陕西神南矿区煤炭开采保水煤柱留设分析

蒋泽泉，孟庆超，王宏科

（1.陕西省煤田地质局一八五队，陕西 榆林 719000；2.中油股份独山子石化分公司，新疆 独山子 833600；3.神木柠条塔矿业有限公司，陕西 神木 719315）

0 引言

陕北榆神府区（含神北、神南、榆神、榆横、新民等五大矿区）20年的采煤实践，出现了地下水位下降、泉水干涸、河川断流、生态环境恶化等一系列严重的环境问题［1－4］，实现科学采煤，就必须解决好采煤与环境保护的协调发展［5］。近年来，国内地质界针对陕北保水采煤问题开展了大量研究，探讨了保水开采对策和方法，提出了保水采煤的核心是生态水位保护的新观点［6－8］，在水资源有限的陕北地区采煤，既要最大限度地提高煤炭资源采出率，又要保护含水层结构的完整性（保生态水位），这就要求合理设计保水煤柱，在保障煤矿安全条件下，以保护含水层结构为目标，科学留设煤柱。煤柱留宽了，不利于煤炭资源充分利用，反之则会造成矿井突水及生态水位下降，诱发一系列生态环境问题。为此，我们以神南矿区为例，开展了保水采煤保水煤柱留设的研究，提出了方案。

神南矿区目前有柠条塔（12Mt/a）、红柳林（12M t/a）、张家峁煤矿（6M t/a）3处大型现代化煤矿，实现矿区保水开采，不仅关系到矿区持续发展，也对整个陕北、神东煤炭基地建设与环境协调发展具有重大意义，除调整采煤方法、改变采高等措施外，合理留设保水煤柱，是实现保水开采的重要途径。

1 煤层开采受影响的主要保护含水层

神南矿区主要含水层是松散层潜水含水层和烧变岩含水层［9］，侏罗系基岩含水层富水性极微弱，因此，留设保水煤柱主要保护松散层潜水含水层和烧变岩含水层不受破坏，同时，保护地表水体（河流、水库、海子）不受破坏。

1.1 松散层孔隙潜水含水层

砂层水：主要分布于矿区南部，由风积砂和萨拉乌苏组组成，两者常构成同一含水层。补给以大气降水和凝结水为主，其中凝结水在7～9月份时补给量可达127.94m3/d·km2，是一些沙漠干旱植物生长必需的主要水源。砂层水的排泄方式为顺地形以水平渗流为主，与黄土或红土的接触地段，以及河谷切割区常为其排泄边界，以下降泉的形式出露。当砂层下伏为烧变岩时，砂层水排泄方式为垂直渗流，补给烧变岩水，在火烧边界形成降落漏斗。

河谷区潜水：主要分布于考考乌素沟、常家沟、芦草沟、敖包沟、肯铁岭河两侧河漫滩和一级阶地之上，分布不连续，厚度变化较大。主要为第四系冲积层和基岩风化带潜水，一般彼此上下重叠，为具有双重结构的统一含水体。冲积层孔隙大，透水性好，易于接受大气降水补给。河谷区潜水与地表水体有极密切的水力联系，一般枯水期潜水排泄补给地表水，丰水期河流补给冲积层潜水。

1.2 烧变岩含水层

烧变岩的分布主要在张家峁井田内和红柳林井田东部井田边界，柠条塔井田内的烧变岩区由2－2煤和3－1煤火烧形成，已上下连成一体。火烧区一般沿煤层露头呈条带状分布，沿倾向延伸一般1～2km，最深12km，为地表水、大气降水的入渗和地下水的迳流创造了有利条件，同时也可以作为良好的地下储水构造［9］。

1.3 地表水体

神南矿区地表水体以泉水、地表径流和水库为主。泉水主要分布于沟谷两侧，类型主要为下降泉和溢出泉，其中位于前杨家村和后杨家村中间的泉群q12，流量32.26 L/s（2009.11.7），为矿区内流量最大的泉；地表径流主要有考考乌素沟（307.3 L/s，2009.11.3）、常家沟（36.00 L/s，2009.11.3）、芦草沟（614.03 L/s；常家沟水库是神木县目前最大的蓄水水库，汇水面积44km2，水库最大容量1200×104m3，一般为225×104m3，芦草沟海子，最大库容约 1×104m3，水头沟水库最大库容1.5×104m3。

