雙龍煤業(yè)王村溝河下200工作面安全開采實(shí)踐

高健銘，劉 瑞

(陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

雙龍煤業(yè)于1992年開工建設(shè)，原設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力30萬(wàn)t/a；2011年對(duì)礦井進(jìn)行技術(shù)改造，2014年通過技改竣工驗(yàn)收，采煤工藝為綜合機(jī)械化長(zhǎng)壁后退式采煤法，全部垮落法管理頂板，生產(chǎn)能力提升至90萬(wàn)t/a；井田面積34.6307 km2，區(qū)內(nèi)唯一可采煤層為侏羅統(tǒng)延安組2號(hào)煤層。礦井開拓方式為斜井—立井聯(lián)合開拓方式，單一水平開采。礦井現(xiàn)有主斜井、副斜井、檢修井和回風(fēng)立井等4個(gè)井筒。目前井下正在回采201工作面，計(jì)劃于2021年7月底回采結(jié)束，接續(xù)202工作面。

雙龍煤礦地表水系發(fā)育，地表最大河流為沮河，并分布有多個(gè)支流，分別為西溝河、北溝河和王村溝河等，其中王村溝河流經(jīng)規(guī)劃開采的200工作面地表，200工作面開采采動(dòng)影響一旦波及到王村溝河，勢(shì)必會(huì)影響礦井的安全生產(chǎn)。因此，在200工作面回采前，需要對(duì)200工作面在王村溝河下的安全開采進(jìn)行綜合分析，確保采面安全回采。

1 工作面開采技術(shù)條件

1.1 地質(zhì)條件

根據(jù)雙龍煤業(yè)的地表出露和鉆探、井巷工程揭露的情況，地層由老到新分別為上三疊統(tǒng)瓦窯堡組(T3w)，中侏羅統(tǒng)延安組(J2y)及直羅組(J2z)，下白堊統(tǒng)洛河組(k1l)和第四系(Q)。

雙龍煤業(yè)位于黃陵礦區(qū)中南部，總體構(gòu)造形態(tài)為一個(gè)開闊而平緩的不對(duì)稱向斜構(gòu)造，向斜軸向在礦區(qū)的中部近南北向，在礦區(qū)北部和南部為北東向，兩翼地層傾角1°～5°，礦區(qū)范圍內(nèi)未見大型斷層等構(gòu)造。

1.2 水文地質(zhì)條件

1.2.1 地表水

王村溝河沿200工作面推進(jìn)方向流經(jīng)地表，下游流至107工作面停采線上方地表，溝內(nèi)常年流水，河寬約1 m，深約0.2～0.3 m，枯水期正常流量80 m3/h，豐水期雨季最大流量達(dá)到120 m3/h以上。王村溝河在200工作面地表標(biāo)高為+1 030～+1 058 m，河道處于第四系黃土厚度約0～9 m。

1.2.2 含水層

按雙龍煤業(yè)地下水埋藏條件及含水層性質(zhì)，共劃分5個(gè)含水層。

第四系河谷砂礫石孔隙潛水含水層：主要分布于沮河河谷中，由近代河流沖、洪積物組成。巖性以灰黃色含泥沙的卵礫石和亞黏土、砂質(zhì)黏土為主。該含水層水位動(dòng)態(tài)變化隨季節(jié)而異，2、3月份水位最低，8、9月份水位最高，年變化幅度0.5 m。該層地下水補(bǔ)給充沛，除降水滲入外，可從河水和基巖含水層得到大量經(jīng)常性的補(bǔ)給。

第四系黃土含水層(Q2l+3m)：全區(qū)大面積分布，一般塬區(qū)厚，山梁處薄。巖性由棕紅色、灰黃色亞黏土、亞砂土組成，含大量鈣質(zhì)結(jié)核，具氣孔構(gòu)造。底部砂礫石或亞砂土含水，鈣質(zhì)結(jié)核及黏土層為其隔水層，總厚一般0～62.07 m，平均32.51 m，該層富水性弱。

白堊系下統(tǒng)洛河組砂巖孔隙裂隙含水層(K1l)：該層區(qū)內(nèi)廣泛分布，出露于山梁坡地一帶，較大溝谷中多被侵蝕切割，總厚一般0～199.58 m，平均75.49 m。洛河組砂巖含水層在區(qū)域是一個(gè)主要含水層，該層富水性弱-中等，而在井田范圍內(nèi)不具備儲(chǔ)水條件，由于被溝谷切割至底部，含水層多以泉的形式泄出地表，補(bǔ)給地表水。

