沙漠产流区工作面过沟开采保水技术

蒋泽泉，雷少毅，曹虎生，郭亮亮，张金柱，乔晓英

(1.国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，陕西 西安 710026； 2.陕西省一八五煤田地质有限公司，陕西 榆林 719000；3.陕西省矿产资源勘查与综合利用重点实验室，陕西 西安 710054)

沙漠产流区工作面过沟开采保水技术

蒋泽泉1,2，雷少毅2，曹虎生2，郭亮亮2，张金柱2，乔晓英3

(1.国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，陕西 西安 710026； 2.陕西省一八五煤田地质有限公司，陕西 榆林 719000；3.陕西省矿产资源勘查与综合利用重点实验室，陕西 西安 710054)

沙漠产流区是榆神矿区重要的水源地，同时也可能成为安全生产的水害隐患。为保护沙漠珍稀水资源，保证煤炭安全高效开采，开展沙漠产流区保水采煤分区关键技术研究。采用现场实测、数值计算等手段剖析了过沟开采保水采煤的影响因素及分区标准，并基于分区特性提出了过沟保水关键技术。研究结果表明：过沟开采对水资源的影响可分为地表径流漏失和汇流区地下水漏失两类，其中汇流区进一步划分为突水溃沙区、突水区、渗漏区和保水区。残余隔水层厚度为0时原沟谷底部隔水层失去隔水性能，地表径流将泻入井下造成水资源漏失。过沟保水采煤技术包括采用修复地裂缝，突水区筑坝引流等，在综合治理开采区取得了工程应用成功。

保水采煤；沙漠产流区；过沟开采；筑坝引流

陕北侏罗纪煤田地处毛乌素沙漠和黄土高原接壤地区，区内生态环境脆弱，水资源匮乏，仅在毛乌素沙漠边缘地区沙层潜水排泄形成了多条河流。在沙漠的产流区承载了脆弱的生态环境。随着煤炭开采范围的扩大，地下沙层潜水进入采空区，阻断了地表水的补给源，产流区的河流也通过基岩较薄的河道渗入采空区，严重影响了流域生态系统，造成可利用水资源量下降，水体湿地及生态大面积退化[1-4]。

目前，在保水采煤研究领域的成果较多，国内多个团队从不同侧面进行大量研究，范立民等提出了保水采煤问题及实现途径[5-6]。黄庆享等提出了隔水关键层概念，揭示了隔水层“上行裂隙”和“下行裂隙”及稳定性规律[7-9]。蒋泽泉、李文平等提出了采空区储水构想并探讨了其可行性[10]。王双明等提出了榆神府矿区煤水地质类型和保水采煤区划[11-12]。武强等论述了顶板突(涌)水评价的“三图-双预测法”[13]。蒋泽泉、李文平、李涛研究了榆神矿区不同矿井的充水条件及水资源利用方向，进行了采空区储水机理研究[14-15]，提出了采空区储水的理念，为矿井水的综合开发利用提供了方向和地质依据。范立民、李文平等研究了榆神矿区工程地质条件分区，为保水采煤方法选择提供了地质基础依据[16-17]。曹志国、顾大钊提出了分布式地下水库储水供水技术，并在神东矿区建设了多处地下水库[18]。武强提出了三位一体系统来保护生态环境[19]。黄庆享提出了隔水土层采动弥合性[20]，刘建功、黄庆享等分别提出了充填开采保水采煤技术[21]等。李涛、蒋泽泉等提出了基于采动分水岭的地表水保水煤柱留设方法和采煤对地表径流的影响方式[22-23]，认为在重点水体处应合理留设煤柱保护地表水，但陕北地区沟壑纵横，小型地表水系发育，无法全部留设煤柱，因此必然面临过沟开采保水问题。

本文在剖析过沟开采对水资源影响的基础上，研究了基于过沟开采地表水影响的因素、采动影响的分区，提出了针对不同水资源类型的保水采煤技术措施。

1 过沟开采地下水渗漏模式

沙漠区发育大量小河流，一般是地下水的自然溢出带，并广泛接受第四系沙层水的补给，在地下水均衡动态变化的控制下，使流域地下水埋深及地表径流始终处于一个合理的范围内，维系着泉域及其上级干流的水体、湿地及生态环境的动态平衡。在煤层浅埋区，工作面过沟开采时，对沟谷径流及汇流区地下水水资源会产生两种破坏模式。

