天祝煤礦河下采煤安全性分析及防治水技術

黃 浩，方 剛，3，梁向陽，劉 洋

（1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安710077；2.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安710077；

3.西安科技大學 地質與環境學院，陜西 西安710054）

我國西北煤炭生產地區內資源量豐富，但地下開采往往會造成地表生態系統不同程度的損害。尤其對于有地表河流分布地區，井下采煤形成的地表塌陷、地裂縫等可能造成區內流域的變化，影響自然環境和居民正常生活[1-2]。為此，在確保煤炭資源合理開采和礦井安全生產的同時，還必須兼顧生態環境和地表水資源保護的協調發展理念[3-4]。

近年來，業內諸多學者和研究人員通過不同手段和方法、從不同角度對該類問題開展研究。王金安等[5]采用地表移動監測和離散元數值模擬分析開采擾動河床地表移動規律和地層破壞特征，提出加固提高河床強度、減輕采動影響、增強河床整體性、防滲層預防河床損傷等“四元結構”防滲治理方案。李常文等[6]通過相似材料模擬試驗對淺埋煤層河下開采時導水斷裂帶高度進行研究，發現隨著采高的增加，試驗與“三下”采煤規程計算結果相差逐漸增大，煤層需進行采高控制實現河下煤層安全開采。方剛等[7]針對過溝區域開采淺埋薄基巖頂板巨厚煤層不同地段涌水量進行預測，確定工作面開采時地表河流和大氣降水為主要充水水源，頂板裂縫帶為主要充水通道，并提出“攔截、封堵、疏導”的防治方案，分采前、采中、采后3 階段完成地表過溝開采水害防治工作，同時確保地表河流正常徑流恢復。侯恩科等[8]通過相似材料物理模擬與數值模擬的方法，對覆巖破壞規律及裂隙發育特征進行研究，發現斜坡裂縫的寬度隨開挖進行由小變大并趨于穩定，坡腳裂縫寬度由小變大、再變小至閉合，溝底裂縫的寬度由小變大并趨于穩定，地表裂縫演化規律與地形和地表應力狀態有關。李江華等[9]以近距離煤層組開采為例，通過分析含水層與地表河流之間水力聯系和導水斷裂帶發育高度計算，判斷煤層開采是否波及地表水體，并采用概率積分法計算評價地表河堤塌陷變形及防護措施。王樂杰[10]探討了覆巖破壞高度及防水安全煤巖柱尺寸留設情況，結合概率積分法對地表移動變形進行預計，分析了煤層開采后河床所受影響。羅利卜等[11]針對淺埋薄基巖和厚松散含水層等開采條件地表過溝區防治水工作，提出“時間+空間、優化接續+防治水工程”的思想體系。劉貴等[12]通過地面施工“兩帶”孔進行鉆孔沖洗液漏失量和彩色電視觀測，采用物理模擬研究各工作面留設一定寬度隔離煤柱的開采覆巖破壞過程，根據單工作面最大裂采比計算最小防水安全煤巖柱垂高。楊艷國等[13]采用理論分析和UDEC 數值模擬方法對河流下多煤層不同開采順序對上覆巖層導水斷裂帶發育情況進行分析，研究認為先中間、再上部、后下部的混合順序開采相對較為合理。此外，研究人員還通過多種模擬方法，如有限元[14]、有限差分[15]、離散元[16]等軟件對地表河流、水體下開采覆巖破壞變形及裂隙發育規律進行分析，并結合現場觀測[17]等方法開展相關研究。

1 研究區概況

天祝煤礦井田面積約11 km2，礦井開采上層煤和中層煤，該2 層煤相距較小，應用綜放一次采全高采煤法統一開采這2 層煤，礦井核準生產能力為1.20 Mt/a[18]。井田地表基本屬高山區地貌，地形復雜，高差較大（最大590 m），地處大陸性高寒草原氣候，地表水系較為發育，主要存在有金沙河、沙金河2 條干流，流域面積約100 km2。本區屬“祁呂賀”山字型活動性強的扭動構造體系范圍，區內發生過多次較大地震（最大震級8 級）。天祝煤礦為以往4 個井田整合的老礦井，周邊原有17 個小煤窯。綜上可知，該煤礦地質、水文地質條件等均較為復雜，礦井防治水安全生產過程中可能面臨一定的水害隱患[18-19]。

