榆横南区地下采煤对地表水库坝体影响的安全性研究

2021-02-05魏效农刘星合

煤矿安全 2021年1期

魏效农，方刚，刘洋，刘星合，白晶

（1.陕西延长石油矿业有限责任公司，陕西西安710065；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安710077；

3.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西西安710077；4.西安科技大学地质与环境学院，陕西西安710054；5.陕西延长石油集团横山魏墙煤业有限公司，陕西榆林719000）

在我国西北部地区，煤炭资源丰富、煤质优良，有诸多大型煤炭生产基地。但区内水资源相对匮乏，常年干旱少雨的情况使得农业、工业及人民生活用水成为一大难题[1-2]。由煤矿生产带来的矿井水污染、浅部含水层枯竭的问题日益严重，民生问题与矿井的发展之间的矛盾愈发激化[3-4]。

关于地下煤层开采影响地表水库及坝体稳定等相关方面，多年以来，诸多研究人员及学者们从不同角度、通过不同手段均开展了分析研究工作。武雄等[5]通过室内岩石力学试验、现场测试、矿井涌水量统计、水质分析、理论计算和数值模拟等综合手段，对水库下开采形成的地面塌陷范围和库区水体渗漏情况进行研究，判断坝体的安全性和稳定性。朱伟等[6]采用现场实测、工程类别研究综放开采导裂带发育规律，技术水库下采煤防水安全煤岩柱合理尺寸和断层留设安全隔离煤柱尺寸，采用概率积分法和克里格差值法预测水库开采后地表沉陷和水库扩大淹没范围，并基于实测地表裂缝临界水平变形预测地裂缝极限发育深度。王卓然等[7]通过数值模拟对水库大坝和坝基由采煤引起的渗流问题进行研究，以坝体作为研究对象，在上游建立1 条安全限，通过控制大坝和坝基的有效保护边界来控制开采对浅地表造成的深度和远度。娄高中等[8]采用理论计算分析地表移动变形，预计导水断裂带高度，分析断层对坝体影响，确定工作面尺寸和开采顺序，确定坝体下开采技术方案，并判断导水断裂带不会波及水库水体，断层不会影响坝体。张进等[9]通过计算导水断裂带高度，判断在保护煤柱内限厚开采可使水库大坝受采动影响程度显著降低，并计算出综放工作面合理推进速度。郭文兵等[10]构建考虑有工作面推进方向、开采尺寸、位置、开采顺序和推进速度等5个因素的协调开采模型，计算两带高度、采厚坝体移动和变形值，并对堤坝进行动态监测，提出水库坝体下厚煤层放顶煤协调开采技术。王玉涛[11]通过分析房柱式采空区对拟建水库坝基的稳定性和渗漏性的影响，认为拟建场地采空区不稳定，在坝体荷载作用下将引起采空区“活化”；下伏采空区对拟建水库渗流存在严重影响，渗漏将导致坝体失稳。许国胜等[12]通过分析煤层覆岩破坏高度，以及影响水库下压煤开采安全的可能因素，包括堤体变形破坏、坝体裂缝和动态移动变形，计算发现堤坝将出现裂缝，提出控制合理开采速度、定期巡查、注浆封堵加固等措施。张彬等[13]采用统计分析、理论计算和工程类比相结合的方法，研究水库下采煤的安全性和开采对水库坝体的影响，以此有效保护地表水和地下水资源。

以上所述的关于地表水库、坝体安全稳定性与地下煤层开采之间相互影响关系等方面的研究观点、内容、成果等对煤矿区地表塌陷、建构筑物保护等做出了一定的帮助和贡献，但目前在陕北侏罗纪煤田榆横南区内煤层回采威胁地表水库坝体稳定的实际研究与应用成果尚为不足，还需继续开展更为深入的研究和探索。

1 研究区概况

魏墙煤矿位于陕北侏罗纪煤田榆横南区中北部，现开采一盘区3 号首层煤层的1311 工作面。

井田含煤地层为侏罗系延安组（J2y），其基底为三叠系瓦窑堡组（T3w）、侏罗系富县组（J1f），其上覆地层还有侏罗系直罗组（J2z）和安定组（J2a）、白垩系洛河组（K1l）以及第四系（Q）松散层等。井田内地层平缓完整，无异常及缺失变化。

井田内地质构造简单，地层及煤层倾角小于1°，总体呈一NWW 向单斜层，经前期地震勘探发现有3 条小于10 m 断点（层），其中1 条已在一盘区前期工作面采掘过程中揭露验证，不存在导水构造，一般对采掘工程无影响，其余断点（层）距离较远，均在一盘区以外。

根据在矿井一盘区多年采掘经验，井下开采3号煤层的直接充水水源为顶板侏罗系延安组第四段和直罗组砂岩含水层水[14]，该2 层含水层富水性弱（单位涌水量q≤0.1 L/（s·m）），且在回采前均进行顶板水探放工作，各工作面历史回采最大涌水量均未超过80 m3/h，顶板水害基本对矿井安全生产不构成影响。同时，在一盘区未来开采区域及井田外部，均不存在老采空区，矿井已完成回采的相邻工作面设置有防水密闭墙等，故不受老采空区水威胁。

