双龙煤业王村沟河下200工作面安全开采实践

2022-07-23高健铭

陕西煤炭 2022年4期

高健铭，刘瑞

(陕西陕煤黄陵矿业有限公司，陕西延安 727307)

0 引言

双龙煤业于1992年开工建设，原设计生产能力30万t/a；2011年对矿井进行技术改造，2014年通过技改竣工验收，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，生产能力提升至90万t/a；井田面积34.6307 km2，区内唯一可采煤层为侏罗统延安组2号煤层。矿井开拓方式为斜井—立井联合开拓方式，单一水平开采。矿井现有主斜井、副斜井、检修井和回风立井等4个井筒。目前井下正在回采201工作面，计划于2021年7月底回采结束，接续202工作面。

双龙煤矿地表水系发育，地表最大河流为沮河，并分布有多个支流，分别为西沟河、北沟河和王村沟河等，其中王村沟河流经规划开采的200工作面地表，200工作面开采采动影响一旦波及到王村沟河，势必会影响矿井的安全生产。因此，在200工作面回采前，需要对200工作面在王村沟河下的安全开采进行综合分析，确保采面安全回采。

1 工作面开采技术条件

1.1 地质条件

根据双龙煤业的地表出露和钻探、井巷工程揭露的情况，地层由老到新分别为上三叠统瓦窑堡组(T3w)，中侏罗统延安组(J2y)及直罗组(J2z)，下白垩统洛河组(k1l)和第四系(Q)。

双龙煤业位于黄陵矿区中南部，总体构造形态为一个开阔而平缓的不对称向斜构造，向斜轴向在矿区的中部近南北向，在矿区北部和南部为北东向，两翼地层倾角1°～5°，矿区范围内未见大型断层等构造。

1.2 水文地质条件

1.2.1 地表水

王村沟河沿200工作面推进方向流经地表，下游流至107工作面停采线上方地表，沟内常年流水，河宽约1 m，深约0.2～0.3 m，枯水期正常流量80 m3/h，丰水期雨季最大流量达到120 m3/h以上。王村沟河在200工作面地表标高为+1 030～+1 058 m，河道处于第四系黄土厚度约0～9 m。

1.2.2 含水层

按双龙煤业地下水埋藏条件及含水层性质，共划分5个含水层。

第四系河谷砂砾石孔隙潜水含水层：主要分布于沮河河谷中，由近代河流冲、洪积物组成。岩性以灰黄色含泥沙的卵砾石和亚黏土、砂质黏土为主。该含水层水位动态变化随季节而异，2、3月份水位最低，8、9月份水位最高，年变化幅度0.5 m。该层地下水补给充沛，除降水渗入外，可从河水和基岩含水层得到大量经常性的补给。

第四系黄土含水层(Q2l+3m)：全区大面积分布，一般塬区厚，山梁处薄。岩性由棕红色、灰黄色亚黏土、亚砂土组成，含大量钙质结核，具气孔构造。底部砂砾石或亚砂土含水，钙质结核及黏土层为其隔水层，总厚一般0～62.07 m，平均32.51 m，该层富水性弱。

白垩系下统洛河组砂岩孔隙裂隙含水层(K1l)：该层区内广泛分布，出露于山梁坡地一带，较大沟谷中多被侵蚀切割，总厚一般0～199.58 m，平均75.49 m。洛河组砂岩含水层在区域是一个主要含水层，该层富水性弱-中等，而在井田范围内不具备储水条件，由于被沟谷切割至底部，含水层多以泉的形式泄出地表，补给地表水。

侏罗系中统直罗组下段砂岩含水层(J2z1)：该层厚度大、分布广、沿河谷两侧出露多、易于补给，就水力性质来说，直罗组含水层在本区既为潜水，又为承压水。全段厚31.05～73.36 m，平均60.17 m。岩性以灰白、灰绿色中粗砂岩为主，夹薄层粉砂岩、细砂岩。双龙矿区主要含水层，属弱-中等富水性的含水层。

侏罗系中统延安组中部含水层(J2y中)：全区分布，由2号煤层及其老顶七里镇砂岩组成，总厚度5.32～30.10 m，该层富水性弱。顶板七里镇砂岩，岩性为灰白色、中-细粒石英砂岩为主，砂体平面分布呈条带状，树枝状，局部相变为粉砂岩，粒度南细北粗。厚度1～20.17 m，一般厚6 m左右。