根據礦井接續及現狀，在開采三采區時，對于3200 首采工作面以及接續的3203、3202、3205、3204等工作面而言，均涉及河下采煤的問題，尤其是三采區3200 首采工作面，必須在采前對其河下采煤過程中的防治水安全性進行分析，提出相應水害防治對策和措施，確保工作面安全回采，研究區位置示意圖如圖1。

圖1 研究區位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of study area location

2 地質及水文地質條件分析

2.1 地質條件

礦井三采區與井田地質條件基本無差異，井田范圍內主要地層由老到新分別為前震旦系馬銜山群、震旦系中統、侏羅系下統大西溝群、侏羅系中統窯街組、侏羅系中統新河組、侏羅系上統苦水峽組、白堊系下統河口群、第四系等。其中，侏羅系中統窯街組為井田含煤巖系，包括頂層煤、上層煤、中層煤、底層煤共4 層煤，受地質條件影響，礦井僅開采相對穩定的上層煤和中層煤[18-19]。

經前期勘查揭露情況可知，井田三采區內大于5 m 的斷層較少，但小斷裂構造較為發育，同時，受煤田內大型斷層構造影響，深部區域煤層走向變化大，出現有較為寬緩的背向斜褶皺構造，局部甚至出現小構造盆地，無巖漿侵入。3200 首采工作面在巷道掘進過程中未揭露斷層構造，但據以往采掘經驗，井田內小斷裂可能引起導水性質變化。

2.2 水文地質條件

2.2.1 含隔水層

井田范圍內含水層自上而下分別為：第四系松散層孔隙潛水強含水層，白堊系下統河口群孔隙潛水弱含水層，侏羅系上統苦水峽組、中統新河組和下統大西溝群孔隙裂隙承壓水弱含水層，以及前震旦系馬銜山群變質巖裂隙承壓水弱含水層等共6 層含水層。另外，在第四系與基巖接觸面位置，存在有風氧化帶含水層，具有一定的富水性，根據勘查計算，金沙河河床附近區域的風氧化帶厚度最大值約33.67 m。井田范圍內隔水層共2 層，分別為侏羅系中統新河組下段粉砂巖相對隔水層（厚約200 m）和下統大西溝群上段砂泥巖交互相對隔水層（厚約40 m）等[18-19]。

2.2.2 充水通道

經勘探取樣測試，礦井開采煤層的頂板巖石屬中等堅硬的巖石。依據我國綜放條件計算導裂帶發育高度的經驗公式[20-21]對井田三盤區開采煤層后覆巖破壞情況進行預測，導水斷裂帶預測表見表1。

表1 導裂帶預測表Table 1 Water flowing fractured zone prediction table

出于安全考慮，各計算公式中取“+”號進行計算，同時，由于“三下”采煤規范公式（1）對開采煤層情況的適用性，選用中國礦業大學（北京）公式（2）和唐山煤科院公式（3）計算結果進行比較，取二者相對較大數值作為分析依據，即開采煤厚平均約8.65 m，導裂帶發育高度平均約183.02 m。由此，可繪制基巖厚度與導水斷裂帶高度差值等值線圖如圖2。

圖2 基巖厚度與導水斷裂帶高度差值等值線圖Fig.2 Contour map of height difference between bedrock thickness and water flowing fractured zone

發現三盤區內大部分區域的煤層覆巖導水斷裂帶未能突破上覆基巖，但在3200 首采工作面南部切眼附近約300 m 范圍內的金沙河與沙金河交匯處，基巖厚度小于預測導水斷裂帶高度值（南15、南19、南51 和南18 號鉆孔），屆時煤層開采形成的覆巖導水斷裂帶極有可能導通至第四系甚至地表水體，造成河水灌入礦井工作面的危險。另外，根據礦井調查，井田內存在有以往施工的封閉不良鉆孔（三采區內有10 個，第四系與基巖地層接觸面封孔不良），其中，南15 號鉆孔位于3200 首采工作面內，三采區其他個別接續工作面內也存在1～2 個封閉不良鉆孔。因此，在工作面開采過程中存在第四系松散層潛水強含水層甚至地表河水導入井下的危險可能。

