霍洛湾煤矿22206 工作面水体下安全开采技术

关 众

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁沈阳 110015）

我国地表水体下煤资源储量达（60～80）×108t，水体下采煤限制了矿井的正常及安全生产[1-2]。早在20 世纪60 年代，我国已经开始了地表水体下煤炭资源安全开采方案的研究工作，在覆岩破坏规律、防水煤（岩）柱留设、水体下安全开采防治水技术等方面，取得了显著的研究成果，有效地指导了地表水体下工作面的安全开采[3-5]。当前，水体下采煤一直是困扰矿区安全生产的难题，直接影响到矿区煤炭资源开采的可持续性发展。

近年来，我国在大型水体下安全开采的实践很多，初步取得了水体下采煤的经验，但由于水体下采煤受地质环境因素影响显著，井下突水机制尚不明晰，增加了水体下采煤的难度[5]。段霞[6]采用超高密度电法探测技术和地质雷达探测技术研究工作面在掘进过程中出现的涌水现象；张胜军等[7]针对矿区内局部区域出现太原组上段灰岩富水性弱，水压衰减性较强现象，提出疏水降压与底板加固相结合的水害防治技术；王庆[8]针对准格尔矿区某矿井下工作面顶底板水害防治问题，提出采用井下音频电穿透和槽波地震勘探技术初步圈定异常区、地球化学水质化验技术结合定向钻探技术探查异常区的综合勘探技术；申绍锋[9]在分析61101 工作面地质、水文等条件的基础上，对顶板突水和底板突水机理展开研究，提出了对应防治措施；王小勇[10]针对纳林河二号矿井31121 采空区积水储量大、动态补给量大等特点，提出将31121 采空区积水分成整体疏放积水区与局部疏放积水区，利用泄水巷布置钻孔、辅回撤通道密闭墙导水管、工作面回风巷硐室密闭墙导水管、回风巷布置钻孔等方法，通过采取分区管理、预测预报、多点疏放、低位布孔、持续畅通、先整体后局部、先观测后分析、先疏放后掘进、效果评价等综合防治技术，成功消除31121 采空区积水的威胁。

霍洛湾煤矿22206 工作面为浅埋深薄基岩煤层，地表与覆岩均富水，开采面临的最大危险为矿井突水。因此，为降低水害对煤层开采的影响，需要通过理论推导和现场实测等方法，确定导水断裂带贯通高度，明确矿井突水的危害，实施有效的水害防治技术；研究结果将为22206 工作面以及相邻工作面后续开采中水害治理方法提供借鉴和参考，对霍洛湾煤矿安全高效生产具有重要意义。

1 工程背景

1.1 工作面开采特征

霍洛湾煤矿22206 工作面位于二盘区三大巷西侧，南侧为22207 工作面（设计掘进工作面），北侧为22205 工作面采空区，地面位置位于呼和乌素沟中部、阿大线南西一侧，在空间上基本与呼和乌素沟为近上下叠加关系。22206 工作面长240 m，推进长度1 880.5 m，采用倾斜长壁后退式全部垮落综合机械化采煤法。

研究区2-2煤层厚度为5.57～6.22 m，平均为5.72 m，基本不含矸，煤层倾角为1°～3°，结构简单，厚度稳定，全区可采。地面标高1 152～1 220 m，底板标高1 052～1 071 m，埋深为100～149 m。顶板岩性以砂质泥岩、粉砂岩为主，底板岩性以砂质泥岩、泥岩为主，属稳定煤层，是井田内主要可采煤层。

1.2 水文地质条件

22206 工作面位于呼和乌素沟下，属于水体下采煤，被采动水体包括地表水体和地下水体。地表水体为呼和乌素沟内径流水；地下水体为第四系松散潜水含水层和煤层上覆基岩承压含水层。各采动水体的参数如下：

