堰塞湖下特厚煤層綜放開采安全性及采動影響研究

朱 偉，滕永海

( 中煤科工生態環境科技有限公司 唐山分公司，河北 唐山 063012 )

地表水體下壓覆煤炭資源的合理解放在我國有著60多年的研究歷史，到目前為止取得了豐碩的技術成果和工程實踐經驗[1-3]，通過采取合理的技術方案不僅實現了薄及中厚煤層綜采，而且實現了大型水體下厚煤層分層綜采和綜放安全開采，文獻[4-7]詳述了我國不同礦區在地表大型水體下開采工程案例。在理論研究方面，許家林[8]等提出了通過覆巖關鍵層位置來預計導水裂縫帶高度的新方法，克服了對頂板巖性進行統計均化的不足，提高了預測準確度，在現場防治水工程中取得了較好的應用效果；陳連軍[9]等考慮開采煤層覆巖裂隙的分布特征，基于格里菲斯摩爾-庫倫準則建立了裂隙擴展的分析模型和判斷方法，得出了水下采煤工作面覆巖導水裂縫帶高度的確定方法并用現場實測進行了驗證；許延春[10]等綜合考慮綜放裂縫帶發育高度和保護層選取準則，提出了水體下安全煤巖柱的留設方法，促進了水體下采煤的安全實施。

當前特厚煤層( 厚度>8 m )開采產能已成為我國煤炭年生產能力的絕對主力，對于其覆巖破壞以及導水裂縫帶發育規律，專家學者進行了廣泛深入地研究，于斌[11]等建立了特厚煤層開采覆巖遠、近場關鍵層破斷的結構模型；劉英鋒[12]等通過鉆孔簡易水文觀測及鉆孔電視探測得到深埋特厚煤層綜放開采條件下頂板導水裂縫帶發育高度，發現工作面回采距離與頂板導水裂縫帶發育高度曲線呈臺階型；張宏偉[13]等基于關鍵層和材料力學相關理論，分析了特厚煤層綜放工作面覆巖破壞發育過程及發育高度，采用EH-4大地電磁法對理論計算結果進行了驗證；孔令海[14]、鄧志剛[15]等采用高精度微地震監測技術探測了特厚煤層頂板破斷和裂縫帶發育規律；李超峰[16]系統收集了黃隴煤田內特厚煤層綜放導水裂縫帶實測數據資料，采用數理統計和回歸分析研究導水裂縫帶高度與工作面寬度、煤層埋深以及采高的相關關系；張玉軍[17]等研究了急傾斜特厚煤層水平分層綜放開采覆巖破壞特征。特厚煤層綜放開采，造成覆巖垮落破裂發育劇烈，向上波及含水層范圍廣，同時地表坍塌裂縫損害嚴重，其頂板水害包括地表水體的防治更具有難度；文獻[18-20]分別研究了地表水庫下、富含水層下以及頂板離層水體下特厚煤層綜放高強度開采頂板水害防治技術，保證了工作面頂水高產高效綜放安全開采。

堰塞湖是一種特殊的地表水體形式，原有河道兩側山體在自然或者外力作用下崩落滑坡形成堰塞體堵塞河道( 河谷 )形成積水區，如果時間較長則堰塞湖儲水體量相當大，對其下壓覆的煤炭資源開采是一個重大危險源，同時是一種危害嚴重的地質災害形式。本文以陜西彬長礦區火石咀煤礦七采區堰塞湖下壓占特厚煤層資源開采為例，在研究特厚煤層綜放開采導水裂縫帶發育規律和防水安全煤巖柱尺寸的基礎上，進行了堰塞湖下煤層開采安全性分析，通過預測堰塞湖區域開采后地表沉陷變形情況和地裂縫發育規律，對堰塞湖( 體 )受采動影響的程度進行評價。

1 研究區概況

火石咀煤礦位于陜西彬長礦區東南部，生產能力為3 Mt/a，開采侏羅系延安組4-2煤層，厚度8～11 m，傾角2°～4°，屬于特厚煤層。目前開采礦井七采區西翼區域，采用綜采放頂煤一次采全高工藝，全部陷落法管理頂板。七采區地表屬典型隴東黃土高原塬梁溝壑地貌，工作面終采線區域上方為一大型溝谷地帶，溝谷塬表處寬度約為500 m，兩側塬體坡度陡峭，為80°～90°，其中東側部分區域塬體崩落垮塌形成堰塞體阻塞了溝谷泄洪通道，形成堰塞湖，水面跨度20～60 m，最深處15～20 m，估算儲水量約30萬m3，堰塞體體積約20萬m3，堰塞體與堰塞湖實景如圖1所示，七采區工作面與堰塞湖位置關系如圖2所示。

