杜家沟河道对A矿井采矿影响及对策分析

徐友青

(西山煤电集团 晟聚煤业， 山西 临县 033200)

矿井水害是影响煤矿安全生产的主要灾害之一，在一定程度上给煤矿的安全生产带来危害。地表水害是矿井水害类型之一，随着目前“三下”开采理念的深入，地表水害已经成为煤矿安全开采研究和分析的重点，其中防止采空塌陷后河水灌入井下是地表水害研究的重要内容之一，特别是雨季洪流期河水对煤矿安全生产的影响较大。本文针对地表杜家沟河对井下开采的影响展开分析研究，确定河道治理方案，防止河水灌入井下威胁生产安全。

1 矿井概况

A矿井为资源重组整合的单独保留矿井。井田面积2.817 6 km2，可采煤层有(4+5)#、8#、9#共3层，煤层平均厚度分别为3.23 m、3.36 m、4.50 m，核定生产能力为0.60 Mt/a. 井田大部分被黄土覆盖，仅沟谷、河道内有少量基岩出露，井田内赋存有奥陶系中统峰峰组(O2f)、石炭系中统本溪组(C2b)、石炭系上统太原组(C3t)、二叠系下统山西组(P1s)、二叠系下统下石盒子组(P1x)、二叠系上统上石盒子组(P2s)、第四系中上更新统(Q2+3)、第四系全新统(Q4). 井田范围内(4+5)#煤层整合前受小煤窑不同程度的破坏和井田周边煤层风氧化等因素影响，矿井水文地质类型为中等。根据井田内S2水文地质钻孔奥灰水静止水位标高为812.95 m，矿井最低开采标高为830 m，判定A矿井为非带压开采矿井，周边无相邻矿井。井田中部有季节性杜家沟河，由东向西横穿整个井田，河流上游煤矿的生活废水也是该河流的主要水源，在井田内流经长度为1 800 m,河道宽度为15～22 m，正常流量为45 m3/h，近年暴雨季节最大流量为350 m3/h，平均汇水面积为0.9 km2. 杜家沟河一带井田南部区域盖山厚度在98～157 m，3层煤开采后导水裂隙带会到达地表，因此地表水对井下安全生产影响较大。

2 地表河流影响范围确定及参数分析

29110回采工作面呈长方形布置，工作面长度90 m，上覆(4+5)#煤层已被小窑破坏，8#煤已采空。工作面上覆地表北部有区域河流经过，29110回采工作面周边(4+5)#、8#、9#煤层厚度分别为3.23 m、3.36 m、4.50 m. 预计29110工作面回采完后，采空区之间相互叠加影响，部分距离回采工作面较近的河段有可能通过裂缝导通河水灌入井下，影响安全生产。因此，选取29110正巷到河流之间4个典型地段做剖面(图1)，并进行分析计算，剖面所采用点号的9#煤层底板标高及地表标高数据见表1.

图1 29110正巷到河流之间4个典型剖面图

表1 9#煤层底板标高及对应地表标高数据表

井田范围内8#煤层顶板为石灰岩，属坚硬顶板，煤层厚度为3.36 m，距9#煤层间距为6.67 m，采用综采一次采全高采煤法，全部垮落法管理顶板。9#煤厚度为4.50 m,顶板为砂质泥岩，为中硬顶版，9#煤采用综采放顶煤采煤法，全部垮落法管理顶板。

2.1 “两带”计算

依据《A矿井生产地质报告》、离工作面最近的钻孔柱状图，覆盖采空区段垮落带、导水裂缝带高度根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》、《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采指南》可分别按下列经验公式估算出[1].

1) (4+5)#、9#煤层顶板属中硬岩，选择计算公式为：

式中：

Hm—垮落带最大高度，m；

Hli—导水裂隙带最大高度，m；

∑M—累计采厚，m.

(4+5)#煤层导水裂隙带高度按两式中最大值取：Hm5=7.25～11.65 mHli5=74.6 m. 9#煤层导水裂隙带高度按两式中最大值取：Hm9=9.01～13.41 mHli9=100 m.

2) 8#煤层顶板属坚硬岩，选择计算公式为：

式中：

Hm—垮落带最大高度，m；

Hli—导水裂隙带最大高度，m；

∑M—累计采厚，m.

导水裂隙带高度取值按两种算法中的最大值取：Hm8=12.07～17.07 mHli8=110.8 m.

当下层煤的垮落带接触或完全进入上层煤范围内时，上层煤的导水裂缝带最大高度采用本层煤的开采厚度计算，下层煤的导水裂缝带最大高度，则应采用上、下层煤的综合开采厚度计算，取其中标高最高者为两层煤的导水裂缝带最大高度[2].