1）呼和乌素沟。研究区内沟谷的河水均流入东部的乌兰木伦河和南部边界的呼和乌素沟。井田南部呼和乌素沟水体，为常年性地表径流，其水量受大气降水控制，夏秋季大，冬春季小。沟谷上游河道较窄，为“V”形，呈现河道严重下切；研究区位于河道下游位置，靠近李家塔村处，该处位置河道变宽，最宽可达200 m 以上，呈“U”形。河水通过风化裂隙等充水通道沟通并补给下部含水层，从而进入井下采空区内，为工作面间接充水水源；该沟谷地段煤层上覆基岩较薄，按照本地区经验，开采后上覆基岩以切落式垮落为主，导水断裂带将全部贯通基岩并延伸至松散含水沙层，沟谷地段延伸至地表，使地表水携带泥沙沿裂隙进入工作面，转化成直接充水水源。

2）第四系（Q4）松散潜水含水层。厚度变化较大，上部为砂砾层及中细砂，下部为粗砂与砂砾层，厚度4.0 m 左右。含水部分主要为下部粗砂及砂砾层，水位埋深为0.3～0.5 m，钻孔单位涌水量0.051～0.058 L/（s·m），渗透系数1.758 9～2.053 8 m/d，富水性弱。

3）侏罗系延安组（J1-2y）裂隙承压含水层。岩性主要由中砂岩、细砂岩、粉砂岩、泥岩和煤组成，厚度62.4～92.2 m，含水部分为中粒砂岩层段，层厚8.0～40 m。钻孔涌水量0.002 3～0.12 L/（s·m），渗透系数0.005 5～0.011 8 m/d，富水性中等。

根据呼和乌素沟水文地质补勘报告，研究区内隔水层基本情况为：第四系（Q4）孔隙潜水含水层与基岩裂隙含水层间无黏土隔水层，但具有1 层泥岩；基岩地层层段发育有多层粉砂岩、砂质泥岩隔水层阻隔，含水层与隔水层厚度比多在1∶3 左右，隔水性能好，各含水层间基本无垂向水力联系。煤层与地下含水层结构示意图如图1。

图1 煤层与地下含水层结构示意图Fig.1 Schematic diagram of coal seam and aquifer structure

2 工作面导水断裂带高度计算与水害分析

2.1 工作面导水断裂带高度计算

对于厚煤层一次采全高工作面的“两带”高度可采用“两带”高度经验公式中来计算垮落带高度及导水断裂带高度[11-15]：

垮落带高度计算公式：

导水断裂带高度计算公式：

式中：Hm为垮落带高度，m；Hli为导水断裂带高度，m；M 为煤层开采高度，m。

根据工程背景，按照煤层最大采高5.5 m 计算，代入上述公式，可得垮落带高度为29.92 m，导水断裂带高度为77.68 m。

2.2 22206 工作面水害分析

研究区内工作面主要充水通道是采动引起的导水裂隙。工作面含水层主要有松散沙层潜水含水层和上覆基岩承压含水层。

根据理论计算结果，研究区内2-2煤层22206 工作面以上覆盖层厚度为76～130 m，其中上覆基岩厚度62.4～92.2 m（按钻孔实际揭露数据，呼和乌素沟上游至下游埋藏变浅），煤层上覆基岩厚度小于导水断裂带最大发育高度，煤层开采后，上覆岩层呈全厚切落式破坏，导水断裂带基本全部贯通基岩延伸至土层或沙层，使松散沙层潜水和基岩裂隙承压水沿导水裂隙进入工作面。由于22206 工作面具有浅埋煤层开采特征，导水裂隙破坏了覆岩的隔水层，使松散沙层潜水和基岩裂隙承压水沿导水裂隙进入工作面，增加了工作面的涌水量。

由于导水断裂带基本全部贯通基岩延伸至土层或沙层，在沟谷地段延伸至地表，使得地表水-呼和乌苏沟与22206 工作面相贯通，地表水携带泥沙沿裂隙进入工作面，增加了工作面的涌水量，甚至会导致工作面产生水害事故。

