东峡煤矿南汭河防隔水煤（岩）柱设计方案浅析

樊宝辉

（兰州煤矿设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730000）

1 概况

东峡煤矿位于华亭煤田东南部，行政区划属于甘肃省华亭市东华镇管辖，其范围东以煤6-2 层露头及南川乡矿井深部最低境界为界，西南部以华信煤业及黄庄煤矿深部境界+950 m标高为界，北以矿权边界为界。矿井南北长2.66 km，东西宽0.97 km，面积2.691 km2。

该矿矿区内地形比较复杂，沟壑纵横交错，冲沟比较发育，表土层一般为黄土层所覆盖，东峡煤矿海拔1 530～1 401 m，总的地势是西北比较低，东南部比较高一点[1]。

矿区长年性河流有南、北汭河，南汭河由西向东从矿井北部边界东峡口与北汭河汇合至泾川流入泾河。井田附近实测南汭水河流量正常0.15～1.17 m3∕s，平均0.66 m3∕s，最大流速1.7 m∕s，流量随季节变化较大，汛期有泛滥之势，洪水位线（最高水位）为+1 407 m。

东峡煤矿井田北部发育的常年性河流南汭水河自西北向东南流经该井田，东峡煤矿主采煤6-2下层主要分布标高+1 400～700 m，煤层最低标高700 m，当地侵蚀面最低标高位于井田北部南汭河河床处，其标高为+1 413.96 m，对应煤6-2 下层底板等高线标高为+1 185.37 m，垂深228.59 m。在开采井田北部边界煤层时，导水裂缝带高度可能到达地表，给矿井开采带来安全隐患。针对以上隐患，项目组进行了南汭河防隔水煤（岩）柱的设计，为矿井的安全生产提供了有力的依据。

2 井田水文地质条件概述

根据水力特征、含水类型，井田内岩层可划分为含水层5个和隔水层3个。

（1）5个含水层

含水层1主要分布在矿区内、外，是含煤地层的基底沉积部分，含水层1与含水层2之间没有隔水层相隔，2个含水层的水力密联，含水层1由含砾砂岩、砂岩等组成，据东峡煤矿ZK902号孔全孔抽水资料：单位出水量0.001 8 L∕s·m，渗透参数0.000 49 m∕d，属极弱含水层[2]。

含水层2由砂砾岩、砂岩等组成，含水层厚度平均值为24.72 m，属于复合型含水层，具较高承压水头。根据东峡煤矿2801号钻孔资料，侏罗系以上地层抽水试验单位出水量0.000 96～0.001 83 L∕s·m，含水层的富水性及渗透性随埋藏深度增加而减弱，为极弱含水层。

含水层3厚3.57～106.30 m，平均39.07 m，为一复合含水层，由细砂岩-粗砂岩组成。据东峡煤矿ZK902 号孔煤层顶板以上孔段抽水资料：单位出水量0.001 6 L∕s·m，渗透参数0.000 80 m∕d，属于极弱含水层。

含水层4 岩性为新近系褐红色细-粗砂岩及白垩系灰绿色细-粗砂岩、含砾粗砂岩，含水层总厚度180 m 左右，据东峡煤矿ZK902 号孔煤层顶板以上孔段抽水资料：单位出水量0.001 6 L∕s·m，渗透参数0.000 80 m∕d；据东峡煤矿2801号钻孔该段含水层抽水资料：单位出水量0.001 L∕s·m，渗透参数0.002 27 m∕d，含水层4为极弱含水层[3]。

含水层5 分布于北汭水河河漫滩之中，含水层由砂砾卵石层组成，渗透性较好。据北汭水河漫滩部位水2号孔抽水资料：含水层厚3.53 m，渗透参数148.85 m∕d，单位出水量0.779 1 L∕s·m，在降深2.227 m 时，出水量6.25 m3∕h，富水性弱，含水层5 受大气降水补给，以地下径流及泉眼形式排泄，最终在南、北汭水河汇流之处排入汭河内。

（2）3个隔水层

隔水层1由泥岩、炭质泥岩等组成，分布范围较广。

隔水层2 在全井田大部分范围内有分布，向斜中心部位变厚，岩性主要由泥岩、粉砂岩组成，虽在各组的底部有较粗粒的砂岩、砂砾岩、但并不影响整体隔水性能，胶结程度较好，较坚硬，孔隙、裂隙均不发育，隔水性能较好[4]。