1.1 汇水区地下水渗漏

在工作面推进过程中，由于导水裂缝带和煤层上覆岩层水文地质及工程地质条件的差异，沟谷横剖面方向上呈现明显的分带性。基于红柳林煤矿工程地质条件、附近区域的地质勘探孔资料，利用UDEC4.0离散元数值分析程序，对15207工作面开采上覆岩体破坏的动态变化进行了数值模拟。15207工作面为典型近浅埋煤层开采工作面，开采煤层5-2煤为近水平煤层，5-2煤厚度为6.5～7.1 m，最大埋深约156 m，最小埋深约40 m。本次选择工作面走向剖面为模拟范围，长度约2 606 m，竖向最大高度为180.7 m。模型开采条件为单一长壁冒落采煤方法，全部垮落法管理顶板，每次开挖工作面进尺30 m，采高6 m。图1为15207工作面推进2 000 m后煤层上覆岩层破坏特征。

从图1可知，15207工作面开采后，煤炭开采对覆岩产生不同程度的破坏，可分为3类：

图1 工作面过沟开采回采覆岩破坏

(1)第1部分距工作面开切眼500 m范围，由于该区域煤层埋深浅，平均仅40 m左右，煤层开采后，导水裂缝带直接贯穿地表，垮落带上无足够的保护层，地表水、地下水以及沙层会一起溃入井下，产生突水溃沙灾害，同时造成可利用水资源漏失、水土流失等生态环境问题。

(2)第2部分距工作面开切眼500～1 700 m范围，煤层埋深相对较大，煤层开采后，导水裂缝带高度60.5 m，发育到红土层，导水裂缝带以上残余土层厚度(最大约30 m)小于防水安全煤岩柱保护层厚度，地表裂缝大量发育，地表水漏失，地下水溃入井下，产生突水危害，同时造成可利用水资源漏失、水土流失等生态环境问题。

(3)第3部分工作面剩余范围，煤层埋深较大，煤层开采后，导水裂缝带71.6 m，导水裂缝带以上残余土层厚度较大(约50 m以上)，尚有一定的有效隔水厚度，少量地表水会漏失，地下水渗入井下，井下水害少有发生，但地表裂缝发育会造成水土流失等生态环境问题。

1.2 地表径流渗漏

本区地下水径流严格受地形地貌的控制，地表水流域的边界与地下水系统的边界一致，第四系潜水由沟谷两侧泄出补给河流。由于河流溯源侵蚀切割煤层上覆岩层的厚度在河流沿程并不一致，使隔水层由沟脑向沟口方向逐渐减小，并在某个断面上其厚度小于导水裂缝带发育高度，此处导水裂缝会贯穿地表，造成地表水直接涌入井下，使河流断流(图2)。图中ab段河流底部残余隔水层厚度大于防水安全煤岩柱的要求厚度，工作面推进不会破坏沟谷底部的隔水层，可实现保水开采；ac段河流底部残余隔水层厚度小于防水安全煤岩柱的要求，自断面a开始，该河段不能实现保水开采。

图2 导水裂缝带与河床关系

2 过沟保水分区研究

2.1 冒裂带发育高度

为获取符合研究区地质特征的垮落带、导水裂缝带高度发育规律，采用钻孔揭露、钻孔电视、数值模拟等多种手段对红柳林矿井15204和25204工作面进行了研究，结果见表1。

表1 两带高度研究结果

Table 1 Height of caving zone and water flowing fractured zone

工作面工程地质类型煤层采厚/m钻孔揭露垮落带高度/m钻孔揭露导水裂缝带高度/m钻孔电视导水裂缝带高度/m数值模拟导水裂缝带高度/m经验拟合导水裂缝带高度/m15204土-基型6.534.570.5—70.172.3125204沙-土-基型5.830.560.760.5—64.33

由表1可得，15204工作面导水裂缝带高度实测和模拟最大值为70.5 m，垮落带高度34.5 m，25202工作面导水裂缝带高度实测和模拟最大值为60.7 m，垮落带高度30.5 m，其中垮落带高度最大为5.31倍的采厚，而导水裂缝带高度与综采条件下的研究成果[13]相符，其计算方法为公式(1)

