松散含水层长距离大采面工作面开采对策研究

王丽静

（同煤集团地质勘测处，山西 大同 037003）

1 概述

马道头矿井属于同煤集团新建千万吨级特大型矿井，于2012年投产，设计生产能力为10.00 Mt/a，现已开拓四盘区、二盘区和一盘区，即将开采四盘区8404 工作面。马道头矿8404 工作面开采长度4 155 m，宽度220 m，煤厚7.8～27.4 m，平均18.6 m。煤层埋深约290 m。通过该矿以往工作面开采观测，采后地表将出现大面积塌陷。因工作面地表临近元子河，距离主河道不足1 000 m，开采过程中若顶部发生变形、垮塌，且影响到地面，势必造成元子河松散含水层水灌入井下，造成严重水害。为查明8404 工作面至元子河西侧范围内第四系松散层的岩性、厚度、底板埋深以及第四系松散层地下水位埋深和地下水流向等影响因素，特制定各种勘查手段，施工地面水位观测孔，为进一步论证元子河第四系松散含水层对8404 工作面回采可能造成的危害提供有力依据。

2 区域地形地貌

马道头煤矿位于大同煤田西南部，为低山丘陵

地形，东、南、西三面为低山区，西为西石山、南为洪涛山、东南为口泉山脉。地势东南部高，西北部低，黄土梁及“V”字型沟谷发育。地形最高点+1 709 m，位于井田东南部；在元子河河床，标高+1 412 m，相对高差297 m，一般地形标高+1 450～+1 600 m。

本区域河流属海河流域永定河水系桑干河支系。元子河为桑干河一级支流，发源于左云县马道头、郭家坪、坡屋村一带，由东北向西南经李石匠、增子坊、大马营等地，向南经兰花口、朔州平原汇入桑干河。河流长28 km，汇水面积290 km2，为树枝状水系。在小京庄一带河床呈“U”字型，河宽200～300 m，往下游至增子房河床变窄呈“V”字型，河宽为100～300 m。该河属季节性河流，夏季暴雨时有短暂洪流，流量很大，局部地段有泉水出露呈细流。另外8404 工作面地面有一沟谷大沙沟，走向东西，流向由东向西，沟宽200 m左右，深2～3 m，在夏季有洪水泄流。

3 研究区地表松散含水层探测方法

3.1 勘查钻孔的布设

在8404 工作面至元子河西侧范围内共布设9个勘查钻孔。其中沿元子河现代河床方向布设3个，临近8404 工作面范围布设3 个；8404 工作面至元子河西侧布设3 个。

所有钻孔开孔直径153 mm，终孔直径153 mm，井壁管直径110 mm，全孔下管，含水层部位下入滤水管。预计钻孔深度20～50 m，终孔以穿过第四系松散层进入白垩系泥岩为原则，全孔取芯，并进行抽放水试验。

3.2 松散层勘探成果

（1）含水层与隔水层

勘查区第四系松散含水层岩性为上更新统砂砾石、园砾和粗砂。有1～3 层含水层，厚度6.0～12.4 m；有3～4 层隔水层，厚度1.1～24.1 m。白垩系泥岩为主要隔水层，该层区域最大厚度85 m，平均厚度40 m。靠近元子河附近含水层单层厚度和总厚度都变大，反之变小，见图1。

图1 松散层厚度等值线

勘查区第四系松散含水层水位埋深随地形变化，东部埋深大，西部埋深小。东部（靠近8404 工作面）地形略高，地下水位埋深3.0～6.8 m；西部元子河附近地形略低，地下水位埋深1.4～1.8 m。据调查及钻孔抽放水试验，该区域松散含水层涌水量约30～40 t/h。

（2）地下水位情况

勘查区第四系松散含水层底板最低处埋深46 m（水井1 调查资料），标高+1 377.1 m。含水层岩性为砂砾石、园砾及粗砂，颗粒较粗，孔隙率较大。地下含水层与地表水及大气降水的联系较密切，地下水位的动态变化亦与大气降水联系较密切。每年的冬、春枯水季地下水位低，夏、秋丰水季地下水位较高见表1。