隔水层3由泥岩组成，为井田主要隔水层。

3 地下水、地表水与大气降水之间的关系

井田北部所发育的南汭水河为一常年性河流。此次收集了安口水文站1975—2016 年共42 年径流资料，另外通过分析1956—1974 年的资料，形成61年的系列资料，根据比拟法确定安口水文站控制断面多年平均径流量为3 344万m3∕a。

地下水动态变化较大者是潜水，据以往观测成果，潜水年变化在0.51～1.78 m，地下水水位最低是在5、6月份，最高是9、10月份，比雨季滞后2个月左右，各承压含水层年水位变化幅度较小。

从地下水的补给情况看，含水层5 受地表水的补给，由于含水层厚度薄，补给量有限；含水层2 和含水层3距地表距离大，主要接受上、下基岩裂隙水补给，由于裂隙不甚发育，补给条件差。

含水层5 主要以地下隐伏或泉的形式排泄；含水层2、含水层3 承压水主要以矿井开采的方式排泄；含水层1主要以隐伏或泉的形式排泄。

4 防隔水煤（岩）柱设计方案

南汭河在流经东峡煤矿东北部边界煤系地层及T3yn 地层时，流水可能顺裂隙补给各含水层，在开采井田北部边界煤6-2 下层时，形成的导水裂缝带高度可能到达地表，给矿井开采带来安全隐患，因此，方案针对开采煤6-2 下层时对地表河流的影响进行设计。

4.1 导水裂缝带高度的计算及结果分析

井田北部主要覆存煤6-2下层，煤层倾角26°～42°，顶板为中硬岩层。工作面采用大倾角走向长壁倾斜分层综合机械化放顶煤采煤法，全部垮落法管理顶板。

此次分析垮落带最大高度[5]采用式（1）计算：

式中：Hk—垮落带最大高度，m；M—采厚，m。

此次分析导水裂缝带最大高度[6]采用式（2）计算：

式中：Hli—导水裂缝带最大高度，m；M—采厚，m。

垮落带、导水裂缝带估算结果[7]见表1。

表1 导水裂缝带估算表

由表1可知，在102钻孔处，导水裂缝带最大高度为201.32 m，煤6-2 下层顶板距第四系含水层距离194.0 m，导水裂缝带能够到达第四系含水层并导通河流。由于岩层透水能力增强，南汭水河中的水就渗漏到井下，使矿井涌水量增加。如果涌水量较大，矿井排水能力不足，就可能湮没矿井。

在103钻孔处，导水裂缝带最大高度为248.46 m，煤6-2 下层顶板距第四系含水层距离438.26 m，导水裂缝带穿过第3 含水层。第3 含水层为弱含水层，补给条件差、富水性弱，对矿井充水影响不大。在此区域，导水裂缝带未能到达第4系含水层，故松散含水层和地表水体中的水，都不能渗透到井下。

在ZK902钻孔处，Hli为260.92 m；在ZK901钻孔处，Hli为255.52 m，煤6-2下层顶板距离第四系含水层距离543.2～607.35 m 深，导水裂缝带穿过第3 含水层，到达第4含水层[8]。由于第3、4含水层均为弱含水层，补给条件差、富水性弱，并且第2 隔水层为泥岩或者是炭质泥岩，遇水膨胀，对滴、淋水均有阻隔的作用，含水层水对矿井充水影响不大。ZK902钻孔处开采较深，水体在覆岩弯曲带的上部，水体的底部有较厚的弯曲带岩层。这种条件下的开采，对地表水体或松散含水层水体无明显影响，弯曲带内岩层虽然可能存在伸张裂缝或离层，但这些裂缝一般互不贯通，弯曲带岩层渗透水的能力开采前后变化很小，基本上是原来的状况。

综上所述，在井田内东北角汭河河谷原石咀煤矿一带，所计算的导水裂缝带能够到达第4系含水层，在这一带开采时，必须留设防水的安全煤（岩）柱。

4.2 防水安全煤（岩）柱设计

在井田内东北角汭河河谷原石咀煤矿一带，所计算的导水裂缝带能够到达第四系含水层导通河流，在这一带水体采动等级为Ⅰ级。在这一带开采时，必须严格按照相关规范留设防水安全煤（岩）柱。即在103 钻孔沿着南汭水河向东，必须留设防水安全煤（岩）柱。