Hf=3.41M+27.12b+1.85lnl+

式中，Hf为导水裂缝带高度，m；M为煤层采厚，m；b为硬岩系数，无量纲；l为工作面斜长，m；s为采深，m；v为推进速度，m/d。

因此，采用经验公式进行肯铁岭沟流域的导水裂缝带高度、垮落带高度预测如图3所示。

2.2 汇流区突水溃沙分区

根据黄庆享提出的隔水层稳定性判据，如果上行裂隙和下行裂隙未贯通，中间有一定的隔水层就不会透水，其判据为：

当隔水层为土层隔水层时，

当隔水层为基岩隔水层时，

其中，Gc为隔采比；H为隔水层厚度，m；M为采高，m；Hs和Hx为上行裂隙和下行裂隙，m。在榆神矿区基采比Gc≥28+2+(3～5)=33～35倍采高区域，可实现保水开采；当基采比Gc<18倍采高时，采用长壁全部垮落法开采，上行导水裂缝带将突破隔水岩组，为突水溃沙危险性高发区；除此之外当有效隔水层厚度介于18～35倍采高时，上行裂隙带不会导通隔水岩组，隔水岩组的隔水稳定性处于安全～临界安全状态，可划定为渗漏区。

图3 肯铁岭沟流域两带等值线

由以上垮落带、导水裂缝带空间分布预计图及隔水层稳定性判据，制定出保水开采分区标准，见表2。

表2 保水开采分区标准

Table 2 Determination standard of coal mining

序号工程地质条件突水溃沙区突水区渗漏区保水区1Gc≤18,垮落带、裂隙带沟通地表√2Gc≤18,导水裂缝带沟通沟床√4Gc≤18,地层富水性好√518≤Gc≤33～35,大采高√6Gc≥33～35,隔水层稳定√

由表2的分区标准，研究区肯铁岭沟流域突水溃沙、突水区、渗漏区、保水区在沟谷分布位置如图4所示，可以看出突水溃沙区主要分布在地表径流的河道周边，且下游明显范围更大；突水区和渗漏区则依次分布在突水溃沙区外围，保水区则远离沟道零星分布。

2.3 地表渗漏位置确定

根据“三下采煤规程”，留设防水安全煤岩柱的目的是：不允许导水裂缝带波及地表水体。其垂高(Hsh)应大于或等于导水裂缝带的最大高度(Hli)加上保护层厚度(Hb)，即

Hsh≥Hli+Hb

根据导水裂缝带高度预计空间分布及煤层埋深并结合基岩和土层厚度图，计算出的残余隔水层厚度等值线图(图5)。由图5可知，肯铁岭沟沿程残余隔水层厚度在-30～60m，其中负值代表导水裂缝带发育高度大于煤层上覆基岩和土层厚度，导水裂缝导通地表，河床不再具备隔水功能。因此隔水层厚度为0的等值线与河流的交叉点a，b两点，也就是工作面推进过程中地表径流溃入井下的临界点。

3 过沟开采保水技术及应用

3.1 地表径流区筑坝引流及防渗技术

(1)地面河道筑坝引流技术

由于工作面跨越多个采动影响分区，因此地表水保水开采可以充分利用保水区和渗漏区分界点在此处筑坝引流，以红柳林矿井15207工作面过肯铁岭沟开采为例，筑坝引流技术具体实施方案如下。

在工作面开采前由工作面辅运巷位置起算，沿肯铁岭沟沟谷向上游垂直距离辅运巷150m处，筑坝蓄水，截断沟谷上游水流。拦水坝排水口处为毛石砌体：毛石Mu≥200MPa，采用M7.5水泥沙浆砌筑。施工时先进行土方回填并预埋两趟φ500PVC双壁波纹管，然后做防水层及砌体，拦水坝过水口处铺垫碎石过滤层，拦水坝断面如图6所示。

图6 拦水坝断面

(2)沟谷地表处理技术

煤层开采后，地表沉降一般采后3个月趋于稳定，因此在采后3个月内进行定期巡查。对顶板来压产生的地表大裂缝采用碎石、砾石进行填埋、压实；然后回填黄土或红土0.5m并分层压实，中间夹一层土工布；然后回填0.5m级配良好的碎石并压实，铺设双抗网；最后铺设三合土0.2m，达到防止水流冲刷河床的效果。回填后的沟谷地表保持原有的地形坡度比降，保证了沟谷的行洪功能不受影响和改变，有效保护了地表径流，避免其泻入井下而造成灾害和水资源浪费。治理工程断面如图7所示。待回填区稳定后可拆除拦水坝恢复地表径流。

