下霍煤礦水體下安全開采可行性研究

孫殿宇

（晉能控股煤業(yè)集團潞安煤炭事業(yè)部，山西 長治 047500）

0 引 言

煤礦淺部開采會受地表水體影響，地表河流若通過裂隙帶與井下采掘工作面存在水力聯(lián)系，則會給礦井安全生產(chǎn)造成威脅。下霍煤礦二采區(qū)綜采工作面位于田良河及其支流下方，礦井開采煤層厚度大、開采強度高、覆巖破壞劇烈，田良河及其支流以及第四系松散含水層水體的存在，一定程度上對煤層開采造成充水威脅，因此生產(chǎn)過程中，必須查明地表水體對工作面是否有水患威脅。

1 礦井地質(zhì)概況及充水因素分析

1.1 礦井概況

下霍煤礦位于長子縣東南部，井田面積約為40.812 3 km2，設(shè)計生產(chǎn)能力為2.40 Mt/a，全井田采用單水平開拓，采用綜合機械化一次采全高，全部垮落法管理頂板。

礦井目前開采3 號煤層，3 號煤層賦存于山西組下部，煤層厚度為3.68 ～6.75 m，平均為5.21 m。頂板一般為砂質(zhì)泥巖、泥巖或粉砂巖；底板為泥巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖，局部為細粒砂巖。煤層厚度穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，全區(qū)可采，井田地質(zhì)構(gòu)造簡單。

1.2 礦井充水因素分析

礦井在正常條件下開采3 號煤層，充水水源主要為煤層頂板砂巖裂隙含水層，充水通道為采動裂隙及構(gòu)造破碎帶，因都屬弱含水層，充水量有限，正常情況下對礦井生產(chǎn)影響不大。礦井全區(qū)奧灰水帶壓開采，但3 號煤層底板隔水層厚度116.27～144.80 m，突水系數(shù)0.026 MPa/m，正常情況下發(fā)生突水的可能性小，但在地質(zhì)構(gòu)造破壞區(qū)，特別是在導水陷落柱或斷層附近，仍有產(chǎn)生異常突水可能性。

2 田良河概況

下霍井田位于奧灰辛安泉域南部長治盆地水文地質(zhì)單元內(nèi)，區(qū)域地表水屬海河流域漳河水系，漳河分清漳河和濁漳河兩支。流經(jīng)下霍井田的田良河為濁漳河南源的支流，發(fā)源于丹朱嶺北麓，全長18 km。目前田良河主干流流經(jīng)下霍煤礦2306、2307 和2308 工作面，河床寬度10～20 m，最大水深1.2 m。田良河流量穩(wěn)定在2 500 ~ 4 500 m3/h，水流量較小，受大氣降水影響，隨季節(jié)變化較大，歷史最高洪水位為+926.70 m，下游最低，侵蝕基準面為+919.30 m。地表田良河周邊多為耕地，河床基底為砂礫石，地表無基巖出露。

礦井生產(chǎn)過程中，降水量與礦井涌水量無相關(guān)關(guān)系，降水量增減情況，礦井涌水量相對穩(wěn)定。

3 綜放開采覆巖破壞及導水裂隙帶發(fā)育規(guī)律

為分析下霍煤礦工作面在地面田良河下安全開采的可行性，對該礦區(qū)3 號煤層頂板上覆巖層形成的“三帶”發(fā)育高度（主要為垮落帶和導水裂隙帶） 進行研究。將3 號煤層開采頂板覆巖“三帶”觀測布置在2303 工作面，采用電阻率測試法進行觀測。通過在工作面布置觀測鉆孔，采用高密度電阻率法觀測不同位置不同標高的電位變化情況，通過反演技術(shù)得出鉆孔控制區(qū)域的電性特征分布情況，得出客觀的“三帶”高度發(fā)育規(guī)律。

3.1 觀測鉆孔布置及參數(shù)

