天祝煤礦河下采煤安全性分析及防治水技術(shù)

黃 浩，方 剛，3，梁向陽，劉 洋

（1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安710077；2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710077；

3.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安710054）

我國西北煤炭生產(chǎn)地區(qū)內(nèi)資源量豐富，但地下開采往往會(huì)造成地表生態(tài)系統(tǒng)不同程度的損害。尤其對(duì)于有地表河流分布地區(qū)，井下采煤形成的地表塌陷、地裂縫等可能造成區(qū)內(nèi)流域的變化，影響自然環(huán)境和居民正常生活[1-2]。為此，在確保煤炭資源合理開采和礦井安全生產(chǎn)的同時(shí)，還必須兼顧生態(tài)環(huán)境和地表水資源保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展理念[3-4]。

近年來，業(yè)內(nèi)諸多學(xué)者和研究人員通過不同手段和方法、從不同角度對(duì)該類問題開展研究。王金安等[5]采用地表移動(dòng)監(jiān)測(cè)和離散元數(shù)值模擬分析開采擾動(dòng)河床地表移動(dòng)規(guī)律和地層破壞特征，提出加固提高河床強(qiáng)度、減輕采動(dòng)影響、增強(qiáng)河床整體性、防滲層預(yù)防河床損傷等“四元結(jié)構(gòu)”防滲治理方案。李常文等[6]通過相似材料模擬試驗(yàn)對(duì)淺埋煤層河下開采時(shí)導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨冗M(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)隨著采高的增加，試驗(yàn)與“三下”采煤規(guī)程計(jì)算結(jié)果相差逐漸增大，煤層需進(jìn)行采高控制實(shí)現(xiàn)河下煤層安全開采。方剛等[7]針對(duì)過溝區(qū)域開采淺埋薄基巖頂板巨厚煤層不同地段涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，確定工作面開采時(shí)地表河流和大氣降水為主要充水水源，頂板裂縫帶為主要充水通道，并提出“攔截、封堵、疏導(dǎo)”的防治方案，分采前、采中、采后3 階段完成地表過溝開采水害防治工作，同時(shí)確保地表河流正常徑流恢復(fù)。侯恩科等[8]通過相似材料物理模擬與數(shù)值模擬的方法，對(duì)覆巖破壞規(guī)律及裂隙發(fā)育特征進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)斜坡裂縫的寬度隨開挖進(jìn)行由小變大并趨于穩(wěn)定，坡腳裂縫寬度由小變大、再變小至閉合，溝底裂縫的寬度由小變大并趨于穩(wěn)定，地表裂縫演化規(guī)律與地形和地表應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。李江華等[9]以近距離煤層組開采為例，通過分析含水層與地表河流之間水力聯(lián)系和導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度計(jì)算，判斷煤層開采是否波及地表水體，并采用概率積分法計(jì)算評(píng)價(jià)地表河堤塌陷變形及防護(hù)措施。王樂杰[10]探討了覆巖破壞高度及防水安全煤巖柱尺寸留設(shè)情況，結(jié)合概率積分法對(duì)地表移動(dòng)變形進(jìn)行預(yù)計(jì)，分析了煤層開采后河床所受影響。羅利卜等[11]針對(duì)淺埋薄基巖和厚松散含水層等開采條件地表過溝區(qū)防治水工作，提出“時(shí)間+空間、優(yōu)化接續(xù)+防治水工程”的思想體系。劉貴等[12]通過地面施工“兩帶”孔進(jìn)行鉆孔沖洗液漏失量和彩色電視觀測(cè)，采用物理模擬研究各工作面留設(shè)一定寬度隔離煤柱的開采覆巖破壞過程，根據(jù)單工作面最大裂采比計(jì)算最小防水安全煤巖柱垂高。楊艷國等[13]采用理論分析和UDEC 數(shù)值模擬方法對(duì)河流下多煤層不同開采順序?qū)ι细矌r層導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育情況進(jìn)行分析，研究認(rèn)為先中間、再上部、后下部的混合順序開采相對(duì)較為合理。此外，研究人員還通過多種模擬方法，如有限元[14]、有限差分[15]、離散元[16]等軟件對(duì)地表河流、水體下開采覆巖破壞變形及裂隙發(fā)育規(guī)律進(jìn)行分析，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)[17]等方法開展相關(guān)研究。

1 研究區(qū)概況

天祝煤礦井田面積約11 km2，礦井開采上層煤和中層煤，該2 層煤相距較小，應(yīng)用綜放一次采全高采煤法統(tǒng)一開采這2 層煤，礦井核準(zhǔn)生產(chǎn)能力為1.20 Mt/a[18]。井田地表基本屬高山區(qū)地貌，地形復(fù)雜，高差較大（最大590 m），地處大陸性高寒草原氣候，地表水系較為發(fā)育，主要存在有金沙河、沙金河2 條干流，流域面積約100 km2。本區(qū)屬“祁呂賀”山字型活動(dòng)性強(qiáng)的扭動(dòng)構(gòu)造體系范圍，區(qū)內(nèi)發(fā)生過多次較大地震（最大震級(jí)8 級(jí)）。天祝煤礦為以往4 個(gè)井田整合的老礦井，周邊原有17 個(gè)小煤窯。綜上可知，該煤礦地質(zhì)、水文地質(zhì)條件等均較為復(fù)雜，礦井防治水安全生產(chǎn)過程中可能面臨一定的水害隱患[18-19]。