2.2.3 充水水源

結合上述分析及礦井現狀，井田三采區開采時的主要充水水源為地表水、第四系松散層潛水強含水層、基巖風化帶孔隙裂隙潛水含水層、侏羅系新河組砂巖裂隙承壓水弱含水層。值得注意的是，在以往開采歷史中，先期開采的+2 240 m 水平存在一定的采空區積水，以及在三采區南部的原同德煤礦存在采空區窯水，現開采的深部三采區屬+2 060 m 水平，且本采區地形基本為單斜構造，目前礦井雖留設有保護煤柱，但需在采掘至靠近相應區域前，應采取探查防治措施，避免老（采）空積水威脅礦井安全。

2.2.4 充水強度

根據近5 年礦井涌水量和工作面涌水量統計可知，一采區正常涌水24 m3/h、最大涌水量60 m3/h，二采區正常涌水量40 m3/h、最大涌水量60 m3/h。現三采區已采+2 435 m 水平涌水量較穩定，在50～65 m3/h 之間，一般雨季或豐水期水量較大，其它季節較小。礦井前期在+2 060 m 水平生產時的工作面涌水量在14～18 m3/h 之間，已采的+2 240 m 水平涌水量也較穩定，在20～36 m3/h 之間。在轉入三采區生產后，礦井涌水量穩定在70～80 m3/h 左右，且主要為三采區涌水量。

2.3 覆巖破壞及地表塌陷

根據礦井前期在3228 工作面回采過程中開展的地表移動觀測情況，現場布置3 條測線，其中最遠測點距離工作面中心線425 m，有2 條測線在金沙河河道附近，其中1 條沿新修河道、1 條沿煤層傾向。3228 工作面地表沉降觀測結果如圖3。

圖3 3228 工作面地表沉降觀測結果Fig.3 Surface subsidence observation results of No. 3228 working face

3228 工作面受周邊開采工作面影響，在回采前的地表最大沉降值約1 020 mm，回采（采厚約8.5 m）后最大沉降量約5 182 mm，并得出地表最大下沉速度為65.14 mm/d、最大隆起速度為3.96 mm/d、最大水平移動量為-546.6 mm 和1 048.67 mm（Q3、Q12 個不同測點）、綜合巖石移動角為74°、最大水平拉伸變形為33.28 mm/m，最大水平壓縮變形為9.57 mm/m、最大傾斜變形為-65.05 mm/m 和86.25 mm/m（Q2、Q42 個不同測點），計算可得最大沉降系數0.73。

由此，根據鉆孔數據預測3200 工作面地表變形情況可知[22-23]：在南15 號鉆孔（工作面切眼附近）和南19 號鉆孔（金沙河與沙金河交匯處）的地表沉降量最大。3200 工作面地表沉降量預測數據表見表2。

表2 3200 工作面地表沉降量預測數據表Table 2 Table of surface settlement prediction data of No. 3200 working face

綜上所述，三盤區開采3200 工作面及接續工作面過程中，地表河流將對井下工作面形成嚴重威脅。

2.4 工作面涌水量預測

礦井+2 060 m 水平的3200 首采工作面走向長878.5 m，傾斜長157 m，平均煤厚約8.68 m，煤層傾角平均約14°。根據前文分析，3200 工作面在0～300 m 范圍為河下采煤危險區域，面臨地表河水、第四系松散層潛水強含水層水、頂板砂巖水等水害威脅。

