復合水體下特厚煤層綜放開采安全性研究

李 磊，李德軍

(1.煤炭科學研究總院，北京 100013；2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；3.扎賚諾爾煤業有限責任公司，內蒙古 呼倫貝爾 021412)

我國煤炭資源賦存與開采條件復雜，煤礦的安全開采受到了水害的威脅嚴重[1，2]，其中，針對在水體下采煤進行了60余年的工作與研究，在覆巖破壞發育規律、留設安全煤巖柱設計等方面形成了多種完善的技術與理論[3-6]，頒布了《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》(以下簡稱《“三下”采煤規范》)，能夠系統的解決一般性近水體煤層安全開采問題。內蒙古地區扎賚諾爾煤田厚(特厚)煤層綜放開采受到了采空區和地表塌陷積水組成的復合水體嚴重威脅，不僅對工作面開采存在充水影響，而且存在潰砂威脅，鐵北煤礦和靈泉礦均發生過突水潰砂事故。本文以扎賚諾爾煤田靈露煤礦Ⅱ3特厚煤層所面臨的復合水體下安全開采問題為研究目標，從避免礦井因頂板水害事故(潰水、潰砂和塌陷等)而遭受破壞和避免地表水體的破壞，維持地表水環境的生態平衡等兩個方向出發[7，8]，對復合水體下近距離特厚煤層安全開采的可行性予以分析探討，為類似問題的解決提供參考與方向。

1 研究區概況

靈露煤礦為扎賚諾爾礦區現有4個生產礦井之一，東側與靈東礦相鄰，南側與靈泉礦相鄰，西側與靈北礦相鄰，北側與鐵北礦相鄰。靈露煤礦開采方式為井工開采，開拓方式為斜井開拓。將全礦劃分為三個水平，六個采區。開采順序采用下行式開采，采煤方法為綜放開采，全部垮落法管理頂板，生產能力為2.0Mt/a。

礦井首采煤層為Ⅱ2-1煤層一采區，采煤工藝為綜放開采，全部垮落法管理頂板，Ⅱ2-1煤層從礦井投產至今，已安全回采右一片、右二片兩個放頂煤工作面。為了保證礦井生產能力，礦井擬回采Ⅱ2-1煤層下部的Ⅱ3煤層一采區。一采區范圍內Ⅱ3煤層厚度10.3～19.6m，平均厚度14.2m，煤層頂板埋藏深度166～400m，平均埋深258m，與上層Ⅱ2-1煤距離9.7～82.4m，平均間距29.8m。Ⅱ3煤層一采區首采工作面為一面下層，位于Ⅱ2-1煤層首采工作面右一片下部，工作面寬度200m，工作面推進長度為1327m。Ⅱ3煤層厚度10.3～12.6m，平均厚度12m，埋藏深度在183～233.3m，平均埋深約210m，距離上部Ⅱ2-1煤層間距13.9～33.2m，平均間距19.9m。首采面采煤高度為3.5m，平均放煤高度8.5m，平均采放比為1∶2.43。

本區的地層發育有前寒武系變質巖組、上古生界石炭-二疊系變質巖組、白堊系下統伊敏組和大磨拐河組、第四系。第四系一般厚度10～25m，最厚達60m，以砂、砂礫為主，夾粘土層。白堊系下統伊敏組和大磨拐河組由一套砂巖、泥巖、砂質泥巖、砂礫巖及煤層組成，為本區主要含煤地層；伊敏組厚度約為230m，大磨拐河組厚度約為580m，兩組總厚度約為810m。

靈露煤礦井田位于扎賚諾爾煤田向斜西翼之中部，區內地層平緩，地層走向NE10°～55°，傾向SE100°～145°，傾角3°～12°，井田內構造比較簡單，為一單斜構造，斷層以走向正斷層為主，煤系地層中無火成巖侵入。

2 復合水體下采煤特點分析

2.1 水文地質概況

本文研究范圍內主要有4層含水層和3層隔水層，含水層從上往下依次為：第四系沖積孔隙含水層(第一含水層組、弱富水性)、Ⅰ煤層群間砂巖含水層(第二含水層組、中等富水性)、Ⅱ2-1煤層頂板砂巖含水層(第三含水層組、弱富水性)和Ⅱ2-1至Ⅱ3煤層之間砂巖含水層(第四含水層組、弱富水性)。其中第三含水層組是礦井綜放開采導水裂縫帶直接影響的含水層，也是導致礦井充水的主要含水層，研究區含、隔水層關系如圖1所示。

