董家河煤矿县西河下安全开采多因素分析

马政和，高健铭

(1.陕西陕煤澄合矿业有限公司董家河煤矿分公司，陕西 渭南 715200；2.陕西陕煤黄陵矿业有限公司一号煤矿，陕西 延安 727307)

0 引言

董家河煤矿于1980年建成投产，原设计生产能力45万t/a。2006年核定生产能力62万t/a，井田面积13.07 km2，主要开采渭北石炭—二叠纪含煤岩系5号煤层，矿井采用2个水平开拓，主要大巷沿岩层布置，采煤工艺为综合机械化长壁后退式采煤法，全部垮落法管理顶板，相邻工作面之间采用留设30 m保护煤柱。矿区地表为黄土梁峁区，沟谷较发育，河谷地带有基岩出露。由井上下对照图可知，井田东北部发育有常年性河流县西河，一般流量为0.03 m3/s。22509工作面位于井田北部为东西走向，工作面县西河由北向南流经22509工作面地表上方，县西河部分沟谷河床基岩出露，出露基岩经多年风化剥蚀，在浅层产生了一定深度的风化裂隙，改变了基岩的完整性和隔水性能，风化裂隙成为了河水下渗的导水通道。22509工作面回采后，煤层顶板岩层原有应力平衡被打破，产生采动裂隙，如果采动裂隙与基岩风化裂隙发生沟通，将引起河水灌入井下，引发矿井水害，雨季来临，洪水经贯穿裂隙倒灌井下甚至可能发生淹井事故。因此，在22509工作面回采前，需要对工作面县西河下块段的安全开采进行综合分析，确保工作面安全回采。

1 工作面开采条件

1.1 井田地质情况

井田范围内除县西河河谷两旁有极其零星的上二叠统石千峰组和上石盒子组露头外，其它为掩盖区，经钻孔揭露的地层由老到新有：中下奥陶统马家沟组(01-2m)、上石炭统太原组(c3t)、下二叠统山西组(p1s)及下石盒子组(p1x)、上二叠统上石盒子组(p2s)及石千峰组(p2sh)和新生界(kz)。

井田内部未发现大的断层，基本构造轮廓为一走向近东西，倾向北的单斜构造，沿走向有波状起伏，倾角一般3°～5°左右。

1.2 水文地质条件

1.2.1 地表水

井田内地表地势北高南低，河谷地带有基岩出露，地表径流条件良好，区内地表水主要为县西河，县西河干流长度36.8 km，流域面积30 448 km2，河床比降为11.94‰，年平均流量1 911.83×104m3，平均流量0.61 m3/s。在干流上、中游已建成五一、永内两座水库及59处小型引水、提水工程，水库从不泄水。县西河下游已经成为一条季节性河流，在雨季担负泄洪功能，下游流量一般为0.03 m3/s。

1.2.2 含水层及隔水层

裂隙水：裂隙水主要赋存于上二叠统至上石炭统的细-粗粒砂岩和砾岩层中。根据相关地质报告显示，上二叠统石千峰组第1段(P2sh1)含水岩组、上二叠统上石盒子组(P2s)底部K5砂岩含水层、下二叠统下石盒子组(P1X)底部K中砂岩含水层、下二叠统山西组(P1s)底部K4砂岩含水层之间均有较厚泥岩、粉砂岩组成良好的隔水层，在正常情况下，各含水层之间无密切水力关系。上石炭统太原组(C3t)石英砂岩和K2灰岩含水岩组，据钻孔抽水资料显示，该段属裂隙承压水，富水性弱-中等的含水岩组。由于区内的水1、水6、水7、水X16等孔石英砂岩和K2灰岩含水岩组的水位标高介于+381.27～+384.82 m，均接近于奥灰区域水位，因而两者之间有可能通过隔水条件较差的铝土质泥岩发生水力联系。

岩溶水：中下奥陶统马家沟组第五段(O1-2m5)含水岩组，岩性主要为深灰色石灰岩，花斑状及角砾状灰岩夹薄层灰色白云岩，厚度不详(澄合矿区为89.90～96.70 m)。裂隙较发育，多具方解石细脉，X18钻孔漏水量为13.36 m3/h。属岩溶裂隙承压水，富水性强但不均一的含水岩组。

1.2.3 地下水的补给、径流、排泄条件

补给：井田地下水主要接受大气降水和区外侧向径流的补给，由于平均年降雨量较小，一般为554.26 mm，故依靠降水补给量较弱。

径流：区内奥灰岩溶水的径流方向，总的趋势是由北向南与奥灰水压面方向基本一致，因此径流条件较好。

排泄：部分裂隙水可通过基岩风化带和较薄的相对隔水层段以及矿区边界的导水断裂带与邻近的含水层发生水力联系，从而向南运动排泄于区外，部分则通过断裂带向下奥灰排泄。另一部分则以下降泉形式泄于地表较大的沟谷中汇流成河。