井田1313 工作面为现开采1311 工作面的后期接续工作面，也为一盘区西南部开采的最后1 个工作面。该工作面3 号煤层平均厚度约3.0 m，埋深265.4～421.1 m，平均约372 m，煤层上覆基岩厚度约278 m。在其地表有2 座小型水库，分别为何家沟水库（土坝体上下宽约3.5～5 m、高约6 m，水域面积约24 394.5 m2、周长约814.5 m；水深约1.8～2.6 m、平均2 m 左右）和骆驼脖子沟水库（土坝体上下宽约4～12 m、高约18 m，水域面积约35 275.7 m2、周长约1 543 m；水深约6～10 m、平均8 m 左右），其中，骆驼脖子沟水库的库容水量相对较大，在这2 座水库下游即为民用农田及部分民用建筑，其水库水体均为当地农用及生活用水水源。研究区位置及地物特征示意图如图1。

图1 研究区位置及地物特征示意图Fig.1 Schematic diagram of the location and feature of the study area

2 土坝体安全性分析

2.1 地表移动观测

受地表地形、建筑等条件限制，选择在距离工作面开切眼475 m 处布置地表移动观测站，在观测区地表布设了1 条走向观测线Z 线、1 条倾向观测线A 线，矿井首采工作面地表移动观测点布置示意图如图2。

图2 矿井首采工作面地表移动观测点布置示意图Fig.2 Schematic diagram of surface movement observation points in the first mining face

通过观测得出，观测区内的A 线最大下沉值为1.327 m，Z 线最大下沉值为1.460 m。在此基础上，换算给出了3 号煤层开采地表岩层移动参数，观测区部分观测时段的概率积分法参数见表1。由表1可以看出，当采空区范围较小时，各参数的波动较大，说明其变化是不稳定的。随着开采范围的扩大，各参数逐渐趋于稳定，说明这时候的地表移动也已基本趋于稳定。由此可推断，随着采空区的不断增大，地表的变形不会有太大变化，采空区后面地表沉降的范围也不会有太大变化，最后2 次的测量数据表明，地表沉降已经稳定[15-16]。

2.2 地表开采沉陷预计

采用在我国成熟应用的概率积分法对1313 工作面3 号煤层开采后地表沉陷进行预计[17-18]，并以此为基础，对井下开采与地表2 座水库安全性进行影响分析。

表1 观测区部分观测时段的概率积分法参数Table 1 The parameters of probability integral method in the observation area

出于安全角度考虑，选用矿井1301 首采工作面地表现场实测数据中，均以地表移动变形的最大值为主。由此可选择的地表移动变形基础参数如下：地表最大下沉值ωmax取1.46 m，煤层采高m 取3.0 m，煤层倾角α=0.5°，观测点的最大倾斜值imax取15.85 mm/m，煤层平均埋深H 取371.74 m，倾斜主断面上最大下沉值Wcm取1 327 mm，最大下沉点处的水平移动值Uwcm取712 mm，地表水平移动的最大值umax取712 mm。

根据公式[19-20]计算，得到1313 工作面地表移动变形的参数如下：下沉系数η=0.487、主要影响角正切值tanβ=1.25、开采影响传播角θ=61.784°、拐点偏移距d=70 m、水平移动系数b=0.488。根据上述参数，结合地表最大下沉值、倾斜值、曲率值和水平变形值计算公式[21-22]，得出1313 工作面地表2 座水库的水坝附近（根据最近的ZK105 号钻孔数据取煤层采厚m0=3.25 m，其它参数不变）的地表形变值，矿井1313 工作面地表沉降造成的移动变形值一览表见表2。

表2 矿井1313 工作面地表沉降造成的移动变形值Table 2 Moving deformation values caused by surface subsidence of No. 1313 working face

2.3 地表开采沉陷对坝体安全影响

针对地表突发性塌陷，一般分为3 种情况：①当所开采的煤层深厚比较小时，采空区顶板覆岩破坏高度达到地表，导致地表塌陷[23]；②急倾斜煤层开采时，浅部煤层露头处的抽冒导致地表塌陷[24]；③废弃井筒、溜煤眼、井下硐室等未进行有效处理，受长期地下水和其他动力作用影响，产生突发性地表塌陷[25]。

