2006工作面地表表土層厚度約5.65m，最大下沉值為3.581m，而工作面開采深度最小約為285m，故導水裂隙帶不會與地表裂縫貫通。另外，3號煤層與地表石角河之間存在兩層隔水層，為第四系底部及第三系隔水層、二疊系砂巖含水層層間隔水層，因此2006工作面開采后最大導水裂隙帶不會導通地表水。

但2006工作面開采會在地面形成一個下沉盆地，盆地的底部可能會積水。對地面地形有一定的影響但影響不大，工作面開采過程中要密切注意地表塌陷情況，對于出現的裂縫要及時填埋、夯實。對河道、溝谷及時整修，保證雨季排水通暢。

3 結語

（1）根據理論計算結果，工作面回采后最大導水裂隙帶高度為82m，開采導致地表裂隙發育最大深度為3.95m;

（2）工作面3號煤層埋深最小285m，煤層厚度5.45m，表土層厚度5.65m，最大下沉值為3.581m，煤層頂板距離表土層厚度最小為270.319m，遠大于導水裂隙帶高度82m，導水裂隙帶不會溝通表土層。地表裂縫發育最大深度3.95m，小于表土層厚度，地表裂隙不會貫穿表土層。并且3號煤層與地表石角河之間存在兩層隔水層。因此，河水不會對2006工作面開采安全產生威脅;

（3）根據開采沉陷預測預報系統軟件模擬計算，2006工作面開采后形成一個長約850m，寬約550m的下沉盆地，地表最大下沉值3.581m，造成波及范圍內的河道下沉，并在盆地底部形成積水區，對于開展地面河道治理具有一定指導意義。

參考文獻

[1] 陳連軍，李天斌.水下采煤覆巖裂隙擴展判斷方法及其應用[J].煤炭學報，2014（12）：301-307.

[2] 李曌，王金安.金沙河下采煤地表移動變形與導水裂隙帶高度預測分析[J].中國礦業，2012（08）：120-124.

[3] 吳繼蛟.干河井田團柏河下采煤安全性研究[J].山東煤炭科技，2019（2）：26-27，30.

[4] 陳玉平，鄧喀中.皖北礦區河流下煤炭安全開采技術[J].煤礦安全，2012（07）：182-184.

[5] 郭文兵，邵強，尹士獻，邵宏甫.水庫下采煤的安全性分析[J].采礦與安全工程學報，2006（03）：324-328.

[6] 吳侃，周鳴，胡振琪.開采引起的地表裂縫深度和寬度預計[J].阜新礦業學院學報（自然科學版），1997（12）：649-652.