1.2.3 隔水层

按双龙煤业地下水埋藏条件及隔水层性质，共划分2个隔水层。

侏罗系中统直罗组上段隔水层(J2z2)：该层在区内普遍分布，厚度0～137.26 m，平均78.73 m。岩性以紫红色、杂色泥岩、砂质泥岩、粉砂岩为主，中夹薄层中、细粒砂岩。该层厚度大，井田内分布普遍，可作为区内上下含水层的相对隔水层。

侏罗系中统延安组上部相对隔水层(J2y上)：该隔水层为“七里镇砂岩”以上延安组地层，厚26.88～115.31 m，一般厚度为60 m。岩性以深灰、灰黑色泥岩，灰色粉砂岩为主。该层厚度大，分布稳定，可为直罗组下段砂岩含水层与煤系含水层的相对隔水层。

1.3 开采条件

200工作面西侧紧邻201工作面，东侧为井田边界，边界煤柱往东为黄陵一号煤矿801、803、805、807以及809工作面，其中801、803及805工作面已经回采结束，807工作面正在回采，南侧紧邻二盘区辅助运输大巷，北侧为未开采区。200工作面开采2号煤层，煤厚1.8～3.2 m，由北往南逐渐增厚；200工作面设计走向长度1 850 m，倾向长度206 m，距201采空区留设21 m保护煤柱，距黄陵一号煤矿807采空区留设40 m保护煤柱，工作面地表标高+1 030～+1 058 m，煤层底板标高+840～+858 m，埋深约200 m；王村沟河从整个200工作面穿过。200工作面平面布置及煤层等厚线如图1所示。

图1 200工作面平面布置及煤层等厚线Fig.1 Plane layout of 200 working face and isopach line of coal seam

2 工作面“两带”高度

2018年双龙煤业分别在104、105工作面采用井下仰孔分段注水探测方法对采空区顶板裂隙带高度进行了实测，通过测定采后钻孔的分段注水漏失量，确定了采空区顶板裂隙带的发育高度。

2.1 原104工作面“两带”实测高度

原104工作面走向长1 860 m，宽235 m，地表标高+1 150～+1 200 m，煤层标高+832～+850 m，南邻103采空区，北邻105工作面；104工作面于2016年11月开始回采，至2017年12月回采结束。

2018年对104工作面采用仰孔分段注水探测方法对采空区顶板裂隙带高度进行了实测，数据显示，104工作面上覆岩层受采动影响裂隙带高度顶界约68 m，采空区覆岩采动垮落带高度约9 m，通过裂隙带高度和煤层采厚对比分析，得出104工作面裂采比为27.2。

2.2 原105工作面“两带”高度

原105工作面走向长1 220 m，宽235 m，地表标高+1 100～+1 300 m，煤层标高+836～+831 m，南邻104采空区，北邻106工作面；105工作面于2018年1月开始回采，至2018年底回采结束。

2018年对105工作面采用仰孔分段注水探测方法对采空区顶板裂隙带高度进行了实测，数据显示，105工作面上覆岩层受采动影响裂隙带高度顶界约65 m，采空区覆岩采动垮落带高度约8 m，通过裂隙带高度和煤层采厚对比分析，得出105工作面裂采比27.08。

2.3 200工作面“两带”预计高度

200工作面与104、105工作面开采条件对比见表1。200工作面采深、开采工艺、开采煤层赋存条件与104、105工作面基本一致，覆岩结构相近，200工作面覆岩地层中泥岩类岩层占基岩比例较104、105工作面更大。根据覆岩破坏高度实测规律，覆岩中泥岩类岩层占基岩比例较高有助于抑制导水裂隙带的发育。基于上述情况，依据104、105工作面的覆岩破坏实测数据，类比推导200工作面开采覆岩破坏发育高度从安全角度考虑是可行的，因此，200工作面的导水裂隙带发育高度裂采比选取28。200工作面煤层厚度1.8～3.2 m，计算得出导水裂隙带高度50.4～89.6 m，最大高度89.6 m，且位于200工作面南部区域。

表1 200工作面与104、105工作面开采条件对比Table 1 Comparison of mining conditions between 200 working face and 104、105 working face