1.3 工作面主要参数

22509工作面位于井田北部，北部为实区，南侧为22507工作面的采空区。工作面采用对拉式布置，斜长184 m，推进长度1 170 m，一次采全高，全部垮落法处理采空区顶板，回采5号煤层，埋深约400 m，工作面内煤层赋存稳定，煤层倾角0°～7°，煤厚1.9～4.53 m，平均煤厚3.44 m，煤层底板最高标高270 m，最低标高236 m。平面布置如图1所示。

图1 22509工作面平面布置Fig.1 Layout of 22509 working surface

2 煤层覆岩破坏高度预计

影响覆岩破坏范围及程度的最主要因素是开采空间的大小和开采厚度，其次还与回采工艺、煤层倾角、顶板管理方式、顶板岩性等诸多因素相关。目前常用的覆岩破坏高度预计方法主要有数值模拟法、相似模拟法、类比分析法和经验公式法，其中经验公式法应用最为广泛，下面将采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中的经验公式对22509工作面的覆岩破坏高度进行预计。

根据钻孔资料揭露，22509工作面范围及邻近区域的5号煤层厚度介于1.91～4.53 m，工作面范围内平均煤厚3.44 m。

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》相关规定，当煤层单层采厚在1～3 m左右，累计厚度不大于15 m时，坚硬类型覆岩的覆岩破坏高度预计可用下列经验公式计算

式中，Hm为垮落带最大高度，m；Hli为导水裂隙带最大高度，m；∑M为累计采厚，m。

将煤层实际采厚带入上式得到22509工作面开采引起的覆岩破坏高度，垮落带发育最大发育高度约20.26 m，导水裂隙带最大发育高度约79.92 m。

3 矿井充水规律分析

充水规律分析贯穿矿井准备与开采的全过程，在准备阶段，主要根据矿床所处的自然环境及矿区水文地质条件，初步预测采后主要充水水源和通道，为矿井涌水量的预测提供依据；在开采阶段，充水规律分析可结合具体开采条件解决矿井充水水源和充水通道问题，为所采取的防治措施提供依据。下面将按照充水因素分析及工作面回采期间的涌水量预计2个方面进行矿井充水规律研究，分析22509工作面回采前后的充水因素变化规律。

3.1 覆岩含水层

由前述可知，5号煤层基岩含水层基本属于弱-中等富水，上石盒子组与石千峰组部分区域中等富水，裂隙含水层全区中等富水。22509工作面回采后，覆岩破坏高度最大为79.92 m，采动裂隙成为上覆含水层向工作面涌水的充水通道，即煤层顶板以上79.92 m范围内的含水层将向工作面直接充水，5号煤层直接顶板山西组含水层厚度44.66～49.41 m，上石盒子组地层底界距5号煤层顶板距离为73.04～86.15 m，可见工作面直接充水含水层主要是下二叠统山西组底部的K4砂岩含水层和下石盒子组K中砂岩含水层，属裂隙承压水，单位涌水量仅为0.000 102～0.004 81 L/s·m和0.001 3～0.013 2 L/s·m，均富水性弱，对采掘活动影响小，工作面上覆含水层对采掘空间的间接充水因素很弱。

3.2 底板灰岩水

22509工作面5号煤层底板为上二叠统石炭系地层，据地质资料反映，石炭系地层与奥灰含水层水位埋深相近，两者可能存在着水力联系；工作面范围内的钻孔资料表明，5号煤层距离奥陶系马家沟组辉岩承压水含水层距离最近仅为25 m，且石炭系地层缺乏稳定沉积的隔水层，属多岩性互层沉积结构，不利于抵挡高压水的侵蚀。因此，22509工作面生产期间，要对底板奥灰承压水情密切关注，并采取专门的防治水安全技术措施，通过底板加固等方式保证工作面安全回采。

3.3 工作面回采期间涌水量预计

22509工作面直接充水含水层为二叠系山西组和上石盒子组含水层段，均属顶板进水的承压含水层。井田边界无隔水层和构造的影响，下石盒子组和山西组之间存在稳定的隔水层，故直接充水含水层可抽象为无限平面的承压含水层。当矿井排水时，会形成以巷道系统为中心，具有一定范围的降压漏斗，其与钻孔抽水时形成降压漏斗的情况十分相似，故可将巷道系统抽象为一个理想的大井，运用“大井法”计算巷道系统涌水量，预计分析公式如下

