神府矿区径流条件下浅埋煤层开采防治水技术分析

2016-02-27杨磊

环球人文地理·评论版 2016年1期

杨磊

摘要：神府煤田煤炭资源丰富，煤质优良，埋藏浅，薄基岩，构造简单，但是近年来防治水问题成了神府东胜矿区的主要难题。文中以陕煤集团红柳林矿区为例，通过大量资料分析提出了采动沟谷水害类型分区，并针对不同类型提出了不同的地面、井下综合治理方法。

关键词：地面径流；浅埋煤层；防治水技术

0、引言

陕北侏罗纪煤田处于毛乌素沙地与黄土高原的接壤地带，矿区生态环境脆弱，煤层埋藏浅、基岩薄，煤层开采厚度4-10m，煤矿开采必然会造成地表水、地下水渗漏，土地沙漠化、水土流失严重，对生态环境影响大，而且易破坏，难恢复。针对陕北、内蒙的地理环境和煤矿开采易引发生态环境破坏的工程地质水文地质条件，生态环境保护、保水采煤[1-2]和煤炭資源安全开发利用都是非常重要的，在煤炭开采过程中寻求合理采煤措施成为该地区煤矿开采的必然选择。

1、地面径流条件下开采存在的问题

研究区—神南矿区位于陕北神府矿区南部，由红柳林、张家峁、柠条塔三大井田组成，西部为波状沙丘地，东部为黄土梁峁沟谷地貌，区内黄土在中西部形成“人”字形垄状，分别构成了以考考乌素沟、芦草沟、巴兔明沟、长毛沟及常家沟水库为汇水单元的低洼位置。在区内各大支沟的上游边界和沟壑区易发生水土流失，在这些区域，地形坡度一般大于15°，地形破碎、冲沟发育，暴雨产生急剧的地表径流，形成巨大的冲刷力，强烈侵蚀表层土壤，形成大量的水土流失。在陕北地区，河流周边一般都有村庄存在，煤矿开采后如果不采取措施，在浅埋条件下必然会造成地表水和地下水渗漏，这样依存这条河流的土地和村庄就无法生存了，同时地表洪水地下水也威胁着矿山的安全开采。

2、采动后工作面水害类型分析

矿井采动后，在工作面后方将形成大范围未支护的空间，当悬顶距达到直接顶的极限跨落距时，直接顶发生冒落，自由空间被冒落的破碎岩石充填，煤层顶板以上依次形成冒落带、裂隙带和整体下沉带（图2.1）。

冒落带特点是岩石呈不规则块状，散体结构，空隙大，根据邻近矿区的经验，冒落带发育高度约为3-6倍的煤层采高。裂隙带的特点是，岩层不连续，竖向裂隙发育，渗透系数大，如裂隙带与含水层导通，则含水层中的水会沿裂隙灌入矿井，形成溃水溃沙事故，增加矿井的排水费用，严重的威胁矿井的安全生产。整体下沉带内的岩层结构未发生改变或只有少许的裂隙，不能构成贯通的导水通道。弯曲下沉带上方地表一般都出现下沉盆地，盆地边缘往往出现张裂隙，但宽度向下变小，至一定深度即闭合，如整体下沉带内发育有连续的隔水层，对保护上部含水层水是有利的。故弯曲下沉带具有隔水保护层的作用。

图2.1 煤层开采三带示意图

一般情况下，裂隙带的空间发育形态应为马鞍形。在切眼后侧和工作面前方，即鞍部两翼，为拉应力区，将发育有竖向超前裂隙，这些裂隙在工作面推进过程中不易闭合，连通性强，发育高度大，往往形成贯通的导水通道，如图所示，采空区煤帮上方和切眼上方为优势渗流面，是工作面安全生产中的薄弱环节。随着工作面远离切眼，开切眼附近采动覆岩裂隙导水能力逐渐减小，最终达到稳定状态，且渗透能力只是初始渗透能力的几分之一。即在煤层开采工程中，只要开切眼侧在工作面开采初始阶段没有发生顶板水资源流失，那么在以后的开采过程中，开切眼一侧发生水资源流失的可能性更小。因此当工作面的布置与地面水体或烧变岩在水平方向上比较接近时，应留设足够的侧向防水煤柱，以防超前裂隙导通地面水体或烧变岩，发生溃水溃沙的事故。