圖1 塬體與堰塞湖實景Fig.1 Real scene of loess and barrier lake

實測堰塞體前湖底最低標高為+955 m，塬梁頂部標高約+1 100 m，下方4-2煤層底板標高為+510～+410 m，工作面自西向東俯斜下山推進。物探和采掘生產揭示堰塞湖下開采區域地質構造簡單，沒有任何斷層和陷落柱構造。

圖2 工作面與堰塞湖相對位置Fig.2 Location diagram between working faces and barrier lake

圖3 煤系地層綜合柱狀圖Fig.3 Comprehensive columne section of roof strata

開采區域煤系地層主要為侏羅-白堊系地層，地層柱狀圖如圖3所示，第四系厚30～200 m，在溝谷切割處較薄，松散含水層局部富水性強，單位涌水量達到2.96 L/( s·m )。下伏厚層狀白堊系洛河組砂巖含水層和宜君組砂礫巖含水層，層厚214～290 m，單位涌水量0.175～0.048 L/( s·m )，屬于弱至中等富水含水層，層組下段富水性弱。下伏侏羅系安定組、直羅組和延安組泥巖及砂泥巖相對隔水層，富水性極弱，為煤層開采頂板充水含水層，單位涌水量僅為0.000 046～0.000 153 2 L/( s·m )。

煤系地層的主要隔水層有第四系及新近系黏土，巖性以棕紅色亞黏土、黏土為主，致密硬塑，是上覆松散含水層底板良好的隔水層，堰塞湖下方新近系厚度約45 m。其次為安定組頂部泥巖隔水層，其平均厚度60 m，巖性主要為泥巖、砂質泥巖，遇水易膨脹軟化。力學試驗結果顯示，侏羅系層組內泥巖類、砂巖類飽和抗壓強度均<30 MPa，泥巖類占比達到51%，屬于中硬偏軟結構，安定組泥巖的抗壓強度為17.8 MPa，細砂巖的抗壓強度為23.5 MPa，粉砂巖為24.3 MPa。說明安定組為軟弱巖層，覆巖巖石力學強度低，對裂隙擴展發育具有較強抑制作用。對侏羅系安定組注水試驗結果顯示鉆孔的單位吸水量僅為0.000 027 L/( s·m )，證明其隔水性良好，為區內較穩定的隔水層，能有效地阻隔上覆白堊系砂巖含水層與下方侏羅系地層的水力聯系。

2 特厚煤層綜放導水裂縫帶

導水裂縫帶高度是水體下采煤的主控因素，其與覆巖結構、開采工藝、頂板管理方式、開采厚度、工作面寬度等關系密切，是關系到堰塞湖下采煤能否安全實施的關鍵。火石咀煤礦缺乏本井田綜放開采導水裂縫帶高度實測資料，本次采用實測資料工程類比確定礦井特厚煤層綜放高強度開采裂縫帶發育高度。表1收集了目前我國國內部分特厚煤層開采礦井綜放開采導水裂縫帶高度實測資料，小康煤礦和大平煤礦屬于康平井田，其余測試地均屬于彬長礦區，部分煤礦與本井田毗鄰，所列礦井開采煤層均為侏羅白堊系特厚煤層，開采工藝與覆巖結構特性相近，機采高度約3 m，余厚放頂煤，覆巖破壞觀測結果具有參考類比性。

表1 特厚煤層綜放開采導水裂縫帶高度實測資料Table 1 Measured data of height of fracture zone in top coal caving with ultra-thick coal seam

由表1可以看出特厚煤層綜放高強度開采，頂板覆巖破壞劇烈，導水裂縫帶異常發育。下溝煤礦在涇河下采煤采用類條帶( 縮小工作面寬度，增大隔離煤柱寬度 )開采方案一定程度上限制了頂板覆巖破壞發育程度，裂采比偏小。工作面寬度小于120 m時，裂采比11.20～13.30，當工作面寬度超過150 m時，裂采比15.88～22.70。七采區堰塞湖下工作面寬度210 m，開采技術條件與示例礦井類似，采用數學均值法可以確定綜放裂采比中值為18.74，加權平均法計算其裂采比為18.53，為保證經驗公式用于生產的安全可靠度，火石咀煤礦中硬覆巖特厚煤層綜放一次采全高裂采比取值為20。

