厚煤层综放开采水资源与环境保护技术研究

徐 起,朱 伟,滕永海 ，唐志新

(1.山东高速信联支付有限公司，山东 济南 250000;2.中煤科工生态环境科技有限公司唐山分公司，河北 唐山 063012)

1 问题的提出

潞安矿区位于山西省东南部长治地区，矿区面积约1 182.5 km2，年生产能力约5 000万t。矿区内地势较平坦，河流纵横，地面水体有漳河、绛河、漳泽水库、常隆水库等，压煤量达1.81亿t。开采煤层主要为下二迭系山西组3#煤层，煤层厚度6 m左右,煤层倾角3～10°，一般采用综采放顶煤一次采全厚开采工艺，全部陷落法管理顶板。

综采放顶煤一次性采全高，开采强度大，造成覆岩破坏严重，导水裂缝带非常发育，地表沉陷变形异常剧烈，地表裂缝破坏显著，对地面建(构)筑物、水体及环境的影响非常严重。

关于综采放顶煤条件下水体下采煤与环境保护技术的研究，国外研究较少，国内如兖州、淮南、铁法等矿区开展了一些研究工作，但这些矿区的地质采矿条件与潞安矿区截然不同。潞安矿区覆岩比较坚硬，开采深度较小，地表松散层为湿陷性黄土层。在这种条件下，国内外还没有成功的经验可供借鉴[1-3]。

2 地表沉陷规律研究

随着综采放顶煤技术的广泛应用，潞安矿区先后在五阳、王庄、司马、常村、高河、郭庄、夏店等煤矿建立了专门的地表岩移观测站，针对不同地质采矿条件下的岩移规律进行了长期的观测与研究，取得了大量宝贵的观测成果[4-6]。

实测资料表明，综采放顶煤条件下地表的移动变形值非常大。如司马煤矿1101工作面，地表最大下沉值达5 714 mm，最大倾斜值达77.5 mm/m，最大水平移动值达1 589 mm，最大正曲率达1.23×10-3/m，最大负曲率达1.74×10-3/m，最大水平拉伸变形值达28.8 mm/m，最大水平压缩变形值达36.1 mm/m，地表下沉盆地非常陡峭，地表裂缝比较发育。

根据实测资料，分别求取了潞安矿区各观测站的地表下沉系数，水平移动系数和概率积分预计方法特定参数。在综采放顶煤条件下，潞安矿区平均地表下沉系数为0.83，水平移动系数为0.28，主要影响角正切为2.67，拐点偏移距为0.11，开采影响传播角系数为0.6。与一般开采方法相比，综采放顶煤条件下地表下沉系数、主要影响角正切明显偏大。

3 覆岩破坏规律研究

3.1 覆岩破坏实测研究

潞安矿区结合地表水体下采煤，分别在五阳煤矿、王庄煤矿、郭庄煤矿、高河煤矿开展了综采放顶煤条件下覆岩破坏规律与导水裂缝带发育规律的观测研究[7-10]。表1列出了潞安矿区分层综采初分层和放顶煤开采导水裂缝带发育高度实测资料，开采煤层均为二迭系下统山西组3#厚煤层。

表1 潞安矿区部分井田导水裂缝带高度实测资料

综合分析潞安矿区覆岩破坏实测资料发现，分层综采初分层裂高采厚比和综放一次采全高裂高采厚比具有统一性，本区域地层条件下裂高采厚比集中在19.1～23.4，反映了本矿区综放开采导水裂缝带发育规律。图1绘出了潞安矿区在开采3#厚煤层不同开采工艺条件下导水裂缝带高度和煤层采厚关系图。

不难看出，厚煤层综采放顶煤条件下导水裂缝带具有如下发育规律：

(1)综采放顶煤条件下导水裂缝带的高度最为发育，要比普采条件下、分层综采条件下大得多[11-12]。

图1 同一煤层不同开采工艺导水裂缝带高度与煤层采厚关系

普采、分层综采、综采放顶煤条件下的导水裂缝带最大高度分别为49.6 m、83.9 m 、114.67 m。在相同的条件下，综采放顶煤导水裂缝带最大高度是分层综采条件下的1.37倍，是普采条件下的2.31倍。

(2)综放一次采全高导水裂缝带发育高度基本与煤层一次采放厚度成正比，与分层开采初次采动条件下导水裂缝带发育规律是相似的。综放一次采全高裂采比为19.1～20.2，分层综采初分层裂采比为20.3～23.4，分层普采首分层裂采比为21.6，三者具有较好的统一性。

