大平煤矿地表水体下采煤工程实践

连跃东

(山西大平煤业有限公司，山西 长治 046200)

据统计，我国仅国有煤矿各类水体下压覆资源量超过100亿t，建国后相关技术人员就开始了水体下压覆煤炭资源解放技术研究和工程实践，诸如淮河、资江、乐安江、南桐水库等大型地表水体下进行了安全开采[1]，主要涉及到薄煤层普采、中厚煤层及厚煤层分层普采和综采等开采工艺[2]。90年代后期综放开采工艺开始普及，其对工作面地质条件具有良好的适应性，水体下厚煤层综放开采进行了大量的研究和工程实践[3-8]。文献[9-10]介绍了水库以及泾河下特厚煤层开采实践经验。文献[11]是我国水体下采煤实施的主要技术规范，对于水体下合理安全开采具有重要的指导意义。

水体下采煤不仅涉及到煤炭资源的合理解放，更重要的是关乎整个矿井的安全生产，必须慎之又慎，但同时不能“谈水色变”，大量的水体下开采工程实践表明，在充分掌握水文地质条件和覆岩导水裂缝带发育规律的基础上，采用合理的开采技术方案，可以实现水体下安全开采，同时效益可观。大平煤矿浊漳河过境井田北部区域，河流压覆煤炭资源严重，河流存在导致河湾阶地潜水位较高。该矿在实测获得本井田厚煤层综放开采导水裂缝带发育高度基础上，指导实施了水体下开采工程，保证了安全生产的同时取得了显著的技术经济效益。

1 地质采矿条件

大平煤矿地处山西省襄垣县，区块位于沁水煤田东南部，核定生产能力为120万t/a。主采二叠系下统3#煤层，缓倾斜，平均厚度约6.0 m，煤系地层为石炭二叠系含煤地层，顶板覆岩主要以各类中粗细砂岩、泥岩和砂泥岩互层沉积。开采工艺为综采放顶煤，顶板自然垮落，机采高度约3 m，割放比为1:1。浊漳河流经井田中部，河床最低标高约+883 m，基岩直接出露，水面宽度约6～10 m，水深0.5～1.5 m，流量约0.5～2 m3/s。雨季雨量充沛加上上游后湾水库放水，河水水位将暴涨1～2 m，河床阶地潜水位高，一般位于地表下2 m深度。3#煤层底板标高约+560～+600 m，顶板主要含水层为K8(顶板上约30 m)以及K10(顶板上约96 m)砂岩含水层，富水性中等。

2 厚煤层综放裂缝带发育高度

2.1 现场实测

煤层不同开采工艺条件下裂缝带发育规律对于制定水体下采煤技术方案具有重要指导意义。大平煤矿之前一直采用综采放顶煤开采工艺，高产高效。为了评价大平矿水体下综放开采可行性，该矿实施了综放工作面导水裂缝带发育高度地面钻孔勘探工程，监测钻进过程中冲洗液消耗量、孔内水位、注水消耗等和异常钻探现象，掌握水文参数随孔深不断向煤层采空区接近变化情况，确定不同层位岩层破坏和裂隙发育情况。大平煤矿3118工作面典型地表钻孔水文观测曲线如图1所示。通常以各参数突变位置确定裂缝带高度。两个钻孔观测数据综合分析成果如表1所示。

图1 1#钻孔水文参数与钻进深度关系图

表1 大平矿裂缝带高度观测成果表

由表1可知，大平煤矿综放导水裂缝带发育高度为顶板以上105.53～112.62 m，裂隙带高度与采高比为19.18～19.42。同时对裂缝带顶界面以上岩层取样进行岩石力学试验，结果显示岩层软化系数为0.29～0.85，岩层易遇水软化膨胀，能限制裂缝带向上发育，增强岩层阻隔水性能。

2.2 数值模拟

采用岩层破断过程分析系统RFPA，可以直观模拟岩层随工作面推进垮落破断全过程。根据大平煤矿综放工作面开采技术条件建立模型，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。

图2 工作面覆岩破坏动态过程

由图2可知，覆岩垮落破坏随着工作面从切眼向前推进、不断向上位岩层发展，裂缝带高度发育到某一岩层层位便趋于稳定，当工作面继续向前推进时，顶板破断裂隙呈现出周期运动的特征。经过对大平煤矿特定开采技术条件下工作面覆岩破断发育过程模拟得出，综放有效累计采高6 m时导水裂缝带将发育至顶板之上约120 m。

综合综放开采导水裂缝带发育高度现场实测和数值模拟结果，可以得到大平煤矿综放开采裂缝带高度计算公式如式(1)所示。

Hli=20M

(1)

式中，M为综放采高。

式(1)可以作为大平煤矿地表河流水体下采煤防水安全煤岩柱的留设依据。

3 河道及河床阶地下采煤工程实践

浊漳河属于文献[11]中Ⅰ类采动等级的水体，不允许导水裂缝带波及，需要留设防水安全煤岩柱。河床基岩直接出露，防水安全煤岩柱应考虑基岩风化带厚度，即Hsh≥Hli+Hf+Hb，式中Hsh为防水煤岩柱，Hli为导水裂缝带最大高度，Hf为风化带厚度，Hb为保护层厚度。根据式(1)，浊漳河下3#厚煤层综放开采导水裂缝带最大发育高度约为Hli=20M=120 m。根据地质勘探资料，强风化带厚度取30 m，其保护层厚度取5倍采厚，即Hb=5M=30 m。因此浊漳河下正常安全开采所需防水安全煤岩柱尺寸Hsh≥180 m，河床最低标高为+883 m，因此河道及河床阶地下开采上限为+703 m。浊漳河下最高标高为+600 m，远低于河床下开采上限标高，导水裂缝带不会波及到地表水体。

浊漳河区域开采情况如图3所示，开采区域位于F2正断层上盘，落差为35 m，整个地层向西倾斜。开采过程中采取了如下安全技术措施：(1)加强对隐伏构造超前勘探和防治；(2)加强井下涌水量监测；(3)完善井下疏排水系统，加大工作面排水能力配备。

图3 浊漳河河床阶地区域开采情况

由于开采区域为河湾沉积地，地表潜水位较高，综放开采地表沉陷较大，两个工作面塌陷区均出现大面积积水盆地，积水深度0～3.6 m，平均积水深度达到2 m，积水量总计约3万m3。积水区如图4所示。

图4 工作面采后地表淹没卫片与积水情况

开采过程中进行了包括井下工作面涌水量、地表塌陷积水区水位等观测，并对比分析了地表积水和工作面涌水水质。两个工作面开采过程中涌水量均比较小，约3～8 m3/h，未出现涌水异常增大现象和滞后突水情况，地表积水区未发现漏失，实现了地面水体下的安全开采。

4 结 论

(1)采用现场实测和数值模拟手段确定了大平煤矿特定条件下厚煤层综放开采导水裂缝带发育规律，为地表水体下采煤提供了科学依据和数据支撑。

(2)通过综合分析和采取完善的水害防治措施，大平煤矿实现了水体下厚煤层综放高强度开采，具有很好的技术经济效益，有效地解放了矿井水体下压覆煤炭资源。