鉴于浅埋厚煤层在高强度开采条件下，顶板垮落后不会形成“三带”，在沟谷局部薄基岩强富水地带，垮落带有直接沟通松散含水层而造成突水溃砂的风险。因此，工作面在推至沟谷中心地段前必须提前采取防治水措施，以免工作面发生突水溃砂灾害，并且须对地表雨季洪流进行预防，避免洪水通过采矿通道和采动裂隙溃入到井下。

3 水害防治技术

霍洛湾煤矿22206、22207、22208 3 个工作面地表与呼和乌素沟近平行上下叠加关系，属于水体下采煤。采取分源防治的技术思路，地表水采用截导水和采后河道治理技术；地下含水层水采用井下疏放水工程和留设防水煤岩柱等防治水技术。

留设安全煤岩柱的实质是确定合理的开采上限，保证导水断裂带或垮落带不波及水体。为了精确地留设煤岩柱，根据覆岩及含水层的赋存特征，对工作面的富水性、安全性进行分区研究。

3.1 防水（砂）煤岩柱留设特征

3.1.1 工作面分区

根据研究区3 个工作面水文地质补充勘查成果，结合从现场搜集的采矿及地质相关资料，综合分析工作面上覆基岩承压含水层和第四系松散孔隙含水层的富水性、各含水层的厚度、岩性、地质构造、渗透特性、钻孔岩心描述和采取率、冲洗液消耗量及抽水试验等资料，绘制工作面顶板充水含水层富水性分区图、顶板冒裂安全性分区图及顶板涌水条件综合性分区图。

1）工作面顶板含水层富水性分区。通过对含水层厚度和岩性、地质构造、渗透特性、单位涌水量、钻孔岩心描述和采取率、冲洗液消耗量、抽水试验等资料的研究和突水因素的分析，得出的22206 工作面顶板充水含水层富水性分区图如图2。由图2 可知，工作面自切眼开始至回采前方450 m 范围（A区）为弱富水区；工作面开采前方450～1 880 m 范围（B 区）为中等富水区。

图2 工作面顶板充水含水层富水性分区图Fig.2 Water-rich zone diagram of water-filled aquifer in working face roof

2）工作面顶板冒裂安全性分区。根据22206 工作面水文地质补充勘查地质钻孔资料统计得出工作面A 区上覆基岩厚度为98～110 m，B 区上覆基岩厚度为73～98 m。结合导水断裂带发育高度与工作面顶板含水层富水性分区，可得22206 工作面A 区导水断裂带高度小于上覆基岩厚度，虽然能沟通延安组裂隙承压含水层，但该含水层富水性弱，不能沟通上覆松散孔隙含水层，故该区为安全区；22206 工作面B 区，导水断裂带高度大于上覆基岩厚度，不但能沟通延安组裂隙承压含水层，而且能直接沟通上覆松散孔隙含水层，故该区为危险区。因此根据煤层顶板含水层富水性分区图，22206 工作面自切眼开始至回采前方450 m 范围（A 区）为弱富水区；22206 工作面开采前方450～1 880 m 范围（B 区）为中等富水区。

3）顶板涌（突）水条件综合分区。复合叠加分析22206 工作面顶板充水含水层富水性分区图与顶板冒裂安全性分区图可得分区情况如下：22206 工作面A 区，顶板含水层划分为弱富水区，顶板冒裂安全性划分为安全区，故该区的顶板涌（突）水条件综合分区划分为安全区；B 区，顶板含水层划分为中等富水区，顶板冒裂安全性划分为危险区，故该区的顶板涌（突）水条件综合分区划分为危险区。

3.1.2 确定防水（砂）煤岩柱合理尺寸

22206 工作面开采期间，霍洛湾矿对矿井水文地质条件类型进行了重新划分，根据《神东天隆集团有限责任公司霍洛湾煤矿水文地质类型划分报告》矿井水文地质条件类型由原来的复杂类型重新划分为中等类型。根据上述研究区水文地质变化情况，按照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中的相关规定，确定研究区水体采动等级为Ⅱ级，允许导水断裂带波及松散孔隙含水层水体，但不允许垮落带波及该水体，顶板应留设顶板防砂安全煤岩柱。