3 堰塞湖下開采安全性

七采區地表堰塞湖屬于文獻[1]中Ⅰ類采動等級的水體，對井下生產可能造成重大災害影響，不允許導水裂縫帶波及到地表水體，需要留設防水安全煤巖柱。防水安全煤巖柱厚度最小尺寸應滿足大于或等于導水裂縫帶最大高度加上保護層厚度，即Hsh≥Hli+Hb，其中，Hsh為防水煤巖柱尺寸；Hli為導水裂縫帶最大高度；Hb為保護層厚度。根據上述類比確定本井田綜放裂采比為20，則4-2特厚煤層綜放開采導水裂縫帶最大發育高度約為Hli=20M=220 m，由于湖區底部第四系松散層較厚，保護層厚度取3倍采厚，即Hb=3M=33 m，堰塞湖下安全開采所需防水安全煤巖柱尺寸Hsh≥253 m，遠小于堰塞湖下最小基巖柱厚度469 m。如圖4所示，由于特厚煤層綜放開采導水裂縫帶高度超過煤層頂板和洛河組底界面層間距HM-L=213 m，縱向遠場小裂隙會波及到洛河組厚砂巖含水層底部，但不會造成該層組巖層的縱向整體破斷貫通，加之安定組地層的隔水和阻水能力，可以抑制導水裂縫的繼續向上發展。

圖4 工作面推進走向堰塞湖下煤巖柱剖面Fig.4 Section of waterproof pillar in forward direction

目前國內在地表大型水體下開采特厚煤層工程案例不多，代表性案例為遼寧康平煤田鐵法礦區大平煤礦三臺子水庫下進行了特厚煤層開采試驗和擴大開采[18]。與本礦南部相鄰的下溝煤礦在涇河下進行了地表水體下開采工程實踐，其與本案工程類比情況見表2。可以看出，七采區堰塞湖下綜放開采技術條件更為有利，湖下開采區域未發現任何斷層和陷落柱等地質構造，工程類比表明堰塞湖下綜放開采是安全可行的。

表2 水體下特厚煤層綜放開采類比情況Table 2 Analogy case on mining under water with ultra-thick seam

堰塞湖下地質構造極為簡單，沒有斷層和陷落柱，對地表水體下開采有利。開采過程中應該采取如下安全技術措施：① 加強對隱伏構造超前勘探和防治；② 加強井下涌水量監測；③ 完善井下疏排水系統，加大工作面排水能力配備，保證洛河組砂巖含水層下安全開采。

4 開采對地表采動影響

4.1 堰塞湖下采煤沉陷預測

采用概率積分法預測模型計算堰塞湖下8706，8704，8702工作面全采后地表沉陷變形情況。根據七采區開采技術條件綜合選取預計參數如下：下沉系數q=0.75，水平移動系數b=0.3，主要影響角正切tan β=2.2，拐點偏移系數S=0.06H，開采影響傳播角系數K=0.6。最大開采厚度11 m采后堰塞體及堰塞湖區域地表最大下沉約為7 400 mm，最大傾斜為25.2 mm/m，最大水平拉伸變形為12.1 mm/m。

地表采動沉陷情況如圖5所示。

圖5 堰塞湖區域采后地表沉陷變形Fig.5 Ground subsidence at barrier lake area

堰塞湖兩岸山體極為陡峭，部分地段坡度甚至達到直立狀態，開采沉陷基本不會使兩側淹沒范圍增大。現場勘查堰塞體順溝谷方向長約100 m，堆土體積量大，穩定性良好。堰塞體頂面與當前水面高差超過12 m，工作面全采后一般不會出現溢壩，隨著后期上游不斷匯水，堰塞湖水位不斷升高，在暴雨時可能出現漫壩現象。上述沉陷預測為工作面采后最終靜態沉陷變形狀態，開采過程中產生的動態沉陷變形將會對地表造成嚴重的采動損害( 下山裂縫角β″的動態發育 )，堰塞湖東側塬體受到嚴重的拉伸變形作用。考慮到地表塬梁溝谷實際情況，本次采動損害主要關注地裂縫和采動坡體穩定性。