9#煤开采后垮落带预计完全进入8#煤层，故应按累计开采厚度计算取大值。

上、下层煤的综合开采厚度可按以下公式计算:

MZ=M2+(M1-h1-2/y2)

式中：

Mz—上、下层煤的综合开采厚度，m；

M1—上层煤开采厚度，m；

M2—下层煤开采厚度，m；

h1-2—上、下层煤之间法线距离，m；

y2—下层煤冒高与采厚之比。

8#煤与9#煤综合开采厚度：

Mz8+9=4.5+(3.36-6.67/2.98)=5.62(m)

最终9#煤层导水裂隙带高度取Hli9=122.4 m

29110工作面至河道周边(4+5)#、8#、9#煤层的冒落带高度和导水裂隙带高度见表2.

表2 垮落带高度和导水裂隙带高度表

2.2 防水煤柱计算

计算9#煤层防水安全煤(岩)柱的垂高值[3]：

Hsh≥Hli+Hb+Hfe

式中：

Hsh—防水安全煤(岩)柱的垂高值，m；

Hli—导水裂隙带最大高度，m；

Hb—保护层厚度，m；

Hfe—基岩风化带含水层深度，m.

根据《三下采煤规程》2017版规定和该矿以往计算防水煤柱高度的经验，取Hb=23.58 m较为合理，再根据A矿井地表施工的5个地质钻孔资料提供的基岩风化带深度数据取最大深度Hfe=17.45 m. 计算9#煤层的防水安全煤(岩)柱的垂高值：

Hsh≥122.4+23.58+17.45=163.43 (m)

设计保护煤柱时，选用以下移动角值参数：

δ=γ=72°ψ=45°

β=δ-Kα=72°-0.8×9.5°=64.4°

3 河道治理方案

通过1-1剖面、2-2剖面、3-3剖面、4-4剖面确定采空塌陷地表分界线(见图2). 根据分界线与河道的位置关系确定了两个治理段，第一段长度68 m，第二段长度158 m. 采用填平、河道取直及坡度改造、铺设防渗层、筑挡石坝、砌筑防渗墙等措施。

图2 杜家沟河道治理成果示意图

1) 河道清理。清理河道石渣，让河水快速通过，防止河道大面积积水、在低洼区域进行填平处理，高的地方挖低，尽量保持河床坡度一致，坡度约为2%.

2) 河道取直及坡度改造(治理后的河道坡度不大于1.5%). 对河道进行改直，宽度根据河道具体情况而定，尽量保持河道宽度为15～18 m. 上游下游两点之间河道坡度约为1.5%，按此坡度为基准在治理区段内，低的地方填高至离基准面，高的地方下挖离基准面。

3) 铺设防渗层。河道取直及坡度整理后，用压道机碾压2次，然后在其上部做1 m厚加筋土层，加筋土由加筋尼龙网及胶黏土组成，加筋层为50 mm×50 mm的尼龙网格，尼龙筋d2 mm，每330 mm厚胶黏土安装1层，共安装3次。每加1层胶黏土需压道机碾压1次。最后在加筋土上部铺一层0.15 mm厚塑料防水薄膜，并铺设300 mm左右河卵石一层，以压住塑料薄膜。在河流弯道处可置大型岩石柱加塑料薄膜，防止河水将防渗层冲毁。

4) 挡石坝。为了减少洪水带来的石块等对河床底部的冲刷程度，在该区河道上每隔40～50 m筑一道挡石坝，共修筑4道拦石坝，第一段构筑一个挡石坝，第二段构筑3个挡石坝。拦石坝宽1 m，嵌入河底深1.5 m，嵌入基岩0.5 m，露出河道1 m，坝中间留设0.3 m×0.3 m泄水孔5个，泄水孔分上下两排，下排2孔，离河面100 mm，上排3孔，离河面300 mm，坝体材料为C20混泥土。

5) 砌筑河床两岸边坡。河床两岸用料石砌筑边坡，条石砌1.5 m地基，料石间用混凝土充填，边坡嵌入基岩0.5 m，高出河道为2.5 m，边坡与河岸间用黄土充填密实，表面砂浆勾缝。当河岸为绝壁时，不设置边坡。边坡每隔3 m安置一排水管，防止雨水淤积填土膨胀使边坡失稳，排水管用d100 mm塑料管，塑料管壁厚2 mm，边坡顶部为200 mm的压层。

4 结 论

A矿井通过对杜家沟河床的防渗治理，解放了井下工作面压煤量96 135 t，创造经济效益2 691.8万元。河道治理工程已于2019年6月份完成施工,29110工作面回采过程中及回采结束后，通过定期对地表巡查发现，河道两侧的黄土边坡出现不同程度的滑坡现象，黄土覆盖山体顶部出现陡坎和0.3～0.5 m的裂缝，但治理后的河道未出现导水裂隙，治理效果较好。