2 防水煤柱留设原则

以《煤矿防治水规定（2009）》和《建筑物水体铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程（2000）》推荐的经验公式：

式中：L——煤柱留设宽度（m）；

L1——煤岩柱第一段宽度（m）；

L2——煤岩柱第二段宽度（m）；

图1 煤柱留设示意图Fig.1 Sketch of coal pillar design

其中L1=H/tanδ（式中：H为河堤与煤层标高差，m；δ为煤层采动边界角，依照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程（2000）》中相似地质条件下的取值，这里取46.6°）（图1）。

煤岩柱第二段宽度（L2为规定中含水或导水断层防隔水煤柱）留设公式：

式中：L2——煤柱留设的宽度（m）；

K——安全系数，一般取2～5，此次取5；

M——煤层厚度或采高（m）；

p——水头压力（MPa）；

Kp——煤的抗拉强度，取 0.22（MPa）。

3 神南矿区保护煤柱的留设

3.1 张家峁煤矿保水煤柱留设

（1）常家沟水库保水煤柱留设

常家沟水库位于张家峁井田内东南部，建于乌兰不拉河与老来河的交汇处，是神木县目前最大的蓄水水库。汇水面积44km2，水库最大容量1200×104m3。其主要承担华能公司自备电厂供水任务，同时也要保证下游2000hm2农田灌溉用水和人畜饮用水。常家沟水库水坝为土质结构，坝高46.7m，长250m，坝面宽10m，坝底及周围岩石为延安组第三段极弱含水层段。库底被泥沙淤积，库底标高1111.74m。洪峰期最高水位1127.74m，枯水期水位标高1121.74m，蓄水量 154×104～299×104m3，一般 225×104m3。

水位标高依水面洪峰期最高水位标高1127m进行计算，则相对水位标高而言，4－3煤的平均埋深只有47m，其平均厚度有1.28m，导水裂隙带高度54.2m；4－4煤的平均埋深只有67m，平均厚度0.79m，导水裂隙带高度38.7m；5－2煤的平均埋深102m，平均厚度5.66m，导水裂隙带高度67.8m（表1）。

表1 常家沟水库煤柱留设计算表Tab le 1 Coal pillar design of Changjiagou reservoir

（2）火烧区保水煤柱留设

矿井生产开拓时应特别注意中部的 2－2、3－1煤火烧区，由于其位于井田西南的风沙滩地区的煤层厚度大、出露层位高，因而大面积自燃，形成的烧变岩范围大，烧变岩中裂隙孔洞极为发育，与上覆第四系松散含水层发生水力联系，使萨拉乌苏组及松散沙层潜水进入烧变岩裂隙内，并沿煤层底板泥岩隔水层向低洼处汇集，并以泉的形式排泄。

烧变岩竖向范围取6倍的煤层高度，即2－2煤为38.94m，3－1煤为15.72m，以此作为烧变岩中水位高度，水体类型依 2类水体，分别计算 2－2煤、3－1煤的侧向隔水煤柱宽度，结果如表2。

表2 井田火烧区煤柱留设计算表Tab le 2 Coal pillar design of burning area

在开采过程中，当工作面邻近烧变岩地区时，为防止烧变岩中的水突然涌入矿井，保障工作面的生产安全，必须在工作面布置前打超前勘探孔，探明烧变岩分布情况，并疏放其中的积水。由于本区为下行开采，在2－2煤和3－1煤工作面推采过烧变岩以后，火烧区中的存水将向井下大量排泄，烧变岩存水将消耗待尽，烧变岩下布置的工作面可以比较安全的通过烧变岩区，但在接近烧变岩区时同样也要做好充分的超前勘探工作。

3.2 红柳林煤矿保水煤柱留设

（1）卢草沟（河流）保水煤柱留设

卢草沟水源为砂层汇水，由于沿途经过矿井风沙滩地区，汇水面积大，水量丰富，上游水量 732×104m3/a，下游接近2000×104m3/a（接受五榜石沟补给），并通过何家梁输水隧道向常家沟水库输水，年输水1710 m3。因此，卢草沟是井田范围内最重要的一条河流。