根據工作面范圍及附近鉆孔資料，本文采用“大井法”[19-20]對工作面承壓水含水層涌水量進行預測。其計算公式如下：

式中：Qd為預測的礦井涌水量，m3/d；K 為滲透系數，m/d；H 為水柱高度，m；h 為含水層剩余水柱高度，m，h=H-Smax；Smax為最大水位降深，含水層疏干時，H≈Smax，因此h≈0；M 為含水層厚度，m；R0為引用影響半徑，m，R0=r0+R；R 為礦井排水影響半徑，m，R=10·S·K0.5；S 為水位降深，m；r0為引用半徑，m。

另外，r0=η（a+b）/4，a、b 為工作面塌陷矩形邊長，考慮74°的塌陷角，計算工作面a=217 m，b=940 m，得出b/a=0.23，查表[20]η≈1.12，由此計算得出r0=1 161 m。

根據井田以往抽水資料[18-19]，確定含水層滲透系數K=0.037 3 m/d；新河組承壓水位水平均高度（降深）S=322 m；該含水層厚度切眼附近300 m 范圍內為19.84 m，整個工作面平均厚度為14.2 m。

將上述參數代入“大井法”計算公式，根據工作面回采步距，分階段預測工作面涌水量可知，當回采150 m 時（初次見方），工作面正常涌水量為29 m3/h，最大涌水量為43.5 m3/h；回采300 m 時（二次見方），當工作面正常涌水量為50 m3/h，最大涌水量為75 m3/h；當回采878.5 m（整個工作面回采結束）時，工作面正常涌水量為60 m3/h，最大涌水量為90 m3/h。

根據礦井對三采區第四系松散層潛水的地下徑流流量預測，第四系松散層潛水流量為332 m3/h。由于3200 工作面切眼處于金沙河、沙金河交匯的三角形區域，該區域松散砂礫石層厚度大，富水性強，且接受河流的下滲補給，地下水豐富，若松散層水進入井下，勢必造成突水災害，且長期涌水量將在332 m3/h 以上。

3 防治水專項措施

3.1 限高留煤開采

根據“三下”采煤規范[21]要求，在水體下采煤時，須嚴格控制對水體的采動影響程度，參照受開采影響水體采動等級，天祝煤礦三采區在金沙河下采煤允許采動等級屬I 級，為不允許導水斷裂帶波及地表水體，因此必須留設防水煤巖柱。結合礦井實際，防水煤巖柱垂高Hsh起到保護地面水體的公式為：

式中：Hli為導水斷裂帶高度，m；Hb為防水煤巖柱厚度（保護層厚度），m；Hfe為風化基巖厚度，m。

其中，導水斷裂帶高度Hli和保護層厚度Hb都與采厚呈正相關關系，當采厚降低時，防水煤巖柱的高度也隨之降低。現Hsh即為煤層頂板基巖實際厚度，為了確定三采區河下開采的安全采厚M0，需要確定導水斷裂帶最大發育高度Hli(max)、最小保護層厚度Hb(min)、最大風化基巖厚度Hfe(max)（33.67 m）。

由于“三下”采煤規范[21]中對綜放開采保護層留設厚度Hb暫無明確規定，考慮采煤覆巖破壞與上覆基巖關系，可運用《煤礦防治水細則》附錄五中“突水系數計算公式”原理[24]，對比預計保護層厚度，結合防水煤巖柱不小于20 m 的要求，計算公式如下：

式中：p 為水頭壓力，MPa，按照1 MPa/hm 計算；Ts為臨界突水系數，MPa/m，按照《煤礦防治水細則》附錄五中，以隔水層無斷裂構造破壞的地段不得大于0.1 MPa/m 考慮，取Ts=0.1 MPa/m。

根據表1，計算導水斷裂帶穿過上覆基巖的各鉆孔數據計算，則有Hb=Hsh/100/0.1=7.35～43.01 m，由于要求Hb≥20 m，剔除不符合要求數據，則Hb=26.34～53.01 m，平均約38.22 m。出于安全考慮及留取富余系數，Hb采用計算最大值取整為40 m 作為參考依據。

目前根據我國綜放開采侏羅系煤層的礦井對覆巖導水斷裂帶高度實測數據可知[25-26]，其導水斷裂帶與開采煤層厚度比值（裂采比）基本在12.71～23.23 倍，平均裂采比為18.45 倍左右，出于安全考慮及留取富余系數，為此裂采比使用25 倍作為計算參考依據。