侏羅系中統(tǒng)直羅組下段砂巖含水層(J2z1)：該層厚度大、分布廣、沿河谷兩側(cè)出露多、易于補(bǔ)給，就水力性質(zhì)來(lái)說(shuō)，直羅組含水層在本區(qū)既為潛水，又為承壓水。全段厚31.05～73.36 m，平均60.17 m。巖性以灰白、灰綠色中粗砂巖為主，夾薄層粉砂巖、細(xì)砂巖。雙龍礦區(qū)主要含水層，屬弱-中等富水性的含水層。

侏羅系中統(tǒng)延安組中部含水層(J2y中)：全區(qū)分布，由2號(hào)煤層及其老頂七里鎮(zhèn)砂巖組成，總厚度5.32～30.10 m，該層富水性弱。頂板七里鎮(zhèn)砂巖，巖性為灰白色、中-細(xì)粒石英砂巖為主，砂體平面分布呈條帶狀，樹枝狀，局部相變?yōu)榉凵皫r，粒度南細(xì)北粗。厚度1～20.17 m，一般厚6 m左右。

1.2.3 隔水層

按雙龍煤業(yè)地下水埋藏條件及隔水層性質(zhì)，共劃分2個(gè)隔水層。

侏羅系中統(tǒng)直羅組上段隔水層(J2z2)：該層在區(qū)內(nèi)普遍分布，厚度0～137.26 m，平均78.73 m。巖性以紫紅色、雜色泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖為主，中夾薄層中、細(xì)粒砂巖。該層厚度大，井田內(nèi)分布普遍，可作為區(qū)內(nèi)上下含水層的相對(duì)隔水層。

侏羅系中統(tǒng)延安組上部相對(duì)隔水層(J2y上)：該隔水層為“七里鎮(zhèn)砂巖”以上延安組地層，厚26.88～115.31 m，一般厚度為60 m。巖性以深灰、灰黑色泥巖，灰色粉砂巖為主。該層厚度大，分布穩(wěn)定，可為直羅組下段砂巖含水層與煤系含水層的相對(duì)隔水層。

1.3 開采條件

200工作面西側(cè)緊鄰201工作面，東側(cè)為井田邊界，邊界煤柱往東為黃陵一號(hào)煤礦801、803、805、807以及809工作面，其中801、803及805工作面已經(jīng)回采結(jié)束，807工作面正在回采，南側(cè)緊鄰二盤區(qū)輔助運(yùn)輸大巷，北側(cè)為未開采區(qū)。200工作面開采2號(hào)煤層，煤厚1.8～3.2 m，由北往南逐漸增厚；200工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度1 850 m，傾向長(zhǎng)度206 m，距201采空區(qū)留設(shè)21 m保護(hù)煤柱，距黃陵一號(hào)煤礦807采空區(qū)留設(shè)40 m保護(hù)煤柱，工作面地表標(biāo)高+1 030～+1 058 m，煤層底板標(biāo)高+840～+858 m，埋深約200 m；王村溝河從整個(gè)200工作面穿過。200工作面平面布置及煤層等厚線如圖1所示。

圖1 200工作面平面布置及煤層等厚線Fig.1 Plane layout of 200 working face and isopach line of coal seam

2 工作面“兩帶”高度

2018年雙龍煤業(yè)分別在104、105工作面采用井下仰孔分段注水探測(cè)方法對(duì)采空區(qū)頂板裂隙帶高度進(jìn)行了實(shí)測(cè)，通過測(cè)定采后鉆孔的分段注水漏失量，確定了采空區(qū)頂板裂隙帶的發(fā)育高度。

2.1 原104工作面“兩帶”實(shí)測(cè)高度

原104工作面走向長(zhǎng)1 860 m，寬235 m，地表標(biāo)高+1 150～+1 200 m，煤層標(biāo)高+832～+850 m，南鄰103采空區(qū)，北鄰105工作面；104工作面于2016年11月開始回采，至2017年12月回采結(jié)束。

2018年對(duì)104工作面采用仰孔分段注水探測(cè)方法對(duì)采空區(qū)頂板裂隙帶高度進(jìn)行了實(shí)測(cè)，數(shù)據(jù)顯示，104工作面上覆巖層受采動(dòng)影響裂隙帶高度頂界約68 m，采空區(qū)覆巖采動(dòng)垮落帶高度約9 m，通過裂隙帶高度和煤層采厚對(duì)比分析，得出104工作面裂采比為27.2。