代入以上参数求得的预计结果为：Q山西组=964 m3/d，Q上石盒子组=181 m3/d。因此，工作面涌水量Q=Q山西组+Q上石盒子组=1 145 m3/d，合47.7 m3/h。

所以，22509工作面回采期间，因覆岩采动破坏带来的工作面涌水量预计最大为47.7 m3/h。

4 工作面防水安全煤岩柱留设研究

留设防水安全煤岩柱是为了导水裂隙带不波及水体。防水安全煤岩柱(Hsh)的最小尺寸应当大于导水裂隙带的最大高度(Hli)加上一定厚度的保护层(Hb)，如图2所示，即

图2 防水安全煤岩柱的组成示意Fig.2 Composition of waterproof coal rock pillar

Hsh≥Hli+Hb

式中，Hsh为防水安全煤岩柱的垂高，m；Hli为导水裂隙带最大高度，m；Hb为保护层厚度，m。

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，结合22509工作面地质采矿条件，覆岩属坚硬类型，且河床下伏无稳定沉积的厚层隔水层，保护层厚度选取7倍采厚，为最大限度保证安全，采厚取工作面区域最大值4.53 m，因此，防水安全煤岩柱合理留设尺寸为111.63 m。

当工作面范围内的基岩柱垂高大于111.63 m，且在受护水体与导水裂隙带顶界之间赋存有稳定沉积的隔水岩层时，即可认为满足防水安全煤岩柱留设要求，可以实现采动裂隙不波及受护水体的目标。根据地质资料显示，22509工作面范围内基岩柱厚度介于321.40～371.77 m，远大于《规程》要求的防水安全煤岩柱最小尺寸，因而22509工作面满足县西河下5号煤层安全开采的防水安全煤岩柱留设要求。

5 工作面县西河下开采安全性分析

5.1 地表裂缝深度确定

由地质资料可知，在县西河影响范围区域埋深介于336～415 m之间，如果按照22509工作面最大采厚4.53 m计，采深采厚比约为74～91；按照最小采高2.5 m计，采深采厚比大于130。根据我国部分煤矿地表裂缝深度实测资料，地表裂缝深度基本上随着采深采厚比增大而减小，且裂缝发育在松散层。考虑到董家河煤矿地表部分区域松散层较薄，黏性土质含量低，在沟谷与河床地区有部分基岩出露，基岩属坚硬类型，且煤层埋深变化大、采深采厚比大，综合上述因素，预计该矿区在合理开采厚度条件下地表裂缝深度为15～20 m。

5.2 县西河水灌入22509工作面可能性分析

由前文分析可知，当按照最大开采厚度4.53 m进行开采时，需要留设的防水煤岩柱尺寸为111.63 m，即便在基岩厚度薄弱区域，也能满足尺寸要求。考虑到地表的张口裂缝影响，取其最大裂开深度为20 m，那么实际有效基岩柱厚度最低为301.4 m，深厚比达70，完全满足岩柱厚度要求，结合钻孔资料，在22509工作面范围内的下石盒子组顶界发育有一层稳定沉积的厚层泥岩，是良好的隔水岩层，能有效减弱采动影响，并阻止了上下含水层的水力联系，因此县西河水与22509工作面直接充水含水层无法产生水力联系。

5.3 工作面底板奥灰水威胁分析

根据邻近矿井实践证明，当巷道开拓和煤层开采水平低于奥灰区域水位+380 m高程时，均有不同程度的影响和危害。根据钻孔柱状资料，22509工作面范围内5号煤层距离奥陶系马家沟组顶界面最小距离仅为25 m，奥灰水压有可能压裂原生裂隙与底板采动裂隙沟通，奥灰水可能突破石炭系地层进入采场。因此，奥灰水是22509工作面生产期间必须加以重视的安全威胁。

6 结语

综合分析22509工作面水文地质条件，依据“大井法”对工作面生产期间的涌水量进行预计，最大涌水量47.7 m3/h；经分析计算得出22509工作面垮落带发育最大高度20.26 m，导水裂隙带发育最大高度79.92 m，防水安全煤岩柱最小高度111.63 m，由于22509工作面基岩柱厚度介于321.26～371.77 m，所以工作面上覆基岩满足开采防水安全煤岩柱尺寸要求，同时因22509工作面上覆基岩赋存有多层稳定沉积的隔水泥岩层，分析认为在正常回采情况下，县西河水不可能灌入22509工作面，但因5号煤层距离奥陶系马家沟组承压灰岩含水层距离最小仅为25 m，生产期间还需密切关注奥灰水的情况。