神府礦區(qū)徑流條件下淺埋煤層開采防治水技術(shù)分析

楊磊

摘要：神府煤田煤炭資源豐富，煤質(zhì)優(yōu)良，埋藏淺，薄基巖，構(gòu)造簡(jiǎn)單，但是近年來(lái)防治水問(wèn)題成了神府東勝礦區(qū)的主要難題。文中以陜煤集團(tuán)紅柳林礦區(qū)為例，通過(guò)大量資料分析提出了采動(dòng)溝谷水害類型分區(qū)，并針對(duì)不同類型提出了不同的地面、井下綜合治理方法。

關(guān)鍵詞：地面徑流；淺埋煤層；防治水技術(shù)

0、引言

陜北侏羅紀(jì)煤田處于毛烏素沙地與黃土高原的接壤地帶，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，煤層埋藏淺、基巖薄，煤層開采厚度4-10m，煤礦開采必然會(huì)造成地表水、地下水滲漏，土地沙漠化、水土流失嚴(yán)重，對(duì)生態(tài)環(huán)境影響大，而且易破壞，難恢復(fù)。針對(duì)陜北、內(nèi)蒙的地理環(huán)境和煤礦開采易引發(fā)生態(tài)環(huán)境破壞的工程地質(zhì)水文地質(zhì)條件，生態(tài)環(huán)境保護(hù)、保水采煤[1-2]和煤炭資源安全開發(fā)利用都是非常重要的，在煤炭開采過(guò)程中尋求合理采煤措施成為該地區(qū)煤礦開采的必然選擇。

1、地面徑流條件下開采存在的問(wèn)題

研究區(qū)—神南礦區(qū)位于陜北神府礦區(qū)南部，由紅柳林、張家峁、檸條塔三大井田組成，西部為波狀沙丘地，東部為黃土梁峁溝谷地貌，區(qū)內(nèi)黃土在中西部形成“人”字形壟狀，分別構(gòu)成了以考考烏素溝、蘆草溝、巴兔明溝、長(zhǎng)毛溝及常家溝水庫(kù)為匯水單元的低洼位置。在區(qū)內(nèi)各大支溝的上游邊界和溝壑區(qū)易發(fā)生水土流失，在這些區(qū)域，地形坡度一般大于15°，地形破碎、沖溝發(fā)育，暴雨產(chǎn)生急劇的地表徑流，形成巨大的沖刷力，強(qiáng)烈侵蝕表層土壤，形成大量的水土流失。在陜北地區(qū)，河流周邊一般都有村莊存在，煤礦開采后如果不采取措施，在淺埋條件下必然會(huì)造成地表水和地下水滲漏，這樣依存這條河流的土地和村莊就無(wú)法生存了，同時(shí)地表洪水地下水也威脅著礦山的安全開采。

2、采動(dòng)后工作面水害類型分析

礦井采動(dòng)后，在工作面后方將形成大范圍未支護(hù)的空間，當(dāng)懸頂距達(dá)到直接頂?shù)臉O限跨落距時(shí)，直接頂發(fā)生冒落，自由空間被冒落的破碎巖石充填，煤層頂板以上依次形成冒落帶、裂隙帶和整體下沉帶（圖2.1）。

冒落帶特點(diǎn)是巖石呈不規(guī)則塊狀，散體結(jié)構(gòu)，空隙大，根據(jù)鄰近礦區(qū)的經(jīng)驗(yàn)，冒落帶發(fā)育高度約為3-6倍的煤層采高。裂隙帶的特點(diǎn)是，巖層不連續(xù)，豎向裂隙發(fā)育，滲透系數(shù)大，如裂隙帶與含水層導(dǎo)通，則含水層中的水會(huì)沿裂隙灌入礦井，形成潰水潰沙事故，增加礦井的排水費(fèi)用，嚴(yán)重的威脅礦井的安全生產(chǎn)。整體下沉帶內(nèi)的巖層結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變或只有少許的裂隙，不能構(gòu)成貫通的導(dǎo)水通道。彎曲下沉帶上方地表一般都出現(xiàn)下沉盆地，盆地邊緣往往出現(xiàn)張裂隙，但寬度向下變小，至一定深度即閉合，如整體下沉帶內(nèi)發(fā)育有連續(xù)的隔水層，對(duì)保護(hù)上部含水層水是有利的。故彎曲下沉帶具有隔水保護(hù)層的作用。