（1）防水安全煤（岩）柱垂高[9]计算

井田内东北角汭河河谷原石咀煤矿一带，即103钻孔沿着南汭水河向东区域，由于采深较小，因此，Hsh按式（3）计算：

Hb按煤厚的3倍考虑。

经计算，井田内东北角汭河河谷原石咀煤矿一带，102钻孔处，Hsh为270.6 m。

井田内103钻孔处，Hsh按式（4）计算：

Hb按煤厚的3倍考虑。

经计算，井田内103钻孔处，Hsh为344.73 m。

综合上述计算结果分析，结合水文地质剖面图，从安全角度考虑，在井田内东北角汭河河谷原石咀煤矿一带，Hb取96 m，Hsh取345 m，从安全角度出发，同时结合矿井开采现状，设计确定矿井煤6-2下层安全煤柱最低标高取+1 000 m 标高，即确定的合理的开采上限约为+1 000 m[12]。

（2）水平方向防水安全煤（岩）柱计算

依据地质资料及设计规范要求，设计选择的技术参数如下：

松散层的移动角：ψ＝45°；

岩层的裂缝角：移动角为65°，设计考虑重复采动等对裂缝角的影响，设计选取裂缝角为60°。

由于南汭河河堤是参照50 年一遇的防洪标准留设的，近些年最高洪水位线未超过河堤高度，本次河流防护宽度以河堤宽度为准进行防隔水煤（岩）柱设计。

河流围护带取20 m。

经计算，考虑到南汭水河河床较钻孔位置低，故综合考虑在102 钻孔区域，南汭水河北岸至井田边界均留作防水安全煤（岩）柱，南汭水河南岸向井田南部防水安全煤（岩）柱留设尺寸不小于150 m。

4.3 地表河流保护煤柱设计

井下开采会引起一定的地表沉降，从而开采区域内河流由于地表沉降与未开采区域造成高差，河流会不顺畅，容易造成河水四处蔓延，从而造成地面设施的不安全，需要对河流进行保护。

井田内由南汭河防隔水煤柱下部边界+1 000 m标高处沿着南汭水河向西，所计算的导水裂缝带高度虽未到达地表水体，但由于南汭水河这一带煤6-2下层厚度较厚，在20.76～36.05 m，若不留设河流保护煤柱，在开采之后使得该地塌陷，进而导致河流的河堤下沉，破坏河流的水系，故需留设保护河流煤柱。根据地表沉降分析，本次按照经验留设150 m煤柱。同时，根据矿井采掘工程平面图，距离保护河流煤柱80 m范围之内布置有3条下山巷道，各工作面停采线距离胶带下山约80 m范围之内，均不进行开采。由此累加计算，相当于距离南汭河河堤310 m 范围之内是不进行开采的，可以有效防范由地面塌陷进而导致河流河堤下沉的问题。

4.4 地表河流保护煤柱量

根据前面的计算，在102钻孔区域，南汭水河北岸至井田边界均留作防水安全煤（岩）柱，南汭水河南岸向井田南部防水安全煤（岩）柱留设尺寸不小于150 m；井田内南汭河防隔水煤柱下部边界+1 000 m标高处沿着南汭水河向西，南汭水河北岸至井田边界均留作河流保护煤柱，南汭水河南岸向井田南部保护河流煤柱留设尺寸150 m。

综合上述数据，依据煤6-2下层储量估算图，计算得地表河流防治煤柱量为1 223.22万t。

4.5 河堤移动观测站

井田内由南汭河防隔水煤柱下部边界+1 000 m标高处沿着南汭水河向西，南汭水河北岸至井田边界均留作河流保护煤柱，南汭水河南岸向井田留设南部保护河流煤柱150 m。为了观测开采煤6-2 下层对南汭河的影响，本次设计方案在河流堤岸建立地表移动变形观测站，通过地表移动与变形监测研究地下开采导致的地表变形规律，以便及时了解设计区域开采时地表变形的第一手资料，及时了解工作面开采时地表变形特征参数，测站设置时需要充分考虑开采的影响范围。通过观测取得开采沉陷对南汭水河的影响规律，必要时可根据井下开采的具体情况进行保护河流煤柱尺寸的调整，然后再进行开采。

5 结语

此次设计方案按照经验公式计算了导水裂缝带最大高度，计算分析得出的防隔水煤（岩）柱的留设尺寸是可行的。在井田内东北角汭河河谷原石咀煤矿一带，所计算的导水裂缝带高度能够到达地表河流，给矿井开采带来安全隐患，为了保证安全生产，严格按照相关规范留设防隔水安全煤（岩）柱是非常必要的。同时，为了有效防范由地面塌陷进而导致河流河堤下沉的问题，此次按照经验留设了150 m 的煤柱，并在河流堤岸建立了地表移动变形观测站。

综上所述，为南汭水河留设防隔水煤（岩）柱是可行的，也是很有必要的，矿方在实际生产过程中必须严格按照设计的河流防治煤柱尺寸进行留设，以保证安全生产。