水位标高按1210 m进行计算，由于2－2煤的平均埋深只有60 m，而其厚度有4.31 m，导水裂隙带高度54.2 m，2－2煤的开采对上部岩土体影响剧烈，因此在卢草沟附近必须留设防水煤柱。3－1煤的平均埋深只有90 m，厚度2.71 m，导水裂隙带高度38.7 m，除去保护层厚度（按中硬顶板为12 m），上覆岩土层厚度剩余40 m，卢草沟下的3－1煤是否可以开采还要进行后续勘探研究。其他煤层在充分设计的前提下可以进行水体下采煤（表3）。

表3 卢草沟煤柱留设计算表Tab le 3 Coal pillar design of Lucaogou

（2）五榜石沟保水煤柱留设

五榜石沟是卢草沟的一级支流，由砂层潜水汇流形成，年径流量366×104m3。水位标高按1180m进行计算（表4）。

表4 五榜石沟煤柱留设计算表Tab le 4 Coal pillar design of W ubangshigou

（3）敖包沟保水煤柱留设

由2009年9～11月的野外水文地质勘查可知，敖包沟上游水量179×104m3/a，下游（敖包沟煤矿）水量767×104m3/a。据了解，下游水量骤增的原因是敖包沟煤矿将矿井水直接排入敖包沟。

敖包沟的平均标高为1110 m。根据矿井的生产设计，敖包沟附近首采5－2煤，其平均埋深只有110 m，煤层厚度平均5.87 m，导水裂隙带高度69.2 m，除去保护层厚度（按中硬顶板为12 m），上覆岩土层厚度仅剩17.8 m。5－2煤的开采对地面影响相当剧烈，因此在未采取必要措施之前，必须留设煤柱，以防敖包沟水流涌入矿井。如表5所示。

表5 敖包沟煤柱留设计算表Tab le 5 Coal pillar design of Aobaogou

3.3 柠条塔煤矿保水煤柱留设

3.3.1 有水火烧区的煤岩柱留设

柠条塔富水火烧区主要分布在原肯铁岭井田露天区，分布面积大约 4.6 km2，孔隙体积约 2660×104m3，水量约 302 ×104m3，该处 2－2煤和 3－1煤烧变岩层导水裂隙已连通为整体，最厚处达100 m。

（1）火烧区水体下煤柱留设

火烧区下伏首采煤层为4－2煤（火烧区下4－2煤厚约3m），其距 3－1煤底板约 50m，依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程（2000）》安全煤岩柱留设公式：

其中：Hah——垂高（m）；

Hli——导水裂隙带最大高度（m）；

Hb——保护层厚度（m）；

Hfe——风化带深度（m）。

依据资料，风化基岩厚度约5m，保护层厚度依据中硬顶板计算，Hb=4M=12 m，导水裂隙带高度依据拟合公式计算Hli=9.59M+12.88=41.65m，故Hah≥Hli+Hb+Hfe=41.65+12+5=58.65 m，略大于与上部煤层间距50m，而柠条塔矿井南部火烧区水量大，要解放此处水体下煤炭资源必须对烧变岩水体疏干，但实施难度很大。

（2）火烧区附近煤柱留设（图2）

该区域附近首采煤层为2－2煤，火烧区附近分为严重漏失区和一般漏失区，即导水裂隙带会导穿基岩，沟通上覆砂层潜水、冒落带不会发育至潜水含水层，但火烧区周围砂层富水性为中等，在采取了相应的防治水措施的前提下，可以避免砂层水的威胁。

但火烧区附近的煤层开采必须针对富水性极强的火烧区留设足够的防水煤岩柱。根据规定和规范所列相关条款，留设火烧区附近的煤柱。

图2 柠条塔考考乌素沟南部火烧区附近煤柱留设示意图Fig.2 Sketch of coal pillar design in sou thern Kaokaow usugou bu rning area