(3)综采放顶煤条件下，导水裂缝带的发育形态仍呈马鞍形。在回风巷、运输巷的内侧，往往是垮落带、导水裂缝带最为发育的地方。

3.2 数值模拟分析研究

运用岩层破断过程分析系统RFPA来进行数值模拟。其基本思想是：(1)通过考虑细观单元力学参数(弹性模量、强度)的非均质性，模拟岩石宏观变形、破坏的非线性行为；(2)通过考虑材料破坏后单元的参数弱化(刚度退化)，模拟材料的非连续和不可逆行为。其优点可以直观模拟岩层随工作面推进垮落破断全过程。

为了简化模型，建模时将厚度较薄性质相近的岩层组合在一起，岩层之间预设层理，系统设定基元为均质、各向同性线弹脆性体，每一岩层为非均质的，其力学参数(弹性模量、抗压强度)服从韦伯分布。潞安矿区综采放顶煤一次采全高工作面上覆岩层运动破坏规律的模拟如图2所示。

由数值模拟结果可见，覆岩导水裂缝带是随着工作面从切眼向前推进不断向上位岩层发展，随着工作面继续向前推进，裂缝带高度发育到某一岩层层位，便趋于稳定，其关系如图3所示。当工作面继续向前推进时，上位顶板呈现出周期运动的特征。直接顶和老顶的破断机理均为采动产生拉应力作用下的拉破坏形式。

经过对潞安矿区3#厚煤层综放一次采全高顶板覆岩破坏动态发育过程模拟得出，综放一次采全高6 m条件下顶板导水裂缝带最终发育高度约为120 m。

3.3 综放开采导水裂缝带最大高度

图4为潞安矿区厚煤层分层综采初分层以及综放开采条件下导水裂缝带发育高度现场实测与煤层开采厚度的零散点分布关系图。

综合潞安矿区覆岩破坏实测资料，同时参考理论分析与数值模拟研究成果，采用回归方法，求取了潞安矿区综采放顶煤条件下导水裂缝带最大高度计算公式，见式1。

图2 综放覆岩破坏动态发育过程模拟

图3 综放导水裂缝带发育高度与工作面推进距离关系

图4 导水裂缝带发育高度与煤层开采厚度关系

Hli=20M+10

(1)

式中,M为煤层有效采厚，m。

上述基于现场实测的厚煤层综放开采导水裂缝带高度计算公式已在潞安矿区高河煤矿、王庄煤矿、五阳煤矿、郭庄煤矿等十多个地表水体下采煤工程实践中得到验证和应用，保障了工作面地表水体下安全生产。

4 水体下采煤工程实践

近10年来，先后在潞安矿区五阳煤矿、王庄煤矿、高河煤矿、郭庄煤矿等开展了地表水体下厚煤层综放开采技术研究及工程实践，部分采动后河床如图5、图6所示。其中，五阳煤矿在浊漳河西源下开采了7802、7806、7808、7800、7522等工作面，开采煤层厚度5.5～6.80 m，煤层倾角6～8°，最小开采深度245 m，部分区域河床基岩裸露；王庄煤矿在绛河及漳泽水库下开采了8110、7105等工作面；高河煤矿在浊漳河南源下开采了E1302、E1305、E1303等工作面；郭庄煤矿在绛河下开采了2309、3305等工作面。各工作面均实现了安全开采，地面水资源和生态环境得到了有效保护，取得了显著的经济效益和社会效益。

图5 五阳煤矿浊漳河西源水体下采煤

图6 郭庄煤矿绛河水体下采煤

5 结 论

(1)系统研究了湿陷性黄土层综采放顶煤条件下地表沉陷规律，求取了各岩移参数。厚煤层综采放顶煤条件下地表移动剧烈，地表下沉盆地陡峭，移动变形集中，地表下沉系数偏大，主要影响角正切偏大，地表裂缝比较发育。

(2)深入研究了厚煤层综采放顶煤条件下覆岩破坏规律与导水裂缝带发育规律，并根据现场实测资料，结合理论分析，求取了厚煤层中至坚硬覆岩综采放顶煤条件下导水裂缝带最大高度的计算公式。

(3)系统开展了水体下综采放顶煤开采技术研究，并在潞安矿区五阳煤矿、王庄煤矿、高河煤矿、郭庄煤矿等进行了大面积的水体下采煤工程实践，有效保护了矿区水资源和生态环境，取得了显著的经济效益和社会效益。