根据以往研究可知：在工作面推进的过程中，如地表为梁峁地貌，地表裂缝开度往往呈先增大后减小的趋势。裂隙在工作面前端拉伸区发育，开度增大（a），向下随深度逐渐尖灭；随着开采的推进，当拉伸区推过裂隙后，裂隙进入压缩区，裂隙开度渐渐减小，趋于闭合（b），说明在煤层开采过程中，采动对地表裂隙的影响是多方面的。

煤炭开采对覆岩产生不同程度的破坏，也对水资源产生不同程度的影响。通过我们大量的试验研究红柳林煤矿南翼肯铁令沟区域导水裂隙带发育高度、冒落带高度、上覆基岩厚度、砂层厚度、松散层厚度、土层厚度对覆岩破坏影响因素，并结合防水防砂安全煤柱保护层厚度，将采动沟谷径流水害划分为四类：突水溃砂型、突水型、渗漏型、保水型。

突水溃砂型：当预测的冒落带导通地表，或者冒落带以上残余岩土层厚度小于防砂安全煤岩柱保护层厚度，地表水、地下水以及上覆砂层一起溃入井下。

突水型：当预测的导水裂隙带高度沟通地表，或者导水裂隙带以上残余岩土层厚度小于防水安全煤岩柱保护层厚度，地表水部分漏失，地下水溃入井下，对井下产生突水水害。

渗漏型：预测的导水裂隙带发育到隔水土层但未完全导穿，隔水土层尚有一定的有效隔水厚度，少量地表水漏失，地下水渗入井下。

保水型：导水裂隙带高度加防水安全煤岩柱厚度小于基岩厚度，地下水基本不受影响，短时间内可以恢复。

3、水害防治技术研究

21世纪以来，由中国矿业大学钱鸣高院士带领的科学团队提出了一个重要理论——“绿色开采”理论[3]，内涵是努力遵循循环经济中绿色工业的原则，形成一种与环境协调一致的，努力实现“低开采、高利用、低排放”的开采技术。2006年，钱鸣高院士又提出了“科学采矿”理论[4]，该理论是指实现既能最大限度地高效采出煤炭资源而又保证安全和保护环境的开采技术。

矿井开采防治水工作是十分重要的，发生突水事故对于矿工生命安全和矿井财产安全的危害是极其巨大的，近几年如骆驼山、王家岭等突水事故都造成了极大的损失。因此，国家出台了《煤矿防治水规定》，各个企业也出台了相应的各类规章制度来杜绝水害。我们不仅仅是要加大投入开展防治水工作，针对不同的水害类型，更需要采取合理的治理方法，在煤炭形势不好的情况下把防治水工作做好，用较小的成本活的最优的效果。下面根据研究区的水害类型提出相应的治理方法。

3.1地表水水害防治工程技术

（1）治山治坡：在山上植树造林。

（2）在研究矿区，可在沟谷周围构筑防洪圈，防洪圈由防洪堤、截水沟、排洪道组成。

（3）对矿区内的河流、沟壑的治理，可根据具体情况，采用改道、裁弯、分流、浚深、拓宽、筑堤、铺底以及修渡槽等措施。

（4）对小窑塌陷坑、岩溶漏斗仍采用填、堵、围、排等办法。

（5）地势低洼的地方，可采取挖排水沟排水的方法（争取自流排水，无自流排水条件的应设泵站排水）

3.2 井下水害防治技术

一个采区、平面或巷道的具体工程，要具体了解开掘空间上覆含水层厚度及空间的变化，并了解隔水层岩性组合情况，主采煤层上覆砂层含水层的富水性及水量、水位情况。

在对煤层上覆含（隔）水层特征了解清楚的情况下，要按照《煤矿防治水规定》的规定留设防水煤岩柱，以预防雨季冲沟洪水溃入井下。应适当增加排水能力，在突水可控的情况下，最大限度的实现尽快排水。可采取分区隔离措施，分区设立水闸门。适当缩短工作面长度，改变开采方法，仰采掘进。

加强水文动态观测，搞好水文情报。大量的突水事故表明，一些较大的突水事故，不仅是有条件的，而且突水前是有一定征兆的。只要认真观察认识这些条件和征兆，就能够对能否发生突水以及发展趋势做出分析和判断，就能采取措施预防水害发生或防止灾情扩大。

3.3工作面总体防治水技术思路

以工作面为单元，在研究工作面走向水文地质工程地质条件变化后（含过沟谷段地表径流水影响），按不同涌水条件和类型部位，预计涌水量值大小；然后按照研究的对应防治水技术措施，有针对性的提出对工作面不同部位防治顶板砂岩水、松散层水、过沟谷段地表径流水配套技术措施及所需工程。