根据不同采高条件下“两带”高度计算结果及中硬岩层防砂安全煤岩柱保护层厚度采用3A（A 为采高）计算，按照煤层最大采高5.5 m 计算，垮落带高度为29.92 m，保护层厚度为16.50 m，防砂安全煤岩柱高度为46.42 m。不同采高防砂安全煤岩柱高度计算结果见表1。

表1 不同采高防砂安全煤岩柱高度计算结果Table 1 Calculation results of the height of coal and rock pillars with different mining heights for sand control safety

3.2 地表截导水工程

3.2.1 地表截水工程

在22207 工作面采空区边界角范围外修建拦水围堰，拦截河流以及强暴雨时产生的地表径流，在右岸设置取水口，预埋管路将拦截的地表水从22206、22207、22208 工作面下游导出至工作面影响区域外。

围堰位置确定在位于井田西南边界外，呼和乌素沟上游，距井田边界垂直距离61.5 m；围堰为5级建筑物，安全超高取0.5 m；围堰高度取2.5 m，堰顶高程为1 165.5 m，设计洪水位1 164.0 m；堰顶宽度4.5 m，采用砂砾石作为围堰填筑主体材料，堰体的迎水面和背水面均采用浆砌石护坡，迎水面铺设土工膜防渗。

3.2.2 导水工程

设置2 趟DN1 200 mm 的HDPE 双壁波纹软管，导水管进水口处的地面高程+1 263.5 m，出水口处的高程约+1 247.3 m，临时导水围堰排水管路高程差为16.0 m。每趟管线铺设长度为2 284 m。

在22206 试采过程中，因地表塌陷造成部分管路断裂，为更好地实现对地表砂层潜水的疏放降压，在井下向地面打孔进行疏放水的同时，在呼和乌素沟南侧开挖1 条宽9 m，深4 m 的临时水渠，对地表砂层水进行疏放工作。通过实践证明，此方法对地表砂层水的疏放发挥了良好的效果。

在疏放水工作完毕后，在临时水渠底部用黏土覆盖，起隔水作用，覆盖厚度为2 m。将原水渠断面改为宽2 m、深1.5 m，作为永久性导流明渠，且通过观测发现导流明渠内的水流未渗透到井下。因此，提出对地面导流管路进行优化，在保证导水可行性及开采安全性的同时，减少地面双壁波纹管路的使用量。设计变更为1 趟ϕ1 200 mm 双壁波纹管线、1趟ϕ800 mm 双壁波纹管线和1 趟导流明渠。

3.2.3 开采期间呼和乌素沟水量观测结果

在22206 工作面开采期间，对呼和乌素沟水量进行了持续跟踪观测。数据显示呼和乌素沟水量3月最多，上游最大来水量293 m3/h，通过管路导出流量240 m3/h，渗入地下及蒸发最大流量为53 m3/h。4、5 月等枯水季节，上游来水量小，最小为6 m3/h，通过管路导出流量2 m3/h，渗入地下水量仅为4 m3/h。

上述结果表明，地表截导水工程成功截断了呼和乌素沟，将呼和乌素沟河水导出到研究区外，降低了呼和乌素沟水体对井下开采的威胁性。实际观测表明，临时水渠对第四系松散潜水含水层的疏放起到了良好效果。

3.3 井下疏放水工程

为了确保研究区3 个过呼和乌素沟段的工作面安全回采，防止突水溃砂灾害，改善工作面作业条件，提高回采工作效率，对22206 工作面顶板上覆第四系松散孔隙含水砂层水进行预疏放。