显然，本井田只有可能复合第1 种情况。而验证其开采后覆岩破坏高度，则需预计其导水断裂带。根据规程、规范[26-27]公式计算，得出的裂采比（导水断裂带与煤层开采厚度比值）往往小于15，甚至更小，但区内矿井开采后覆岩破坏往往会波及更高层位。依据陕北区内开采经验[28-29]，综采一次性采全高的裂采比在14.90～34.98 之间，平均约26 左右，从安全角度出发，以区内经验裂采比取整（裂采比35）进行预计，则工作面开采3 号煤层后产生的覆岩导水断裂带发育高度为105 m，而根据煤层顶板覆岩厚度、地表下沉最大深度可知，井下煤层回采后形成的上型裂隙（导水断裂带）不会沟通地表下行裂隙（塌陷裂隙、裂缝等），故可判断，在一般情况下，1313 工作面开采不会造成突发性的地面塌陷，区内地表主要以采煤引发的缓慢下沉变形为主。

再对地表水库坝体安全性进行判别，由于本文所述2 座地表水库为土坝体，我国现行规范中尚无对土质水坝破坏评判标准，参考《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》[27]第二十条中的附表3 内容，对1313 工作面井下3 号煤层开采后地表2 座水库的水坝的损坏等级进行判别。结合前文预计数据以及规范中地表形变值量化等级发现，地下煤层回采后造成的地表变形将至少导致2座水库土坝体破坏至“IV 级-严重或极度严重损坏”（损坏由轻微到严重共I～IV 级，IV 级为最高级），该级别规定数值范围为：水平变形ε＞6.0 mm/m，倾斜i＞10.0 mm/m，曲率k＞0.6×10-3/m。

由此可见，对于1313 工作面地表的2 座水库而言，无论是根据其垂向下沉还是根据其水平变形预计情况判断，这2 座水库的水坝坝体在井下工作面回采至相应位置附近时，由于地表塌陷、移动变形，水库土坝体势必会产生极度严重损坏，由此将造成坝毁溃水的后果，并可能造成一定规模的经济损失甚至人身安全危害，煤矿必须提前采取相应措施，确保地表人员财产安全不受侵害。

3 不同水体对工作面开采影响

3.1 地下水的影响

根据前文所述，矿井导水断裂带预计发育最大高度为105 m，而3 号煤层顶板侏罗系延安组第四段地层平均厚度约82.7 m，直罗组地层厚度约115.5 m，届时导水断裂带将波及到侏罗系延安组第四段和直罗组部分砂岩含水层，该2 层含水层富水性均相对较弱。在矿井每1 个工作面开采前均会进行顶板水探放工作[14]，待工作面开采时，虽仍会有一定的顶板砂岩含水层水进入工作面，但总体水量有限，一般不会对矿井安全生产造成威胁。

3.2 地表水的影响

根据导裂带发育高度与地层关系，在侏罗系直罗组地层上还有侏罗系安定组、白垩系洛河组等基岩层约80 m 左右，其上为厚超过100 m 的第四系松散层，故导水断裂带这类“上行裂隙”不会沟通第四系，更不会沟通地表。

而井下开采造成的地表塌陷将形成“下行裂隙”，一般平行于采空区边界发展。地表裂缝深度与岩性及采深采厚比等因素有关，地表裂缝深度主要通过实测获得本矿区的经验值，由于本矿井未进行地表裂缝深度的实测值，可以参考陕北地区或我国其他矿区、矿井的实测或经验值，并以此作为本次评价中“下行裂隙”预计的数据依据。根据参考资料可知，国内现已知的地裂缝深一般约1.0～5.0 m，特殊条件的部分矿区可达30～70 m[30]，而在陕北地区的浅埋煤层地面塌陷形成的地裂缝深度一般为10 m左右[31]，且本次研究区属近中埋矿井，地裂缝发育深度往往比浅埋煤层较小，但处于安全角度考虑，按照10 m 计算。由此，在该情况下计算，地裂缝不会穿透松散层，也不会沟通导水断裂带；从极端情况考虑，2 座水库中，最大的骆驼脖子沟水库水深6～10 m，即使在水库最深处，裂隙下行发展，也难以贯穿100 m 第四系及下伏的基岩层。同时，工作面范围内不存在断层等地质构造，故可判断3 号煤层开采后形成的导水断裂带不会沟通至地表，大气降水和地表水体不会影响矿井工作面开采。

但根据现场调查，2 座水库均有一定的水量，且根据分析，1313 工作面回采后会造成水库土坝体的严重损坏（判别标准为砖混结构建筑物，土质结构坝体可能损坏更为严重），若不提前采取措施，将造成水库大量水体外泄，淹没下游农田、建筑物甚至更严重后果，并将造成恶劣的社会影响，故需在矿井开采前采取相关措施进行有效防治，避免灾害发生。

4 井上下防治水措施

4.1 井下防治

针对井下水害防治而言，目前相对较为简单，根据《煤矿防治水细则》[32]、《煤矿安全规程》[33]等要求，必须对工作面未来回采主要面临的顶板水害进行防治，严格遵守“三专、两探、一撤”制度，并采取探、防、疏、排、监等综合防治措施。在此过程中，还应提前通过工作面涌水量预测，布设好相应的排水系统（设备、管路、水仓等），健全矿井水文监测系统，完善矿井水化学数据库，切实做到井下对顶板砂岩含水层水的科学有效防治。