松散含水層長距離大采面工作面開采對策研究

王麗靜

（同煤集團地質勘測處，山西 大同 037003）

1 概述

馬道頭礦井屬于同煤集團新建千萬噸級特大型礦井，于2012年投產，設計生產能力為10.00 Mt/a，現已開拓四盤區、二盤區和一盤區，即將開采四盤區8404 工作面。馬道頭礦8404 工作面開采長度4 155 m，寬度220 m，煤厚7.8～27.4 m，平均18.6 m。煤層埋深約290 m。通過該礦以往工作面開采觀測，采后地表將出現大面積塌陷。因工作面地表臨近元子河，距離主河道不足1 000 m，開采過程中若頂部發生變形、垮塌，且影響到地面，勢必造成元子河松散含水層水灌入井下，造成嚴重水害。為查明8404 工作面至元子河西側范圍內第四系松散層的巖性、厚度、底板埋深以及第四系松散層地下水位埋深和地下水流向等影響因素，特制定各種勘查手段，施工地面水位觀測孔，為進一步論證元子河第四系松散含水層對8404 工作面回采可能造成的危害提供有力依據。

2 區域地形地貌

馬道頭煤礦位于大同煤田西南部，為低山丘陵

地形，東、南、西三面為低山區，西為西石山、南為洪濤山、東南為口泉山脈。地勢東南部高，西北部低，黃土梁及“V”字型溝谷發育。地形最高點+1 709 m，位于井田東南部；在元子河河床，標高+1 412 m，相對高差297 m，一般地形標高+1 450～+1 600 m。

本區域河流屬海河流域永定河水系桑干河支系。元子河為桑干河一級支流，發源于左云縣馬道頭、郭家坪、坡屋村一帶，由東北向西南經李石匠、增子坊、大馬營等地，向南經蘭花口、朔州平原匯入桑干河。河流長28 km，匯水面積290 km2，為樹枝狀水系。在小京莊一帶河床呈“U”字型，河寬200～300 m，往下游至增子房河床變窄呈“V”字型，河寬為100～300 m。該河屬季節性河流，夏季暴雨時有短暫洪流，流量很大，局部地段有泉水出露呈細流。另外8404 工作面地面有一溝谷大沙溝，走向東西，流向由東向西，溝寬200 m左右，深2～3 m，在夏季有洪水泄流。

3 研究區地表松散含水層探測方法

3.1 勘查鉆孔的布設

在8404 工作面至元子河西側范圍內共布設9個勘查鉆孔。其中沿元子河現代河床方向布設3個，臨近8404 工作面范圍布設3 個；8404 工作面至元子河西側布設3 個。

所有鉆孔開孔直徑153 mm，終孔直徑153 mm，井壁管直徑110 mm，全孔下管，含水層部位下入濾水管。預計鉆孔深度20～50 m，終孔以穿過第四系松散層進入白堊系泥巖為原則，全孔取芯，并進行抽放水試驗。

3.2 松散層勘探成果

（1）含水層與隔水層

勘查區第四系松散含水層巖性為上更新統砂礫石、園礫和粗砂。有1～3 層含水層，厚度6.0～12.4 m；有3～4 層隔水層，厚度1.1～24.1 m。白堊系泥巖為主要隔水層，該層區域最大厚度85 m，平均厚度40 m。靠近元子河附近含水層單層厚度和總厚度都變大，反之變小，見圖1。

圖1 松散層厚度等值線

勘查區第四系松散含水層水位埋深隨地形變化，東部埋深大，西部埋深小。東部（靠近8404 工作面）地形略高，地下水位埋深3.0～6.8 m；西部元子河附近地形略低，地下水位埋深1.4～1.8 m。據調查及鉆孔抽放水試驗，該區域松散含水層涌水量約30～40 t/h。

（2）地下水位情況

勘查區第四系松散含水層底板最低處埋深46 m（水井1 調查資料），標高+1 377.1 m。含水層巖性為砂礫石、園礫及粗砂，顆粒較粗，孔隙率較大。地下含水層與地表水及大氣降水的聯系較密切，地下水位的動態變化亦與大氣降水聯系較密切。每年的冬、春枯水季地下水位低，夏、秋豐水季地下水位較高見表1。