设计在22206 工作面运输巷及回风巷共布置疏放水孔33 个，实际施工钻孔19 个，根据实际疏放水情况显示，疏放水区域水量较小，疏放水效果不佳，故剩余14 个钻孔未组织施工。

根据22206 工作面顶板疏放水水量表，除孔T6-21’水量为72 m3/h 疏放水量较大以外，其余疏放水孔的疏放水量都很小，最大为3.3 m3/h，最小为0.05 m3/h，其中75%的钻孔水量小于2 m3/h，90%的钻孔水量小于3 m3/h。疏放水水量情况见表2。

表2 22206 工作面顶板疏放水水量Table 2 Roof drainage water quantity of 22206 working face

根据疏放水结果，疏放水区域水量小，疏放水效果不佳。分析原因认为：防治水工程对研究区上覆第四系松散潜水含水层产生了显著影响；地表截导水工程截断了呼和乌素沟，河水经导水管路流出研究区，研究区上方呼和乌苏沟干涸，弱化了第四系松散潜水含水层的补给，使其富水性降低。

4 防治水措施的效果

4.1 22206 工作面及矿井实际观测涌水量

22206 工作面2015 年9 月至2016 年6 月回采期间对工作面及全矿井涌水量进行了实际观测，22206 工作面及矿井涌水量观测数据表见表3。

表3 22206 工作面及矿井涌水量观测数据表Table 3 Water inflow observation data of 22206 working face and mine

采用相关关系分析法预测矿井正常涌水量：矿井2016 年正常涌水量294.11 m3/h，最大涌水量441.17 m3/h；研究区正常涌水量采用狭长坑道法计算，最大涌水量采用动静态水结合预测法计算：22206工作面正常涌水量为103.3 m3/h；最大涌水量为206.26 m3/h。

根据22206 工作面及矿井涌水量观测数据表可知，在22206 工作面开采期间，实际观测工作面正常涌水量32.5 m3/h，最大涌水量55 m3/h；实际观测矿井正常涌水量为152.8 m3/h，最大涌水量为169 m3/h。

22206 工作面正常涌水量及最大涌水量实测值均远小于预测值；矿井正常涌水量及最大涌水量实测值均远小于预测值。

根据22206 工作面及矿井涌水量观测数据表绘制的22206 工作面及矿井实际涌水量变化趋势图如图3。

图3 22206 工作面及矿井实际涌水量变化趋势图Fig.3 Actual water inflow change trend diagram of the mine and 22206 working face

2015 年9 月至2016 年3 月，22206 工作面涌水量随时间逐渐增长，增长幅度平缓，至2016 年3 月达到峰值55 m3/h；2016 年4 月至2016 年6 月，22206 工作面涌水量随时间逐渐降低，降幅平稳，至2016 年6 月工作面涌水量降为30 m3/h；根据工作面生产实践可知，2015 年9 月、10 月工作面位于22206 工作面A 区，2015 年11 月至2016 年5 月工作面位于22206 工作面B 区。当22206 工作面由A区进入B 区时，工作面涌水量随时间逐渐增长，增长幅度平稳，没有出现涌水量大幅增长的现象，后期工作面涌水量开始随时间逐渐减少。

分析原因认为：随着工作面的推进，采空区面积逐渐增大造成工作面涌水量随时间逐渐增长；B 区第四系松散潜水含水层的水被疏放导致后期工作面涌水量随时间逐渐减少；工作面自A 区进入B 区时，涌水量小且增长幅度平稳，结合顶板疏放水情况，表明在采取井上下导水、疏放水及排水等防治水措施后，B 区上覆第四系松散潜水含水层富水性与A 区趋于一致且为弱富水性。