3 安全煤岩柱留设高度

根据相关规定，王村沟河是一级水体采动防护，工作面导水裂隙带不能波及该河流水体，因此须按规定对其留设防水安全岩柱。由于河谷地区的地表河流直接赋存于第四系松散含水层上，松散含水层与地表河流间水力联系密切，互为补给源，均接受大气降水补给，因此在河谷地区可将二者视为统一水体。因此，在对王村沟河留设防水安全岩柱时，应将第四系松散含水层底界面作为地表水体底界面。由于直罗组下段含水层属于中等富水区，同样需要预留防水安全岩柱。

3.1 第四系含水层安全煤柱留设高度

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

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。

根据地质资料分析，200工作面覆岩属于中硬类型，且第四系松散层底部无黏性土层，根据《“三下”采煤规范》规定，保护层厚度选取6倍采厚。

200工作面煤厚1.8～3.2 m，为确保王村沟河流压煤安全开采，根据上述公式计算得出200工作面第四系含水层需留设的防水岩柱高度为61.2～108.8 m；200工作面内王村沟河区域第四系含水层底界至2号煤层顶板间距离为110～230 m，满足第四系含水层留设防水安全岩柱条件。因此，200工作面满足王村沟河下2号煤层按全厚开采的防水安全煤岩柱留设要求。

3.2 直罗组下段含水层安全煤柱留设高度

按照《“三下”采煤规范》的要求，对直罗组下段含水层按照留设防水煤岩柱设计，将直罗组下段含水层底界面作为防水煤柱设计的界面。令

Δ=HS-Hfs

式中，HS为直罗组下段含水层至2号煤顶板之间的距离，m；Hfs为防水安全岩柱高度，m。

因此，当Δ>0时，含水层对工作面充水影响小；当Δ<0时，含水层对工作面产生充水影响。

收集200工作面附近钻孔数据，结合安全煤柱高度公式，计算200工作面各钻孔直罗组下段含水层防水煤柱留设高度和充水影响差值见表2，并绘制直罗组下段含水层对200工作面充水影响图如图2所示。

表2 200工作面各钻孔直罗组下段含水层防水煤柱留设高度和充水影响差值Table 2 The difference between the height of the waterproof coal pillar and the effect of water filling in the lower aquifer of the Zhiluo Formation in each borehole of the 200 working face

图2 直罗组下段含水层对200工作面充水影响图Fig.2 The influence of the aquifer in the lower Zhiluo formation on the water filling of the 200 working face

根据图2分析得出，200工作面从停采线至以北500 m里程范围内不满足防水安全岩柱留设高度要求，200工作面需采取限厚开采措施；根据200工作面顶板延安组基岩段厚度计算，200工作面从停采线至以北250 m里程范围内控制最大采高为2.6 m，250 m到500 m里程范围内控制最大采高为2.5 m。

4 工作面王村沟河下开采安全性分析

4.1 地表裂缝与采动裂缝的连通性

根据地质资料显示，200工作面开采后，考虑地表裂缝和采动裂缝发育，200工作面王村沟河区域仍有约93～170 m的完整岩土层厚度，其岩层原有隔水性能未受到破坏。根据200工作面范围及周边地质钻孔柱状图可知，在河流下方、基岩地层上段均发育有稳定沉积的厚层泥岩，且导水裂隙带顶点以上层位均有单层厚度超过10 m、累计厚度超过20 m的泥岩类岩层，泥岩隔水性能良好，可以有效阻隔地表水沿采动裂缝溃入井下。

4.2 异常通道导通可能性

200工作面生产期间，应加强地质资料收集和分析总结工作，采前要论证断层构造、地质钻孔封孔等情况，对封孔不良的钻孔要重新起封，对揭露的导水构造，要分析其发育规模、富水性和连通性等特征，回采至断裂带附近时，应密切关注工作面回采期间的水情，必要时须采取注浆封堵等措施，防止异常突涌水灾害。

4.3 老空水威胁

根据200工作面布置情况以及2号煤层底板标高变化趋势分析得出，200工作面附近2号煤层底板标高总体为从西北向东南方向逐渐降低。其中，200工作面底板标高高于黄陵一号煤矿801、803、805工作面，老空水威胁较小，807工作面底板标高略高于200工作面，存在一定威胁，但200工作面与807工作面留设40 m防隔水煤柱，能有效降低807老空水对200工作面的威胁；201工作面底板标高高于200工作面，201工作面回采期间出水量较小，仍需对201工作面老空区做好封闭或疏放水工作。