圖2.1 煤層開采三帶示意圖

一般情況下，裂隙帶的空間發(fā)育形態(tài)應(yīng)為馬鞍形。在切眼后側(cè)和工作面前方，即鞍部?jī)梢?，為拉?yīng)力區(qū)，將發(fā)育有豎向超前裂隙，這些裂隙在工作面推進(jìn)過(guò)程中不易閉合，連通性強(qiáng)，發(fā)育高度大，往往形成貫通的導(dǎo)水通道，如圖所示，采空區(qū)煤幫上方和切眼上方為優(yōu)勢(shì)滲流面，是工作面安全生產(chǎn)中的薄弱環(huán)節(jié)。隨著工作面遠(yuǎn)離切眼，開切眼附近采動(dòng)覆巖裂隙導(dǎo)水能力逐漸減小，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，且滲透能力只是初始滲透能力的幾分之一。即在煤層開采工程中，只要開切眼側(cè)在工作面開采初始階段沒(méi)有發(fā)生頂板水資源流失，那么在以后的開采過(guò)程中，開切眼一側(cè)發(fā)生水資源流失的可能性更小。因此當(dāng)工作面的布置與地面水體或燒變巖在水平方向上比較接近時(shí)，應(yīng)留設(shè)足夠的側(cè)向防水煤柱，以防超前裂隙導(dǎo)通地面水體或燒變巖，發(fā)生潰水潰沙的事故。

根據(jù)以往研究可知：在工作面推進(jìn)的過(guò)程中，如地表為梁峁地貌，地表裂縫開度往往呈先增大后減小的趨勢(shì)。裂隙在工作面前端拉伸區(qū)發(fā)育，開度增大（a），向下隨深度逐漸尖滅；隨著開采的推進(jìn)，當(dāng)拉伸區(qū)推過(guò)裂隙后，裂隙進(jìn)入壓縮區(qū)，裂隙開度漸漸減小，趨于閉合（b），說(shuō)明在煤層開采過(guò)程中，采動(dòng)對(duì)地表裂隙的影響是多方面的。

煤炭開采對(duì)覆巖產(chǎn)生不同程度的破壞，也對(duì)水資源產(chǎn)生不同程度的影響。通過(guò)我們大量的試驗(yàn)研究紅柳林煤礦南翼肯鐵令溝區(qū)域?qū)严稁Оl(fā)育高度、冒落帶高度、上覆基巖厚度、砂層厚度、松散層厚度、土層厚度對(duì)覆巖破壞影響因素，并結(jié)合防水防砂安全煤柱保護(hù)層厚度，將采動(dòng)溝谷徑流水害劃分為四類：突水潰砂型、突水型、滲漏型、保水型。

突水潰砂型：當(dāng)預(yù)測(cè)的冒落帶導(dǎo)通地表，或者冒落帶以上殘余巖土層厚度小于防砂安全煤巖柱保護(hù)層厚度，地表水、地下水以及上覆砂層一起潰入井下。

突水型：當(dāng)預(yù)測(cè)的導(dǎo)水裂隙帶高度溝通地表，或者導(dǎo)水裂隙帶以上殘余巖土層厚度小于防水安全煤巖柱保護(hù)層厚度，地表水部分漏失，地下水潰入井下，對(duì)井下產(chǎn)生突水水害。

滲漏型：預(yù)測(cè)的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育到隔水土層但未完全導(dǎo)穿，隔水土層尚有一定的有效隔水厚度，少量地表水漏失，地下水滲入井下。

保水型：導(dǎo)水裂隙帶高度加防水安全煤巖柱厚度小于基巖厚度，地下水基本不受影響，短時(shí)間內(nèi)可以恢復(fù)。

3、水害防治技術(shù)研究

21世紀(jì)以來(lái)，由中國(guó)礦業(yè)大學(xué)錢鳴高院士帶領(lǐng)的科學(xué)團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)重要理論——“綠色開采”理論[3]，內(nèi)涵是努力遵循循環(huán)經(jīng)濟(jì)中綠色工業(yè)的原則，形成一種與環(huán)境協(xié)調(diào)一致的，努力實(shí)現(xiàn)“低開采、高利用、低排放”的開采技術(shù)。2006年，錢鳴高院士又提出了“科學(xué)采礦”理論[4]，該理論是指實(shí)現(xiàn)既能最大限度地高效采出煤炭資源而又保證安全和保護(hù)環(huán)境的開采技術(shù)。