（1） 測試地點選取。

根據(jù)2303 工作面頂板覆巖破壞特征及工作面構(gòu)造發(fā)育情況，選擇煤層厚度穩(wěn)定、產(chǎn)狀變化小的區(qū)域，綜合分析將觀測鉆孔布置在2303 工作面回風順槽，觀測鉆孔開孔位置位于X22Y2 導線點前27 m 處。

（2） 鉆孔參數(shù)。

工作面平均煤厚為4.9 m，按采高4.9 m 計算，根據(jù)《煤礦防治水細則》，結(jié)合本工作面煤層頂板巖性，預計垮落帶最大高度約20 m（3～4 倍采高），最大裂隙帶理論高度約71 m 和76 m累計采高），因此設(shè)計觀測鉆孔的終孔距煤層頂板最大垂高為90 m。依據(jù)施工條件，確定孔徑94 mm，鉆孔仰角60°，孔深124 m。

3.2 鉆孔電極系統(tǒng)參數(shù)

實際施工的鉆孔觀測系統(tǒng)以監(jiān)測孔開孔位置為坐標原點（0，0，0），垂直巷道指向頂板上方為Z軸正向，沿鉆孔測線在2303 回風順槽投影指向切眼方向為X 橫正向。觀測鉆孔內(nèi)共安裝58 個電極，電極距2.2 m，孔頂為1 號電極。

3.3 “三帶”高度實測

2021 年6 月29 日進行了背景值的采集，自6月29 日開始進行“三帶”觀測孔動態(tài)觀測，至2021 年9 月11 日采集完最后一組數(shù)據(jù)，當日工作面回采到距離鉆孔孔口30 m 位置（到達停采線位置），現(xiàn)場共采集有效電法數(shù)據(jù)11 組。

對于采集的數(shù)據(jù)首先采用儀器配套軟件系統(tǒng)進行解編，再利用電法處理系統(tǒng)進行電阻率反演。根據(jù)三維電阻率數(shù)據(jù)體進行鉆孔與巷道所在剖面切片，通過切片的對比進行頂板覆巖破壞發(fā)育特征分析。

選取有變化規(guī)律的圖像剖面進行對比，當煤層開采時，頂板巖層受采動影響導致巖層變形與破壞，巖層變形與破壞程度越大反映出的電阻率值越高，從而根據(jù)電阻率值的高低進行頂板巖層變形與破壞的規(guī)律解釋，如圖1～圖5 所示。

圖1 探測電阻率背景值圖Fig.1 Background value of detection resistivity

圖1中，回采工作面距監(jiān)測孔終孔投影位置216 m，以當日測得的視電阻率值作為背景值，為后續(xù)探測剖面對比提供基礎(chǔ)。總體上，孔內(nèi)觀測區(qū)域巖層電阻率值在380 Ω·m 以下，為正常砂巖層的電阻率。

圖2 工作面距觀測孔84 m 電阻率結(jié)果Fig.2 Resistivity result with distance 84 m from working face to observation hole

圖3 工作面距觀測孔60 m 電阻率結(jié)果Fig.3 Resistivity result with distance 60 m from working face to observation hole

圖4 工作面距觀測孔40 m 電阻率結(jié)果Fig.4 Resistivity result with distance 40 m from working face to observation hole

圖2表明，工作面切眼距觀測孔口距離84 m，水平方向20 m 位置處電阻率值逐漸增大，表明該區(qū)域受超前支承應力應力影響，最大影響距離64 m，隨著工作面的不斷推進，超前影響區(qū)域的電阻率繼續(xù)升高，表明裂隙繼續(xù)發(fā)育。

圖3表明，隨著工作面回采位置推進高阻區(qū)范圍和電阻率值逐漸增大，表明受采動影響，頂板上方巖體破壞明顯。測線下部高阻區(qū)變得不均勻，表明受應力作用巖體結(jié)構(gòu)破壞的同時，也導致其它水文地質(zhì)條件的變化。