2.2 原105工作面“兩帶”高度

原105工作面走向長(zhǎng)1 220 m，寬235 m，地表標(biāo)高+1 100～+1 300 m，煤層標(biāo)高+836～+831 m，南鄰104采空區(qū)，北鄰106工作面；105工作面于2018年1月開始回采，至2018年底回采結(jié)束。

2018年對(duì)105工作面采用仰孔分段注水探測(cè)方法對(duì)采空區(qū)頂板裂隙帶高度進(jìn)行了實(shí)測(cè)，數(shù)據(jù)顯示，105工作面上覆巖層受采動(dòng)影響裂隙帶高度頂界約65 m，采空區(qū)覆巖采動(dòng)垮落帶高度約8 m，通過裂隙帶高度和煤層采厚對(duì)比分析，得出105工作面裂采比27.08。

2.3 200工作面“兩帶”預(yù)計(jì)高度

200工作面與104、105工作面開采條件對(duì)比見表1。200工作面采深、開采工藝、開采煤層賦存條件與104、105工作面基本一致，覆巖結(jié)構(gòu)相近，200工作面覆巖地層中泥巖類巖層占基巖比例較104、105工作面更大。根據(jù)覆巖破壞高度實(shí)測(cè)規(guī)律，覆巖中泥巖類巖層占基巖比例較高有助于抑制導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育。基于上述情況，依據(jù)104、105工作面的覆巖破壞實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，類比推導(dǎo)200工作面開采覆巖破壞發(fā)育高度從安全角度考慮是可行的，因此，200工作面的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度裂采比選取28。200工作面煤層厚度1.8～3.2 m，計(jì)算得出導(dǎo)水裂隙帶高度50.4～89.6 m，最大高度89.6 m，且位于200工作面南部區(qū)域。

表1 200工作面與104、105工作面開采條件對(duì)比Table 1 Comparison of mining conditions between 200 working face and 104、105 working face

3 安全煤巖柱留設(shè)高度

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，王村溝河是一級(jí)水體采動(dòng)防護(hù)，工作面導(dǎo)水裂隙帶不能波及該河流水體，因此須按規(guī)定對(duì)其留設(shè)防水安全巖柱。由于河谷地區(qū)的地表河流直接賦存于第四系松散含水層上，松散含水層與地表河流間水力聯(lián)系密切，互為補(bǔ)給源，均接受大氣降水補(bǔ)給，因此在河谷地區(qū)可將二者視為統(tǒng)一水體。因此，在對(duì)王村溝河留設(shè)防水安全巖柱時(shí)，應(yīng)將第四系松散含水層底界面作為地表水體底界面。由于直羅組下段含水層屬于中等富水區(qū)，同樣需要預(yù)留防水安全巖柱。

3.1 第四系含水層安全煤柱留設(shè)高度

留設(shè)防水安全巖柱是為了導(dǎo)水裂隙帶不波及水體。防水巖柱(Hsh)的最小尺寸應(yīng)當(dāng)大于導(dǎo)水裂隙帶最大高度(Hli)加上一定厚度的保護(hù)層(Hb)，即

Hsh≥Hli+Hb

式中，Hsh為防水安全煤巖柱的垂高，m；Hli為導(dǎo)水裂隙帶最大高度，m；Hb為保護(hù)層厚度，m。

根據(jù)地質(zhì)資料分析，200工作面覆巖屬于中硬類型，且第四系松散層底部無(wú)黏性土層，根據(jù)《“三下”采煤規(guī)范》規(guī)定，保護(hù)層厚度選取6倍采厚。

200工作面煤厚1.8～3.2 m，為確保王村溝河流壓煤安全開采，根據(jù)上述公式計(jì)算得出200工作面第四系含水層需留設(shè)的防水巖柱高度為61.2～108.8 m；200工作面內(nèi)王村溝河區(qū)域第四系含水層底界至2號(hào)煤層頂板間距離為110～230 m，滿足第四系含水層留設(shè)防水安全巖柱條件。因此，200工作面滿足王村溝河下2號(hào)煤層按全厚開采的防水安全煤巖柱留設(shè)要求。

3.2 直羅組下段含水層安全煤柱留設(shè)高度

按照《“三下”采煤規(guī)范》的要求，對(duì)直羅組下段含水層按照留設(shè)防水煤巖柱設(shè)計(jì)，將直羅組下段含水層底界面作為防水煤柱設(shè)計(jì)的界面。令