表1 各鉆孔地下水位統計

另據調查，勘查區北部、南部現有機井深度多為40 m左右，水井1 松散層厚度46 m，北部ZK509地質鉆孔顯示松散層厚度89 m。8404 工作面采位790 m處ZK703 鉆孔顯示松散層厚度9 m。說明元子河床、大沙溝中部第四系含水層厚度大，賦存的地下水量也較大。

（3）8404 工作面防治水對策分析

①8404 工作面概況

馬道頭礦8404 工作面開采長度4 155 m，寬度220 m，煤厚7.8～27.4 m，平均達18.6 m，煤層埋深約290 m。白堊系泥巖是上部松散含水層的直接隔水底板，該層區域最大厚度85 m，平均厚度40 m，厚度較大，隔水效果較好，且可塑性較強。若8404 工作面頂板發生垮塌，導水裂隙帶波及到此層位，破壞其隔水性能，將導致松散含水層中的地下水沿導水裂隙帶向下流，若此處地面塌陷大于4.5 m，將使白堊系泥巖頂面低洼處地下水倒流至塌陷區，沿塌陷裂縫灌入井下工作面，造成大量地表水下泄，嚴重威脅礦井生產。因此有效控制導水裂隙帶發育高度，準確掌握地表水動態變化，方能有效解除地表水威脅，保證安全生產。

②限高開采的決策分析

據調查8404 工作面上覆巖層巖性以粉砂巖、細粒砂巖為主，次為中粒砂巖及含礫砂巖，呈互層結構。砂巖多膠結致密，巖石飽和抗壓強度介于20～40 MPa 之間，所以采用《礦區水文地質工程地質勘探規范》（GB12719-91）附錄F的中硬巖類巖石冒落帶、導水裂隙帶最大高度的計算公式：

式中：Hm為冒落帶最大高度，m； H為導水裂隙帶最大高度，m；M為煤層累計采厚，m；n為煤層分層層數。

經計算8404 工作面開采厚度平均為18.6 m，帶入公式可得，冒落帶最大高度為74.4 m，導水裂隙帶最大高度267 m； 當開采最大煤厚27.4 m時，冒落帶最大高度為109.6 m，導水裂隙帶最大高度391 m。而煤層埋深約290 m，若按全煤厚開采必然破壞地表松散層，造成地表水下泄，故須有效控制開采高度，以降低導水裂隙帶高度。

綜合以上松散層勘探結果，松散層厚度最大約45 m，故為保證白堊系泥巖隔水層不被破壞、地表塌陷小于4.5 m，必須將導水裂隙帶控制在240 m以下（以上公式計算可得），又考慮到計算數值與實際數值存在偏差，同時結合以往馬道頭礦開采情況分析，導水裂隙帶至少應控制在200 m以下，方可保證隔水層不受破壞，故經以上公式計算得開采高度應控制在13.8 m以下。

4 建立地表松散層水文動態觀測系統

經上述公式計算及實際觀測得，工作面正常回采，導水裂隙帶高度約390 m，能夠導通地表，故建立地表松散層水文動態觀測系統，可有效監測工作面回采期間地表水下泄情況。

本次共施工9 個勘探孔，并將K3、K8、K9鉆孔留設為水文長觀孔，并做孔口保護，定期監測水位變化，建立地表松散層水文動態觀測系統。水文孔動態監測結果見圖2。

8404 工作面回采時，同時對地面進行沉降觀測，對K3、K8、K9鉆孔之地下水位進行觀測，觀測頻次為24 h。若發現地面沉降、地下水位下降和井下涌水量增大，應立即啟動應急措施。

圖2 水文孔動態監測成果

5 結語

通過回采期間地表水及工作面老塘涌水量觀測結果顯示，地表水水位在工作面開采前后無明顯變化，變化規律符合前期勘探結果，無明顯地表沉陷，且工作面采后老塘未發現涌水現象。綜合判斷工作面回采后雖地表產生塌陷，但地表松散層水位未發生下降，判斷白堊系泥巖隔水層可塑性較強，地表塌陷時只發生彎曲變形，未產生大面積斷裂破壞，仍保持良好的隔水能力，故地表松散層水未下泄至8404工作面，有效地保證了特厚煤層的安全開采。