因此，結合前文所述的風氧化帶最大厚度值，根據表1 中4 個位于河床附近鉆孔數據計算，剔除不符合要求的鉆孔數據后，即為M0≤（Hsh-40-33.67）/25=7.59～7.79 m，由此，結合安全角度考慮，最終選取M0=7 m 作為工作面限制開采高度。

經分析計算，確定在3200 工作面切眼0～300 m范圍內，只開采2 層煤中的下部的中層煤，上部的上層煤留頂不進行開采，在二次見方后，恢復綜放開采7 m 厚度，以此確保工作面防治水安全生產。

3.2 封閉不良鉆孔治理

根據礦井調查，3200 工作面切眼附近存在1 個封閉不良鉆孔（南15 號鉆孔）。由于鉆孔位于金沙河河床附近，且上層煤頂板15 m 以上區段未封閉，溝通頂板部分含水層。在3200 工作面回采時，一旦揭露該鉆孔，勢必導致上覆含水層水沿著鉆孔及鉆孔周圍裂隙進入井下，由于第四系、風氧化帶富水性強及地表河流的存在，屆時突水水量將難以預計，會給礦井造成嚴重損失。因此，必須對其進行提前探查和防治。南15 鉆孔地表孔口位置現為公路路基，無法實施地表啟封探查，鉆孔井下位置距3200 工作面切眼較近，考慮到孔斜造成井下位置不確定，提出采用巷探對鉆孔位置進行揭露，而后沿原鉆孔軌跡施工探查孔，最后根據探查結果對南15 鉆孔及附近區域進行注漿封堵。

3.3 頂板含水層疏放

根據礦井前期開采的3228 工作面采空區水量觀測數據，在回采過程中，經歷初次見方和二次見方階段，在二次見方時的工作面涌水量為65 m3/h，之后采空區水量穩定在22 m3/h。而3228 工作面位于山前坡地地帶，與3228 工作面相比，3200 工作面相更加靠近金沙河河漫灘，且煤層底板標高低于3228工作面，見方位置仍然處于金沙河河床及河漫灘之下，屬于匯流區。

為了避免3200 工作面回采過程中采空區水量出現此類波峰波谷式變化，給工作面及礦井排水系統帶來沖擊，提出對3200 工作面進行頂板含水層超前疏放的技術措施，以降低見方時水量增加幅度，達到消峰平谷的目的。根據水文地質資料分析，煤層頂板的新河組砂巖承壓含水層為天祝煤礦中、上層煤開采時的主要充水含水層。因此，疏放的目標層位為侏羅系新河組底部含水層。

3.4 老（采）空積水防治

礦井三采區河下采煤區域面臨的老（采）空區水害有2 類：①原同德煤礦老窯水；②本礦同一煤層上部水平工作面采空區水。目前對老（采）空區積水的防治，主要采用探查疏放和留設防水煤柱的方法。

探查疏放的方法主要為物探、鉆探手段相結合，由物探工程圈定老（采）空區水分布區域，而后采用鉆探工程進行水體探查驗證和疏放泄壓。留設防水煤柱的方法主要根據《煤礦防治水細則》[24]要求，依照防水安全煤柱留設公式進行計算：

式中：p 為實際水頭值（水壓），Pa；M 為煤層開采厚度，m；L 為煤柱留設寬度；KP為煤的抗拉強度，MPa；K 為安全系數，取值2～5。

1）采空區窯留設煤柱。根據礦井實際，侏羅系中統新河組砂巖含水層承壓水位平均高度322.07 m，即水頭壓力p 約3.22 MPa；3200 工作面煤層開采厚度取7 m。煤層抗拉強度KP為2.2 MPa，安全系數K取2～5 計算的煤柱寬度為14.67～36.67 m。3200 工作面布置與原同德煤礦實體煤距離約為300 m，遠大于計算安全煤柱留設寬度。正常情況下采空區窯水對工作面開采無影響。