礦井開采防治水工作是十分重要的，發(fā)生突水事故對(duì)于礦工生命安全和礦井財(cái)產(chǎn)安全的危害是極其巨大的，近幾年如駱駝山、王家?guī)X等突水事故都造成了極大的損失。因此，國(guó)家出臺(tái)了《煤礦防治水規(guī)定》，各個(gè)企業(yè)也出臺(tái)了相應(yīng)的各類規(guī)章制度來(lái)杜絕水害。我們不僅僅是要加大投入開展防治水工作，針對(duì)不同的水害類型，更需要采取合理的治理方法，在煤炭形勢(shì)不好的情況下把防治水工作做好，用較小的成本活的最優(yōu)的效果。下面根據(jù)研究區(qū)的水害類型提出相應(yīng)的治理方法。

3.1地表水水害防治工程技術(shù)

（1）治山治坡：在山上植樹造林。

（2）在研究礦區(qū)，可在溝谷周圍構(gòu)筑防洪圈，防洪圈由防洪堤、截水溝、排洪道組成。

（3）對(duì)礦區(qū)內(nèi)的河流、溝壑的治理，可根據(jù)具體情況，采用改道、裁彎、分流、浚深、拓寬、筑堤、鋪底以及修渡槽等措施。

（4）對(duì)小窯塌陷坑、巖溶漏斗仍采用填、堵、圍、排等辦法。

（5）地勢(shì)低洼的地方，可采取挖排水溝排水的方法（爭(zhēng)取自流排水，無(wú)自流排水條件的應(yīng)設(shè)泵站排水）

3.2 井下水害防治技術(shù)

一個(gè)采區(qū)、平面或巷道的具體工程，要具體了解開掘空間上覆含水層厚度及空間的變化，并了解隔水層巖性組合情況，主采煤層上覆砂層含水層的富水性及水量、水位情況。

在對(duì)煤層上覆含（隔）水層特征了解清楚的情況下，要按照《煤礦防治水規(guī)定》的規(guī)定留設(shè)防水煤巖柱，以預(yù)防雨季沖溝洪水潰入井下。應(yīng)適當(dāng)增加排水能力，在突水可控的情況下，最大限度的實(shí)現(xiàn)盡快排水?？刹扇》謪^(qū)隔離措施，分區(qū)設(shè)立水閘門。適當(dāng)縮短工作面長(zhǎng)度，改變開采方法，仰采掘進(jìn)。

加強(qiáng)水文動(dòng)態(tài)觀測(cè)，搞好水文情報(bào)。大量的突水事故表明，一些較大的突水事故，不僅是有條件的，而且突水前是有一定征兆的。只要認(rèn)真觀察認(rèn)識(shí)這些條件和征兆，就能夠?qū)δ芊癜l(fā)生突水以及發(fā)展趨勢(shì)做出分析和判斷，就能采取措施預(yù)防水害發(fā)生或防止災(zāi)情擴(kuò)大。

3.3工作面總體防治水技術(shù)思路

以工作面為單元，在研究工作面走向水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件變化后（含過(guò)溝谷段地表徑流水影響），按不同涌水條件和類型部位，預(yù)計(jì)涌水量值大??；然后按照研究的對(duì)應(yīng)防治水技術(shù)措施，有針對(duì)性的提出對(duì)工作面不同部位防治頂板砂巖水、松散層水、過(guò)溝谷段地表徑流水配套技術(shù)措施及所需工程。

4、結(jié)論

經(jīng)過(guò)對(duì)研究區(qū)15206工作面采取上述的防治水工程，工作面安全回采。溝道治理后，多回采煤炭資源45.15萬(wàn)噸，按照70元/t 的利潤(rùn)計(jì)算，可以增加企業(yè)利潤(rùn)約3160萬(wàn)元，而溝道治理費(fèi)用為218萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益明顯。神府礦區(qū)很多區(qū)域都存在這樣的地質(zhì)條件，這項(xiàng)研究技術(shù)均可以推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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