圖1 研究區含、隔水層關系

本區降雨較少，對地下水補給不良；井田內三面環水，地表水與地下水有著密切的水力聯系，老河床成為向第四系含水層補給的良好通道。

本區地形坡度小、地勢低洼，排泄條件差；井田內具有隔水斷層分布，煤系地層地下水量呈停滯封存狀態。

2.2 復合水體現狀

Ⅱ3煤層的安全開采主要受到Ⅱ2-1煤層采空區積水和地面塌陷區積水兩個水體的影響。

1)Ⅱ2-1煤層采空區積水：Ⅱ2-1煤層采空區積水水位不超過2.1m，積水寬度為28.3m，積水長度為470m，充水系數為0.17，經計算采空區積水量為4077m3，右一片下巷斷面積為14m2，按30%冒落計算，冒落水量為4606m3，采空區積水合計8683m3，Ⅱ2-1煤層采空區積水分布如圖2所示。

圖2 Ⅱ2-1煤層采空區積水分布

2)地面塌陷區積水：本區第四系潛水層埋深較淺，地表在受開采影響下沉后，在沉陷區形成了較大范圍的地表積水區，目前Ⅱ2-1煤層右一片地表塌陷區明顯積水區共三處，積水面積約11228m2，平均積水深度約1.3m，積水量約14596m3，地面塌陷區積水分布如圖3所示。

圖3 地面塌陷區積水分布

3 覆巖破壞高度預計

煤層覆巖破壞高度對于研究水體下煤層安全開采具有重要意義，是選取適用于水體下煤層安全開采技術的先決條件。國內外對覆巖破壞高度進行了大量的研究，目前，主要的研究方法包括現場實測、經驗公式法、類比分析法、相似模擬和數值模擬[9-13]。本文在資料分析的基礎上，采用類比法對靈露煤礦Ⅱ3煤層覆巖破壞發育高度進行計算。

3.1 覆巖巖性分析

根據鉆孔資料可知，一采區Ⅱ3煤層可采范圍內，Ⅱ3煤層與Ⅱ2-1煤層之間的巖柱以砂巖為主、泥巖為輔的巖性結構，首采面煤層間巖性基本為泥巖，因此，一采區煤層間巖性可能存在賦存不均的情況。室內物理力學試驗結果表明，Ⅱ3煤層頂板泥巖抗壓強度5.3～11.9MPa，砂巖抗壓強度變化幅度較大，其中中砂巖強度較大，細砂巖強度較小，平均抗壓強度在10MPa左右，因此，一采區基巖柱中，泥巖和砂巖的抗壓強度都較低，均屬軟弱巖層，綜合評價，靈露煤礦Ⅱ3煤層覆巖為軟弱類型。

3.2 覆巖破壞發育高度預計

覆巖結構分析結果表明，靈露煤礦Ⅱ3煤層覆巖為軟弱類型，按照《“三下”采煤規范》給出的覆巖破壞高度預計經驗公式應用范圍為厚煤層分層開采且單層采厚1～3m，累計采厚不超過15m的情況。根據鉆孔資料可知，一采區Ⅱ3煤層平均煤厚14.2m，采煤方法為全厚綜放開采，因此不能采用《“三下”采煤規范》經驗公式對靈露煤礦一采區Ⅱ3煤層開采的覆巖破壞高度進行預計。基于該礦無實測資料，本文在對Ⅱ3煤層覆巖破壞發育高度預測中選用類比法。

結合類似煤礦覆巖破壞高度規律，選取與靈露煤礦同處扎賚諾爾礦區的靈泉煤礦和靈東煤礦覆巖破壞高度實測數據進行分析，并預測靈露煤礦覆巖破壞發育高度。靈泉煤礦采用放頂煤開采方法開采Ⅱ3煤層的采放厚度約為6m(采3m、放3m)，煤層頂板以上距Ⅱ3煤約60～70m的Ⅱ2a煤層頂板含水層以及采空區內的水沒有涌入Ⅱ3煤層的放頂煤工作面及采空區，說明Ⅱ3煤層放頂煤開采的導水裂縫帶高度應小于60m，其裂采比應小于10。靈東煤礦采厚按照2.5～16m、垮落帶高度與采厚的比值為2.0～2.8、導水裂縫帶高度與采厚的比值約為5～10進行預計，實現了首采工作面的安全回采。首采工作面綜放開采過程中，導水裂縫帶沒有波及到三含，在采厚11m的情況下，三含距煤層超過62m的情況下，導水裂縫帶沒有直接波及三含含水層，可見，裂采比不超過5.6。