2）本礦留設煤柱。3200 工作面相鄰的3228 工作面采空區積水標高為+2 253.4～2 267.8 m，按照3220 工作面開采最低標高約為+2 240 m 計算，采空區積水側壓p 為0.278 MPa。其它計算參數同上，則計算出防水煤柱寬度為4.31～10.77 m。

目前，工作面之前實際留設煤柱寬度為9.85 m。由于本礦采空區范圍、積水情況等比較清楚，且之前采空區水量較小，水壓有限。因此，一般情況下煤柱寬度滿足留設要求。綜上計算分析，一般情況下，老（采）空區水均不會對3200 工作面開采造成影響，但為避免老窯越界開采、及本礦同層采空區積水增加，需要及時關注老（采）空區積水情況（水量、水位、水壓、范圍、水化學特征、有害氣體等），在必要時進行提前探放，避免對開采工作面造成威脅。

3.5 地表河床監測修復

在3200 工作面回采期間，需安排專人24 h 對金沙河河道進行巡查，一經發現河道有斷裂漏水趨勢或現象，立即進行修復保護處理。

其中，當河道裂縫＜10 cm 時，在裂縫上游側投入2 t 塊石，再向裂縫充填3～5 cm 的卵石，填實后注入1∶0.5 水泥漿封堵。當河道出現大的斷裂時（大于10 cm），在裂縫上游側投入4 t 塊石降低裂縫兩側沉降差，再向裂縫處填入10～20 cm 礫石，之后填入3～5 cm 的卵石，最后注入1∶0.5 水泥漿封堵。

同時，由于采空區塌陷沉降是個緩慢的過程，礦方需在3200 工作面采動塌陷未穩定之前準備修復及保護措施。另外，礦區地處祁連山保護區，采動塌陷勢必會在河道形成塌陷坑，應制定相應的地貌恢復和生態保護措施，盡量降低采煤對保護區生態環境的破壞。

3.6 其它防治水措施

1）加強井上下水文監測。3200 工作面大部分區域的頂板平均基巖厚度約300 m 左右，且存在多層泥巖。第四系含水層水、風氧化帶含水層水進入井下存在一定滯后性，通過對這2 個含水層水位的觀測，可以對井下工作安全回采起到一定預警作用。礦井應在工作面周邊布設若干水位監測孔，安裝自動監測儀器，實現對潛水含水層水位、水壓等信息的實時動態監測。在煤層開采過程中，通過井上下各含水層水觀測，還應注意分析判斷第四系、風氧化帶、侏羅系新河組、窯街組等含水層之間的水力聯系。

2）保障工作面排水系統。由于3200 工作面切眼以北0～300 m 范圍屬于河下開采的危險區域，為保證工作面安全回采，在開展上述防治水工作的基礎上，還必須保證工作面具備充足的排水能力和預防水害的措施。結合3200 工作面正常涌水量60 m3/h，最大涌水量90 m3/h 的預測結果，按照規程規范[24,27]要求，3200 工作面的防排水系統回采前必須達到：工作面排水能力不小于108 m3/h；水溝開挖過水能力不小于108 m3/h；同時，在3200 工作面配備100 m3/h 的潛水泵4 臺，2 用2 備，敷設2 趟φ108 mm鋼管。其中0～200 m 段主要以潛水泵排水，200～350 m 段主要通過+2 240 m 水平泄水巷排水，潛水泵輔助排水；過背斜段下山開采段，修筑400 mm×400 mm 水溝，通過水溝自流排水。

4 結 論

1）煤層上覆的地表河水、第四系松散層水、風氧化帶水、侏羅系新河組砂巖裂隙水為礦井工作面開采時的主要充水水源，覆巖導水斷裂帶、封閉不良鉆孔為主要充水通道。

2）礦井3200 工作面切眼0～300 范圍附近在開采過程中受其地表金沙河水的威脅嚴重。

3）根據規程規范要求，對3200 工作面開采過程前后，提出限高留煤、封閉不良鉆孔治理、頂板含水層疏放、老（采）空區積水防治、地表河床監測修復、加強井上下含水層水文監測、保障工作面排水系統等防治水保護措施。