圖5 工作面過孔口30 m 探測電阻率結(jié)果Fig.5 Detection resistivity result with distance 30 m from working face to observation hole

圖4表明，工作面切眼距孔口距離40 m 時，整個觀測剖面主要為高電阻率值分布，電阻率值顯著升高到600 Ω·m 以上，電阻率值呈現(xiàn)明顯的分帶現(xiàn)象。且在剖面下部高阻區(qū)比較集中，表明在老空區(qū)形成一定步距后，應力集中破壞程度高，頂板近煤層巖體冒落，垮落帶發(fā)育充分，頂部巖體位移量較大，裂隙區(qū)進一步發(fā)育。

圖5表明，工作面推過鉆孔30 m 后，高電阻率值分布廣，表明該觀測范圍內(nèi)頂板巖層破壞嚴重，為垮落帶；巷道頂板垂高20～70 m，電阻率值變化大、分布不均勻，為裂隙帶發(fā)育的反映；垂高70 m 以上，電阻率值相對最低，分布均勻，對比背景值，可得出無較大變化。

綜合分析電阻率值變化特征，判斷垮落帶高度為工作面頂板上方0～20 m，導水裂隙帶高度為工作面頂板上方20～70 m，彎曲下沉帶為工作面頂板上方70 m 至地表，垮高/采厚比為4.08，裂高/采厚比為14.28。

4 綜放防水煤巖柱尺寸與開采可行性

4.1 防水安全煤巖柱

本區(qū)新生界松散含水層厚度28～126 m，富水性弱—中等，基巖風化帶發(fā)育較深，一般為60 m，富水性弱，屬于典型的復合水體下采煤。根據(jù)“三下”采煤規(guī)范相關(guān)規(guī)定，水體下開采留設(shè)防水煤巖柱時應考慮基巖風化帶深度，不允許導水裂縫帶波及復合水體。

防水安全煤巖柱垂高按下式計算：

式中：Hsh為防水安全煤巖柱垂高，m；Hli為導水裂縫帶高度，m；Hb為保護層厚度，m；Hfe為基巖風化帶深度，取60 m。

根據(jù)上文實測成果，在正常地質(zhì)條件下綜采工作面的垮落帶高度為20 m，導水裂隙帶高度為70 m，3 號煤層平均厚度5.15 m，采厚取5.5 m，故保護層厚度為16.5 m，綜上通過計算，防水煤巖柱高度為146.5 m，為安全起見取150 m 作為留設(shè)防水煤巖柱高度。

4.2 田良河下安全開采可行性評價

下霍煤礦開采正常地段導水裂隙帶高度70 m，河下開采留設(shè)防水煤巖柱尺寸為150 m，田良河正河床下基巖最薄處基巖柱厚度為395 m（此處第四系厚度約126 m），在保護層上、基巖風化帶下尚有185.8 m 巖柱保持原始滲透性。

通過二采區(qū)2306 工作面田良河下開采實踐，該工作面河床下煤層頂板最小采深452 m，回采過程中工作面正常涌水量15～30 m3/h，水質(zhì)化驗結(jié)果為頂板砂巖裂隙水。因此在正常條件下，田良河水體下采用綜采一次采全高、全部垮落法管理頂板是安全可行的。煤層開采不會改變礦井充水條件，地表水體不會進入井下工作面。

5 結(jié) 論

（1） 通過對下霍煤礦2303 工作面覆巖破壞現(xiàn)場實測、理論研究綜合論證分析，下霍煤礦3 號煤層綜放一次采全高開采條件下頂板導水裂縫帶發(fā)育高度70 m，裂高采厚比約為14 倍。計算得出田良河水體下采煤防水安全煤巖柱高度為150 m。

（2） 結(jié)合下霍煤礦2306 工作面田良河下開采實踐，工作面充水以頂板裂隙水為主，河流不會通過地表采動裂縫對井下工作面充水產(chǎn)生直接影響，表明在田良河下綜放開采是安全可行的。