下霍煤矿水体下安全开采可行性研究

孙殿宇

（晋能控股煤业集团潞安煤炭事业部，山西 长治 047500）

0 引 言

煤矿浅部开采会受地表水体影响，地表河流若通过裂隙带与井下采掘工作面存在水力联系，则会给矿井安全生产造成威胁。下霍煤矿二采区综采工作面位于田良河及其支流下方，矿井开采煤层厚度大、开采强度高、覆岩破坏剧烈，田良河及其支流以及第四系松散含水层水体的存在，一定程度上对煤层开采造成充水威胁，因此生产过程中，必须查明地表水体对工作面是否有水患威胁。

1 矿井地质概况及充水因素分析

1.1 矿井概况

下霍煤矿位于长子县东南部，井田面积约为40.812 3 km2，设计生产能力为2.40 Mt/a，全井田采用单水平开拓，采用综合机械化一次采全高，全部垮落法管理顶板。

矿井目前开采3 号煤层，3 号煤层赋存于山西组下部，煤层厚度为3.68 ～6.75 m，平均为5.21 m。顶板一般为砂质泥岩、泥岩或粉砂岩；底板为泥岩、粉砂岩、砂质泥岩，局部为细粒砂岩。煤层厚度稳定，结构简单，全区可采，井田地质构造简单。

1.2 矿井充水因素分析

矿井在正常条件下开采3 号煤层，充水水源主要为煤层顶板砂岩裂隙含水层，充水通道为采动裂隙及构造破碎带，因都属弱含水层，充水量有限，正常情况下对矿井生产影响不大。矿井全区奥灰水带压开采，但3 号煤层底板隔水层厚度116.27～144.80 m，突水系数0.026 MPa/m，正常情况下发生突水的可能性小，但在地质构造破坏区，特别是在导水陷落柱或断层附近，仍有产生异常突水可能性。

2 田良河概况

下霍井田位于奥灰辛安泉域南部长治盆地水文地质单元内，区域地表水属海河流域漳河水系，漳河分清漳河和浊漳河两支。流经下霍井田的田良河为浊漳河南源的支流，发源于丹朱岭北麓，全长18 km。目前田良河主干流流经下霍煤矿2306、2307 和2308 工作面，河床宽度10～20 m，最大水深1.2 m。田良河流量稳定在2 500 ~ 4 500 m3/h，水流量较小，受大气降水影响，随季节变化较大，历史最高洪水位为+926.70 m，下游最低，侵蚀基准面为+919.30 m。地表田良河周边多为耕地，河床基底为砂砾石，地表无基岩出露。

矿井生产过程中，降水量与矿井涌水量无相关关系，降水量增减情况，矿井涌水量相对稳定。

3 综放开采覆岩破坏及导水裂隙带发育规律

为分析下霍煤矿工作面在地面田良河下安全开采的可行性，对该矿区3 号煤层顶板上覆岩层形成的“三带”发育高度（主要为垮落带和导水裂隙带） 进行研究。将3 号煤层开采顶板覆岩“三带”观测布置在2303 工作面，采用电阻率测试法进行观测。通过在工作面布置观测钻孔，采用高密度电阻率法观测不同位置不同标高的电位变化情况，通过反演技术得出钻孔控制区域的电性特征分布情况，得出客观的“三带”高度发育规律。

3.1 观测钻孔布置及参数

（1） 测试地点选取。

根据2303 工作面顶板覆岩破坏特征及工作面构造发育情况，选择煤层厚度稳定、产状变化小的区域，综合分析将观测钻孔布置在2303 工作面回风顺槽，观测钻孔开孔位置位于X22Y2 导线点前27 m 处。

（2） 钻孔参数。

工作面平均煤厚为4.9 m，按采高4.9 m 计算，根据《煤矿防治水细则》，结合本工作面煤层顶板岩性，预计垮落带最大高度约20 m（3～4 倍采高），最大裂隙带理论高度约71 m 和76 m累计采高），因此设计观测钻孔的终孔距煤层顶板最大垂高为90 m。依据施工条件，确定孔径94 mm，钻孔仰角60°，孔深124 m。

3.2 钻孔电极系统参数

实际施工的钻孔观测系统以监测孔开孔位置为坐标原点（0，0，0），垂直巷道指向顶板上方为Z轴正向，沿钻孔测线在2303 回风顺槽投影指向切眼方向为X 横正向。观测钻孔内共安装58 个电极，电极距2.2 m，孔顶为1 号电极。

3.3 “三带”高度实测

2021 年6 月29 日进行了背景值的采集，自6月29 日开始进行“三带”观测孔动态观测，至2021 年9 月11 日采集完最后一组数据，当日工作面回采到距离钻孔孔口30 m 位置（到达停采线位置），现场共采集有效电法数据11 组。

对于采集的数据首先采用仪器配套软件系统进行解编，再利用电法处理系统进行电阻率反演。根据三维电阻率数据体进行钻孔与巷道所在剖面切片，通过切片的对比进行顶板覆岩破坏发育特征分析。