Δ=HS-Hfs

式中，HS為直羅組下段含水層至2號(hào)煤頂板之間的距離，m；Hfs為防水安全巖柱高度，m。

因此，當(dāng)Δ>0時(shí)，含水層對(duì)工作面充水影響小；當(dāng)Δ<0時(shí)，含水層對(duì)工作面產(chǎn)生充水影響。

收集200工作面附近鉆孔數(shù)據(jù)，結(jié)合安全煤柱高度公式，計(jì)算200工作面各鉆孔直羅組下段含水層防水煤柱留設(shè)高度和充水影響差值見表2，并繪制直羅組下段含水層對(duì)200工作面充水影響圖如圖2所示。

表2 200工作面各鉆孔直羅組下段含水層防水煤柱留設(shè)高度和充水影響差值Table 2 The difference between the height of the waterproof coal pillar and the effect of water filling in the lower aquifer of the Zhiluo Formation in each borehole of the 200 working face

圖2 直羅組下段含水層對(duì)200工作面充水影響圖Fig.2 The influence of the aquifer in the lower Zhiluo formation on the water filling of the 200 working face

根據(jù)圖2分析得出，200工作面從停采線至以北500 m里程范圍內(nèi)不滿足防水安全巖柱留設(shè)高度要求，200工作面需采取限厚開采措施；根據(jù)200工作面頂板延安組基巖段厚度計(jì)算，200工作面從停采線至以北250 m里程范圍內(nèi)控制最大采高為2.6 m，250 m到500 m里程范圍內(nèi)控制最大采高為2.5 m。

4 工作面王村溝河下開采安全性分析

4.1 地表裂縫與采動(dòng)裂縫的連通性

根據(jù)地質(zhì)資料顯示，200工作面開采后，考慮地表裂縫和采動(dòng)裂縫發(fā)育，200工作面王村溝河區(qū)域仍有約93～170 m的完整巖土層厚度，其巖層原有隔水性能未受到破壞。根據(jù)200工作面范圍及周邊地質(zhì)鉆孔柱狀圖可知，在河流下方、基巖地層上段均發(fā)育有穩(wěn)定沉積的厚層泥巖，且導(dǎo)水裂隙帶頂點(diǎn)以上層位均有單層厚度超過10 m、累計(jì)厚度超過20 m的泥巖類巖層，泥巖隔水性能良好，可以有效阻隔地表水沿采動(dòng)裂縫潰入井下。

4.2 異常通道導(dǎo)通可能性

200工作面生產(chǎn)期間，應(yīng)加強(qiáng)地質(zhì)資料收集和分析總結(jié)工作，采前要論證斷層構(gòu)造、地質(zhì)鉆孔封孔等情況，對(duì)封孔不良的鉆孔要重新起封，對(duì)揭露的導(dǎo)水構(gòu)造，要分析其發(fā)育規(guī)模、富水性和連通性等特征，回采至斷裂帶附近時(shí)，應(yīng)密切關(guān)注工作面回采期間的水情，必要時(shí)須采取注漿封堵等措施，防止異常突涌水災(zāi)害。

4.3 老空水威脅

根據(jù)200工作面布置情況以及2號(hào)煤層底板標(biāo)高變化趨勢(shì)分析得出，200工作面附近2號(hào)煤層底板標(biāo)高總體為從西北向東南方向逐漸降低。其中，200工作面底板標(biāo)高高于黃陵一號(hào)煤礦801、803、805工作面，老空水威脅較小，807工作面底板標(biāo)高略高于200工作面，存在一定威脅，但200工作面與807工作面留設(shè)40 m防隔水煤柱，能有效降低807老空水對(duì)200工作面的威脅；201工作面底板標(biāo)高高于200工作面，201工作面回采期間出水量較小，仍需對(duì)201工作面老空區(qū)做好封閉或疏放水工作。

5 結(jié)語(yǔ)

王村溝河下200工作面開采是相對(duì)安全的，但200工作面局部區(qū)域不能滿足直羅組下段含水層安全巖柱留設(shè)的要求，200工作面局部區(qū)域需采取限厚開采措施；同時(shí)又要密切關(guān)注異常通道導(dǎo)通裂隙水和老空水等威脅，及時(shí)采取注漿、封閉或疏放等防治水措施。