4.2 地裂縫深度

陜北礦區絕大多數為厚濕陷性黃土覆蓋，溝谷切割縱橫。濕陷性黃土抗拉伸變形能力弱，膠結性差，當地表及土體中拉伸變形超過土體承受的極限變形時地表將會產生裂縫，裂縫兩側的不連續變形造成沉降差異，裂縫處還可能產生陷落臺階[21-22]。采動地裂縫發育深度與地表拉伸變形大小、土體的物理力學性質、表土層含水量、潛水位埋深等有關。文獻[23]考慮濕陷性黃土特性以及在拉伸變形作用下土體極限平衡狀態，給出不同地表變形區域的地裂縫深度計算公式，可以適用于七采區開采情況。

式中，lh 為地裂縫發育深度；為裂縫處水平變形值；為土體容重為土層壓縮模量；為土層泊松比為土體黏聚力。

4.3 采動坡體穩定性

七采區堰塞湖東西兩側坡體陡峭，特別是溝谷東側塬體，坡度達到80°～90°，塬頂溝谷深度落差超過150 m，黃土塬體自然狀態下自身穩定性較差，西側塬體整體呈現二級甚至三級臺階狀，坡度較緩，為30°～50°。工作面方向為南北向( 西向東推進 )，推進過程中外側將產生南北向裂縫，整個東側塬體處于沉陷拉伸區內，堰塞湖長軸方向為N25°E，幾乎與裂縫延伸方向平行，如圖5( c )所示，這將對東側臨空坡體產生不利影響，裂縫縱深發育深度大，不易閉合，割斷了土體的膠結聯系。由于濕陷性土體中含有大量可溶性鹽，降水會進一步對裂縫形成沖刷擴展作用，當滑體處于極限平衡狀態時，抗滑力不足以支撐滑體下滑力，其將沿滑移面崩塌滑落。圖6為彬長礦區典型井下開采擾動塬體臨空滑坡現象。通過現場調查和分析，七采區堰塞體以及緊鄰下游滑坡的形成與南部8612工作面開采存在一定的因果關系( 圖1，2 )。

圖6 彬長礦區地表沉陷誘發滑坡Fig.6 Landslide caused by ground subsidence at Binchang mining area

由地表沉陷預計可以看出，堰塞湖西側塬體基本處于下沉盆地底部，處于整體均勻下沉狀態，東側塬體由于下沉的不同步造成地表傾斜，下沉盆地的傾斜方向與原始坡面以及潛在滑移面的傾向一致，更易造成滑體崩塌滑落。采用無穩定水位的單滑面采動坡體穩定性預測方法[24]計算得出，東側臨空坡體穩定性系數F值僅為0.279( F≤1為坡體不穩定，F>1為坡體穩定 )，為極為不穩定狀態。根據已有工程案例可以推斷8704，8702工作面開采會造成東側塬體臨空面失穩形成滑坡地質災害，西側塬體滑坡可能性較小。大體量的土體傾入堰塞湖會造成水位暴漲，可能產生漫壩潰壩危害以及泥石流，嚴重危害下游群眾生命安全，因此開采期間必須加強監測東、西側塬體的穩定性，地表留出合理的安全隔離空間，必要時提前對堰塞體和堰塞湖進行消危處理。

5 結 論

( 1 ) 根據堰塞湖下開采水文地質條件，計算了水體下特厚煤層綜放一次采全高所需防水安全煤巖柱尺寸，其遠小于湖下頂板基巖柱厚度，類比已實施的水體下開采工程案例，采取合理的安全開采技術措施，堰塞湖下特厚煤層綜放開采是安全可行的。

( 2 ) 采用概率積分法計算預測了堰塞湖區域開采后地表沉陷情況。開采沉陷不會使堰塞湖淹沒面積大幅度增加。不考慮東側坡體滑坡的情況下，堰塞體穩定性良好，短期不會出現湖水漫壩情況。

( 3 ) 鑒于濕陷性黃土的特質，預測地裂縫發育深度較大，受地形影響程度大，堰塞體及湖底地裂縫發育受到抑制。采動影響會擾動地表特別是東側塬體的穩定性，地表沉陷和地裂縫會對臨空塬體的滑坡產生推動作用。

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