依据公式 1进行计算，依据资料，L1=71.47/tg46.6°=67.6 m；按最不利因素计算，采高取6.11 m，水头压力 p取为1 MPa（100 m），Kp为 0.22 MPa，K取5，计算防隔水煤（岩）柱宽度 L2为56.4 m。此时，L=67.6+56.4=124 m。

（3）火烧区附近煤岩柱的检验

第二段防水煤岩柱为主要的隔水层，其岩性主要为砂岩，经过压水试验显示在1MPa压力下渗透系数为0.02 m/d；工作面斜长取295 m，2－2煤采高为6.11 m，导水裂隙带高度为71.47 m；在留设124 m防水煤岩柱的情况下，依据达西定律公式计算得到渗透量约为71.47×295×0.02÷56.4=7.48 m3/d。

可以看出从煤岩柱侧方渗透的水量十分有限，煤岩柱可以完成有效的水文地质防渗要求。3.3.2 无水火烧区下的煤岩柱留设

柠条塔矿井考考乌素沟北部为梁峁地形，火烧区补给困难，根据地质调查，此处火烧区基本无水。火烧区下煤柱留设：火烧区下可以大规模开采的是4－2煤（据Z2孔揭露2.84 m厚）距离上覆火烧区（3－1煤底板）约 53 m。4－2煤开采后导水裂隙高度约为40.12 m，煤层之间无风化带，因此其下4－2煤开采基本不受上覆火烧区影响，但火烧区没有足够的钻孔控制，因此在每个工作面布置开采的时候需要以工作面为单元进行防治水探查。

火烧区附近煤柱留设：由于火烧区没有水，因此煤柱的留设可以直接参考公式2，留20 m煤柱。

3.3.3 考考乌素沟的煤岩柱留设

考考乌素沟下煤柱留设：考考乌素沟下赋存的煤层是3－1煤（2.8 m左右），其距离考考乌素沟谷底30 m，小于导水裂隙带高度，因此3－1煤不能开采；下伏第二层煤为4－2煤（2.78 m厚），其距离考考乌素沟谷底90 m，按照（1）式计算L=105.1 m。

考考乌素沟附近煤柱留设：考考乌素沟为窟野河一级支流，由西向东横贯井田中部，其北侧支沟为新民沟、石峡沟、好赖沟；南侧支沟为小候家母河沟、肯铁令河；历年平均流量为0.7491 m3/s，最大流量为26.0113 m3/s，最小流量为 0.101 m3/s。因此，考考乌素沟为不易疏干的大型河流，需要留设足够的防水煤岩柱加以保护，考考乌素沟周围可采的煤层为2－2煤，其平均厚度为6.11 m。

依据“三下采煤规程”，留设煤岩柱宽度依照（1）式计算，其值为46 m，即考考乌素沟周围需要留设46 m的防水煤岩柱才能满足防治水的要求。

3.3.4 其余河沟的煤岩柱留设

柠条塔煤矿除了考考乌素沟以外，没有大型河流，但中小型河流普遍存在，在工作面推采穿越中小型河沟时，需要按照规程相关要求，对河流进行改道或直接疏干，而某些季节性河流也可以选在枯水季节通过，避免河流水短时间大量进入矿井。

若不进行以上措施，则需要参照上述考考乌素沟留设46m左右的防水煤岩柱。

4 结论

为了保护含水层结构及生态水位的稳定，神南矿区主要区块煤柱留设应按照以下数据设计。

（1）张家峁煤矿常家沟水库煤柱留设20～52.8m，其中上部煤层留20m保水煤柱，5－2煤开采留52.8m保水煤柱；烧变岩边界附近留20m保水煤柱。

（2）红柳林煤矿卢草沟（河流）下采煤，开采2－2煤留保水煤柱 30.8m，3－1煤留23.7m；五榜石沟（河流）下采煤，2－2煤留保水煤柱 21.8m，3－1煤开采留20m；敖包沟沟（河流）下采煤，5－2煤留保水煤柱57.2m。

（3）柠条塔煤矿南区烧变岩含水层含水丰富，应该慎重开采该区域及其附近 2－2、3－1、4－2煤层；考考乌素沟（河流）保水煤柱留设尺寸为46m，其余地段一般按20m留设。

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