類比附近的靈泉和靈東等礦井厚煤層綜放開采厚度與導水裂縫帶發育高度之間的關系，得出了靈露煤礦厚煤層綜放開采厚度與導水裂縫帶發育高度之間的關系，見表1。經過綜合分析，靈露煤礦Ⅱ3煤層在最大采厚20m、綜放開采時的導水裂縫帶高度預計值為104m。

鑒于一采區Ⅱ3煤與Ⅱ2-1煤平均間距29.8m，因此一采區Ⅱ3煤層導水裂縫帶高度的計算，必須考慮上煤層Ⅱ2-1開采的綜合影響。根據綜合開采厚度，選取兩層煤導水裂縫帶發育高度標高最高者作為Ⅱ3煤層開采時的導水裂縫帶發育高度標高。求得的考慮上部煤層Ⅱ2-1開采影響下，Ⅱ3煤層一采區覆巖破壞發育高度最大值158m。

表1 采厚與導水裂縫帶發育高度預計關系表

4 安全開采技術分析

根據前文分析，靈露煤礦Ⅱ3煤層的安全開采主要受到了上部的Ⅱ2-1煤層采空積水和地面塌陷區積水兩大水體的威脅。為避免礦井因頂板水害事故(潰水、潰砂和塌陷等)而遭受破壞和避免地表水體的破壞，維持地表水環境的生態平衡，同時為降低開采成本，分析討論不改變開采方式的情況下Ⅱ3煤層安全開采技術[14-16]。

4.1 留設安全煤巖柱技術

靈露煤礦Ⅱ3煤層的開采引起的裂縫如果波及上層Ⅱ2-1采空區積水區，采空區積水在未疏排條件下將會對Ⅱ3煤層工作面形成充水，可能造成突水潰砂事故。因此，需滿足對Ⅱ2-1煤層采空區留設防水安全煤巖柱的條件，如果不滿足應對采空區積水進行疏排方可進行開采，同時由于本區煤層頂板基巖固結性較差，頂板采空區積水在尚未完全疏干的情況下Ⅱ3煤層開采存在潰泥潰砂的威脅，因此還需評價是否滿足對Ⅱ2-1煤層采空區留設防砂安全煤巖柱甚至防塌安全煤巖柱的條件。

為評價Ⅱ2-1煤層采空區積水對Ⅱ3煤層的充水影響，此處根據Ⅱ3煤層開采所需的防水、防砂和防塌安全煤巖柱高度和Ⅱ2-1煤層采空區與Ⅱ3煤層之間的距離進行對比得出。令：

Δ=Hm-Ha

(1)

式中，Hm為Ⅱ3煤層與Ⅱ2-1煤層之間的距離，m；Ha為安全煤巖柱高度，包括防水、防砂和防塌安全煤巖柱高度，m。

當Δ>0時，Ⅱ3煤層與Ⅱ2-1煤層之間的基巖柱滿足對Ⅱ2-1煤層采空區留設防水(防砂或防塌)安全煤巖柱的條件；當Δ<0時，煤層間的基巖柱不滿足對Ⅱ2-1煤層采空區留設防水(防砂或防塌)安全煤巖柱的條件。根據Δ值，采用SURFER軟件中克里格插值方法，分別繪制了采空區積水對開采煤層充水、潰砂和防塌的影響，分別如圖4—圖6所示。