4.2 采后河道治理

对开采过程中呼和乌素沟河道内出现的地表裂缝及时进行充填，防止地表水流入井下影响矿井安全生产。采取的治理措施包括：在河床上出现地表裂缝、塌陷时，首先需对地表进行高差整平（整平也需满足夯填要求）；在设计河床高程以下50 cm 内还应按照每层10 cm 的厚度由下向上回填透水性弱的黏土并分层采取人工或机械夯实填筑，在每10 cm回填土的层间增加1 层防水土工布，提高隔水效果；在河床最上部的采用级配良好的1 层碎石压实回填，达到防止水流淘刷、保护河床的效果；堤防沉陷后，必须对沉陷堤道加高培厚，在沉陷稳定后，根据现场堤道实际破坏情况，在高程低于河床及破碎严重的位置采用透水性弱的黏土，分层碾压夯实，形成防渗斜墙，与滩地连成一体，封堵地表透水裂隙，减少渗流量。

22206 工作面回采过程中，地表出现了不同程度的塌陷及裂缝。在地表塌陷后采取的措施有：地表安排专人进行全天巡视，一旦发现地表塌陷、裂隙情况，迅速组织人员随时对其进行夯填、人工配合机械进行夯填，轧道机碾压严实，保证地表水、雨水不通过裂缝进入工作面。

地表塌陷稳定后采取的措施有：待地表塌陷稳定后，再出现新的地表裂缝、塌陷时，首先对地表进行高差整平（整平时也需要满足夯填要求），然后采用黏土进行夯填，虚铺厚度不大于250 mm，人工夯填厚度不大于200 mm，采用蛙式打夯机，夯实4 遍，交接处填成阶梯形，每层互相搭接，其搭接长度不小于每层填土厚度的2 倍，上下错缝距离不小于100 mm。另外在设计河床高程50 cm 内还按照每层10 cm 的厚度由下向上回填透水性弱的黏土并分层采取人工或机械夯实填筑，在每10 cm 回填土层之间增加1 层防水土工布，提高隔水效果，在河床最上部的采用级配良好的1 层碎石压实回填，达到防水止流淘刷、保护河床的效果。

现场地测部门进行的地表岩移观测结果表明，地表最大沉降点位于工作面中部，最大下沉量为3.1 m，最小下沉区域为工作面两巷道附近，最小下沉量为0.01 m。

5 结 语

1）22206 工作面按照煤层最大采高5.5 m 计算，可得垮落带高度为29.92 m，导水断裂带高度为77.68 m。导水断裂带基本全部贯通基岩延伸至土层或沙层，使松散沙层潜水和基岩裂隙承压水沿导水裂隙进入工作面；在沟谷地段延伸至地表，使得地表水-呼和乌苏沟与22206 工作面相贯通，地表水携带泥沙沿裂隙进入工作面，增加了工作面的涌水量。

2）根据地下及地表水量监测结果及疏放水结果，分析认为在采取地面截导水工程、井下疏放水工程等防治水措施以后，研究区上覆第四系松散潜水含水层富水性发生了变化，由原预测的中等富水性区域降低为弱富水性区域。

3）对矿井水文地质类型进行了重新划分，由原来的复杂类型划分为中等类型。综合第四系松散潜水含水层富水性变化情况，重新认定研究区水体采动等级为Ⅱ级，根据研究区不同采高情况下防砂安全煤岩柱高度计算结果，研究区防砂安全煤岩柱高度小于上覆基岩厚度，发生溃砂危害的可能性小。

4）22206 工作面开采期间，对呼和乌素沟水量进行了持续跟踪观测，观测数据显示，呼和乌素沟水量3 月最多，上游最大来水量293 m3/h，通过管路导出流量240 m3/h，渗入地下及蒸发最大流量为53 m3/h。4 月、5 月等枯水季节，上游来水量小，最小为6 m3/h，通过管路导出流量2 m3/h，渗入地下水量仅为4 m3/h。地表截导水工程成功截断了呼和乌素沟，将呼和乌素沟河水导出到研究区外，降低了呼和乌素沟水体对井下开采的威胁性。

5）根据22206 工作面开采期间实测工作面及矿井涌水量情况，实测工作面及矿井涌水量均小于工作面开采设计中工作面及矿井涌水量的预测值。