图7 河道采后治理工程断面示意

3.2 汇流区防渗漏技术

采动保水类型分区中的保水区不需要采取措施，但其他3个区均需要相应采取措施进行保水开采。其中渗漏区应在采后对地表裂缝填埋，防止水土流失，同时增加有效隔水土层厚度及防水性；突水溃沙区和突水区采前修筑水坝拦截，完善矿井排水系统，采后铺设土工格栅，黏土填埋，达到防治突水溃沙的目的。治理后的沟谷地表保持原有的坡度比降，不改变沟谷原始的行洪功能，有效阻隔了地表水进入矿井造成灾害，也保护了地表水。

控制沙源流动技术措施主要有沟谷地表铺设土工格栅、黏土等方法阻隔沙源、裂缝填堵等。土工格栅能较好地实现工程结构与生态环境的有机结合。与一些传统刚性结构比较起来，铅丝网的柔性材料有其自身的优点，对于不均匀沉陷自我调整性佳。铺设铅丝网时，可根据河床内沙源粒径组成，由密到疏铺设多层土工格栅。在河床上因采掘活动引起地裂缝，也可用黏土或水泥填堵，并分层夯实，裂缝填堵是一种较为简单、经济有效的控制沙源流动的方法。

4 结 论

(1)毛乌素沙漠与黄土高原接壤地区沙层潜水接触产流，发育了大量的小型地表河流，是保水采煤的重点区域。

(2)过沟开采煤炭受导水裂缝带高度、垮落带高度、地表裂缝发育深度、宽度及保护层厚度等因素综合影响，从保水采煤角度可分为突水溃沙区、突水区、渗漏区、保水区4类区域。

(3)过沟工作面采用渗漏区修复地裂缝，突水区筑坝引流，溃沙区采用控制水动力条件与控制沙源流动技术，有效的保护了生态环境，实现了煤水共采和保水开采，综合治理开采区取得了工程应用成功。

致谢:研究过程中，得到了国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室主任段中会教授、中国矿业大学李文平教授、陕西煤业化工技术研究院李涛博士等同志的指导和帮助，特此致谢！

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Coal mining under river recharged by desert

JIANG Ze-quan1,2,LEI Shao-yi2,CAO Hu-sheng2,GUO Liang-liang2,ZHANG Jin-zhu2,QIAO Xiao-ying3

(1.KeyLaboratoryofCoalResourcesExplorationandComprehensiveUtilization,MinistryofLandandResources,Xi’an710026,China;2.No.185ExplorationTeam,ShaanxiBureauofCoalGeologicalExploration,Yulin719000,China;3.ShaanxiKeyLaboratoryofExplorationandComprehensiveUtilizationofMineralResources，Xi’an710054,China)

The desert runoff area is an important water source in Yushen mining area.To protect water resource in desert,and ensure safe and efficient coal mining,the authors develop a key technology for coal mining with water contained in desert.The influence factors and the zoning standards of the coal mining with water contained are analyzed by means of field measurement and numerical calculation.The results show that:coal miming under river recharged by desert may lead to two type of water loss,i.e.,flow in river and groundwater in recharge area.The recharge area is divided into water and sand inrush region,water inrush region,leakage region and water retention region.The residual thicknesses of aquifuge can be regarded as a safe indication whether the flow in river could pour into worked-out section or not.Repairing cracks in leakage area,building dam drainage in water bursting area,using the hydrodynamic conditions and controlling sand source flow technology can control in water and sand inrush area.The comprehensive treatment of mining area made a successful engineering application for the mining face across trench.

water-preserved mining;discharge area of desert phreatic water;mining under the gully;building dam drainage

10.13225/j.cnki.jccs.2016.5030

2016-09-30

2016-11-25责任编辑:毕永华

陕西省科学技术推广计划资助项目(2011TG-01);国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室开放课题基金资助项目(2014HB007)

蒋泽泉(1967—)，男，陕西临潼人，教授级高级工程师。E-mail:jzq185@126.com

TD823

A

0253-9993(2017)01-0073-07

蒋泽泉，雷少毅，曹虎生，等.沙漠产流区工作面过沟开采保水技术[J].煤炭学报,2017,42(1):73-79.

Jiang Zequan,Lei Shaoyi,Cao Husheng,et al.Coal mining under river recharged by desert[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):73-79.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.5030