圖4 一采區Ⅱ2-1采空區水對Ⅱ3煤層的充水影響

圖5 一采區Ⅱ2-1采空區水對Ⅱ3煤層的潰砂影響

圖6 一采區Ⅱ2-1采空區留設防塌煤巖柱影響

從圖4可以看出，一采區范圍內兩層煤間距較近，Ⅱ3煤層厚度，Ⅱ3煤層和Ⅱ2-1煤層之間基巖柱均不滿足對Ⅱ2-1煤層采空區留設防水安全煤巖柱的條件。從圖5可以看出，一采區大部分范圍兩層煤間基巖柱不滿足對Ⅱ2-1煤層采空區留設防砂安全煤巖柱的條件，只有礦井西南邊界部分區域滿足對Ⅱ2-1煤層采空區留設防砂安全煤巖柱的條件。從圖6可以看出，一采區西南邊界兩層煤間基巖柱滿足對Ⅱ2-1煤層采空區留設防塌安全煤巖柱條件，東北側不滿足對Ⅱ2-1煤層采空區留設防塌安全煤巖柱的條件。

根據上述分析，Ⅱ3煤層和Ⅱ2-1煤層之間留設安全煤巖柱并不能滿足Ⅱ3煤層在Ⅱ2-1煤層采空積水下安全開采的目標，應對Ⅱ2-1煤層采空區積水采取綜合防治水技術措施，以消除其對Ⅱ3煤層開采的充水潰砂威脅。同時需要有針對性地分區采取安全有效的開采技術措施以保證安全生產。

4.2 安全煤巖柱對地面塌陷積水影響分析

圖7 地面塌陷積水區對Ⅱ3煤層的充水影響

由于上覆Ⅱ2-1煤層的回采，地表形成了較大范圍的沉陷區積水，靈露煤礦地表采空區積水與第四系含水層水力聯系密切，因此將第四系含水層底界視作地表采空積水的防水上限。根據根據礦井地質資料，本區第四系厚度一般10～25 m，為了安全起見，第四系含水層底界埋深按25m進行計算，則一采區滿足對地表塌陷積水留設防水安全煤巖柱的情況如圖7所示。從圖7中可以看出，一采區在煤層實際厚度開采情況下均滿足對地表塌陷積水留設防水安全煤巖柱的要求。可以充分達到避免地表水體的破壞，維持地表水環境的生態平衡的目標。

4.3 Ⅱ2-1煤層采空區積水綜合防治水技術

綜上分析可知，Ⅱ2-1煤層采空區積水對一采區Ⅱ3煤層安全回采有巨大的充水威脅，且留設安全煤巖柱并不能解決一采區Ⅱ3煤層在Ⅱ2-1煤層采空區積水下安全開采的問題。在閱讀大量相關文獻的基礎上[17-20]，通過對類似問題解決方式的對比分析，建議采取物探、鉆探疏放水相結合的綜合防治水技術措施，精確圈定采空積水范圍與大小，分區疏水，徹底排除上層采空區積水水害威脅后，才能進行Ⅱ3煤層特厚煤層綜放開采。其中，物探采用瞬變電磁法，瞬變電磁測線布置在工作面上、下巷及切眼，上巷布置兩個探測方向：向工作面內仰角30°方向和內仰角20°方向；下巷布置三個探測方向：豎直方向、向工作面內仰角45°方向，以及向工作面外仰角45°方向；切眼處布置兩個探測方向：豎直方向，向工作面內仰角45°方向。疏放水方案如下：對于滿足對采空區積水留設防砂安全煤巖柱的區域可以按照常規的疏放水方法進行疏放，做到采空區不存在殘余水頭；對于不滿足對采空區積水留設防砂安全煤巖柱的區域采取“先疏后采與邊采邊疏相結合、鉆孔疏干或疏降與回采疏干或疏降相結合”的方式。

5 結 論

1)通過對靈露煤礦水文地質條件以及開采現狀的描述，分析了靈露煤礦一采區Ⅱ3煤層安全開采受到復合水體威脅的復雜性和嚴重性。

2)結合靈露煤礦一采區Ⅱ3煤層覆巖巖性，對特厚煤層開采覆巖破壞發育高度計算方法選取類比法進行計算。通過分析類似煤礦煤層開采覆巖破壞規律，運用類比法預計Ⅱ3煤層覆巖破壞發育高度，同時需要考慮上部Ⅱ2-1煤層對導水裂縫帶高度的影響。

3)為保證一采區Ⅱ3煤層安全開采，同時降低煤礦生產成本，不影響地表水環境的生態平衡，分析論證了留設安全煤巖柱能夠滿足對一采區地表塌陷積水的防治效果。對于留設煤巖柱不能達到防治效果的Ⅱ2-1煤層采空區積水提出了物探和鉆探疏放水相結合的建議。