表1 各钻孔地下水位统计

另据调查，勘查区北部、南部现有机井深度多为40 m左右，水井1 松散层厚度46 m，北部ZK509地质钻孔显示松散层厚度89 m。8404 工作面采位790 m处ZK703 钻孔显示松散层厚度9 m。说明元子河床、大沙沟中部第四系含水层厚度大，赋存的地下水量也较大。

（3）8404 工作面防治水对策分析

①8404 工作面概况

马道头矿8404 工作面开采长度4 155 m，宽度220 m，煤厚7.8～27.4 m，平均达18.6 m，煤层埋深约290 m。白垩系泥岩是上部松散含水层的直接隔水底板，该层区域最大厚度85 m，平均厚度40 m，厚度较大，隔水效果较好，且可塑性较强。若8404 工作面顶板发生垮塌，导水裂隙带波及到此层位，破坏其隔水性能，将导致松散含水层中的地下水沿导水裂隙带向下流，若此处地面塌陷大于4.5 m，将使白垩系泥岩顶面低洼处地下水倒流至塌陷区，沿塌陷裂缝灌入井下工作面，造成大量地表水下泄，严重威胁矿井生产。因此有效控制导水裂隙带发育高度，准确掌握地表水动态变化，方能有效解除地表水威胁，保证安全生产。

②限高开采的决策分析

据调查8404 工作面上覆岩层岩性以粉砂岩、细粒砂岩为主，次为中粒砂岩及含砾砂岩，呈互层结构。砂岩多胶结致密，岩石饱和抗压强度介于20～40 MPa 之间，所以采用《矿区水文地质工程地质勘探规范》（GB12719-91）附录F的中硬岩类岩石冒落带、导水裂隙带最大高度的计算公式：

式中：Hm为冒落带最大高度，m； H为导水裂隙带最大高度，m；M为煤层累计采厚，m；n为煤层分层层数。

经计算8404 工作面开采厚度平均为18.6 m，带入公式可得，冒落带最大高度为74.4 m，导水裂隙带最大高度267 m； 当开采最大煤厚27.4 m时，冒落带最大高度为109.6 m，导水裂隙带最大高度391 m。而煤层埋深约290 m，若按全煤厚开采必然破坏地表松散层，造成地表水下泄，故须有效控制开采高度，以降低导水裂隙带高度。

综合以上松散层勘探结果，松散层厚度最大约45 m，故为保证白垩系泥岩隔水层不被破坏、地表塌陷小于4.5 m，必须将导水裂隙带控制在240 m以下（以上公式计算可得），又考虑到计算数值与实际数值存在偏差，同时结合以往马道头矿开采情况分析，导水裂隙带至少应控制在200 m以下，方可保证隔水层不受破坏，故经以上公式计算得开采高度应控制在13.8 m以下。

4 建立地表松散层水文动态观测系统

经上述公式计算及实际观测得，工作面正常回采，导水裂隙带高度约390 m，能够导通地表，故建立地表松散层水文动态观测系统，可有效监测工作面回采期间地表水下泄情况。

本次共施工9 个勘探孔，并将K3、K8、K9钻孔留设为水文长观孔，并做孔口保护，定期监测水位变化，建立地表松散层水文动态观测系统。水文孔动态监测结果见图2。

8404 工作面回采时，同时对地面进行沉降观测，对K3、K8、K9钻孔之地下水位进行观测，观测频次为24 h。若发现地面沉降、地下水位下降和井下涌水量增大，应立即启动应急措施。

图2 水文孔动态监测成果

5 结语

通过回采期间地表水及工作面老塘涌水量观测结果显示，地表水水位在工作面开采前后无明显变化，变化规律符合前期勘探结果，无明显地表沉陷，且工作面采后老塘未发现涌水现象。综合判断工作面回采后虽地表产生塌陷，但地表松散层水位未发生下降，判断白垩系泥岩隔水层可塑性较强，地表塌陷时只发生弯曲变形，未产生大面积断裂破坏，仍保持良好的隔水能力，故地表松散层水未下泄至8404工作面，有效地保证了特厚煤层的安全开采。