选取有变化规律的图像剖面进行对比，当煤层开采时，顶板岩层受采动影响导致岩层变形与破坏，岩层变形与破坏程度越大反映出的电阻率值越高，从而根据电阻率值的高低进行顶板岩层变形与破坏的规律解释，如图1～图5 所示。

图1 探测电阻率背景值图Fig.1 Background value of detection resistivity

图1中，回采工作面距监测孔终孔投影位置216 m，以当日测得的视电阻率值作为背景值，为后续探测剖面对比提供基础。总体上，孔内观测区域岩层电阻率值在380 Ω·m 以下，为正常砂岩层的电阻率。

图2 工作面距观测孔84 m 电阻率结果Fig.2 Resistivity result with distance 84 m from working face to observation hole

图3 工作面距观测孔60 m 电阻率结果Fig.3 Resistivity result with distance 60 m from working face to observation hole

图4 工作面距观测孔40 m 电阻率结果Fig.4 Resistivity result with distance 40 m from working face to observation hole

图2表明，工作面切眼距观测孔口距离84 m，水平方向20 m 位置处电阻率值逐渐增大，表明该区域受超前支承应力应力影响，最大影响距离64 m，随着工作面的不断推进，超前影响区域的电阻率继续升高，表明裂隙继续发育。

图3表明，随着工作面回采位置推进高阻区范围和电阻率值逐渐增大，表明受采动影响，顶板上方岩体破坏明显。测线下部高阻区变得不均匀，表明受应力作用岩体结构破坏的同时，也导致其它水文地质条件的变化。

图5 工作面过孔口30 m 探测电阻率结果Fig.5 Detection resistivity result with distance 30 m from working face to observation hole

图4表明，工作面切眼距孔口距离40 m 时，整个观测剖面主要为高电阻率值分布，电阻率值显著升高到600 Ω·m 以上，电阻率值呈现明显的分带现象。且在剖面下部高阻区比较集中，表明在老空区形成一定步距后，应力集中破坏程度高，顶板近煤层岩体冒落，垮落带发育充分，顶部岩体位移量较大，裂隙区进一步发育。

图5表明，工作面推过钻孔30 m 后，高电阻率值分布广，表明该观测范围内顶板岩层破坏严重，为垮落带；巷道顶板垂高20～70 m，电阻率值变化大、分布不均匀，为裂隙带发育的反映；垂高70 m 以上，电阻率值相对最低，分布均匀，对比背景值，可得出无较大变化。

综合分析电阻率值变化特征，判断垮落带高度为工作面顶板上方0～20 m，导水裂隙带高度为工作面顶板上方20～70 m，弯曲下沉带为工作面顶板上方70 m 至地表，垮高/采厚比为4.08，裂高/采厚比为14.28。

4 综放防水煤岩柱尺寸与开采可行性

4.1 防水安全煤岩柱

本区新生界松散含水层厚度28～126 m，富水性弱—中等，基岩风化带发育较深，一般为60 m，富水性弱，属于典型的复合水体下采煤。根据“三下”采煤规范相关规定，水体下开采留设防水煤岩柱时应考虑基岩风化带深度，不允许导水裂缝带波及复合水体。

防水安全煤岩柱垂高按下式计算：

式中：Hsh为防水安全煤岩柱垂高，m；Hli为导水裂缝带高度，m；Hb为保护层厚度，m；Hfe为基岩风化带深度，取60 m。

根据上文实测成果，在正常地质条件下综采工作面的垮落带高度为20 m，导水裂隙带高度为70 m，3 号煤层平均厚度5.15 m，采厚取5.5 m，故保护层厚度为16.5 m，综上通过计算，防水煤岩柱高度为146.5 m，为安全起见取150 m 作为留设防水煤岩柱高度。

4.2 田良河下安全开采可行性评价

下霍煤矿开采正常地段导水裂隙带高度70 m，河下开采留设防水煤岩柱尺寸为150 m，田良河正河床下基岩最薄处基岩柱厚度为395 m（此处第四系厚度约126 m），在保护层上、基岩风化带下尚有185.8 m 岩柱保持原始渗透性。

通过二采区2306 工作面田良河下开采实践，该工作面河床下煤层顶板最小采深452 m，回采过程中工作面正常涌水量15～30 m3/h，水质化验结果为顶板砂岩裂隙水。因此在正常条件下，田良河水体下采用综采一次采全高、全部垮落法管理顶板是安全可行的。煤层开采不会改变矿井充水条件，地表水体不会进入井下工作面。

5 结 论

（1） 通过对下霍煤矿2303 工作面覆岩破坏现场实测、理论研究综合论证分析，下霍煤矿3 号煤层综放一次采全高开采条件下顶板导水裂缝带发育高度70 m，裂高采厚比约为14 倍。计算得出田良河水体下采煤防水安全煤岩柱高度为150 m。

（2） 结合下霍煤矿2306 工作面田良河下开采实践，工作面充水以顶板裂隙水为主，河流不会通过地表采动裂缝对井下工作面充水产生直接影响，表明在田良河下综放开采是安全可行的。