根據(jù)礦井接續(xù)及現(xiàn)狀，在開采三采區(qū)時(shí)，對(duì)于3200 首采工作面以及接續(xù)的3203、3202、3205、3204等工作面而言，均涉及河下采煤的問題，尤其是三采區(qū)3200 首采工作面，必須在采前對(duì)其河下采煤過程中的防治水安全性進(jìn)行分析，提出相應(yīng)水害防治對(duì)策和措施，確保工作面安全回采，研究區(qū)位置示意圖如圖1。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of study area location

2 地質(zhì)及水文地質(zhì)條件分析

2.1 地質(zhì)條件

礦井三采區(qū)與井田地質(zhì)條件基本無差異，井田范圍內(nèi)主要地層由老到新分別為前震旦系馬銜山群、震旦系中統(tǒng)、侏羅系下統(tǒng)大西溝群、侏羅系中統(tǒng)窯街組、侏羅系中統(tǒng)新河組、侏羅系上統(tǒng)苦水峽組、白堊系下統(tǒng)河口群、第四系等。其中，侏羅系中統(tǒng)窯街組為井田含煤巖系，包括頂層煤、上層煤、中層煤、底層煤共4 層煤，受地質(zhì)條件影響，礦井僅開采相對(duì)穩(wěn)定的上層煤和中層煤[18-19]。

經(jīng)前期勘查揭露情況可知，井田三采區(qū)內(nèi)大于5 m 的斷層較少，但小斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，同時(shí)，受煤田內(nèi)大型斷層構(gòu)造影響，深部區(qū)域煤層走向變化大，出現(xiàn)有較為寬緩的背向斜褶皺構(gòu)造，局部甚至出現(xiàn)小構(gòu)造盆地，無巖漿侵入。3200 首采工作面在巷道掘進(jìn)過程中未揭露斷層構(gòu)造，但據(jù)以往采掘經(jīng)驗(yàn)，井田內(nèi)小斷裂可能引起導(dǎo)水性質(zhì)變化。

2.2 水文地質(zhì)條件

2.2.1 含隔水層

井田范圍內(nèi)含水層自上而下分別為：第四系松散層孔隙潛水強(qiáng)含水層，白堊系下統(tǒng)河口群孔隙潛水弱含水層，侏羅系上統(tǒng)苦水峽組、中統(tǒng)新河組和下統(tǒng)大西溝群孔隙裂隙承壓水弱含水層，以及前震旦系馬銜山群變質(zhì)巖裂隙承壓水弱含水層等共6 層含水層。另外，在第四系與基巖接觸面位置，存在有風(fēng)氧化帶含水層，具有一定的富水性，根據(jù)勘查計(jì)算，金沙河河床附近區(qū)域的風(fēng)氧化帶厚度最大值約33.67 m。井田范圍內(nèi)隔水層共2 層，分別為侏羅系中統(tǒng)新河組下段粉砂巖相對(duì)隔水層（厚約200 m）和下統(tǒng)大西溝群上段砂泥巖交互相對(duì)隔水層（厚約40 m）等[18-19]。

2.2.2 充水通道

經(jīng)勘探取樣測(cè)試，礦井開采煤層的頂板巖石屬中等堅(jiān)硬的巖石。依據(jù)我國綜放條件計(jì)算導(dǎo)裂帶發(fā)育高度的經(jīng)驗(yàn)公式[20-21]對(duì)井田三盤區(qū)開采煤層后覆巖破壞情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，導(dǎo)水?dāng)嗔褞ьA(yù)測(cè)表見表1。

表1 導(dǎo)裂帶預(yù)測(cè)表Table 1 Water flowing fractured zone prediction table

出于安全考慮，各計(jì)算公式中取“+”號(hào)進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)，由于“三下”采煤規(guī)范公式（1）對(duì)開采煤層情況的適用性，選用中國礦業(yè)大學(xué)（北京）公式（2）和唐山煤科院公式（3）計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，取二者相對(duì)較大數(shù)值作為分析依據(jù)，即開采煤厚平均約8.65 m，導(dǎo)裂帶發(fā)育高度平均約183.02 m。由此，可繪制基巖厚度與導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨炔钪档戎稻€圖如圖2。

圖2 基巖厚度與導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨炔钪档戎稻€圖Fig.2 Contour map of height difference between bedrock thickness and water flowing fractured zone

發(fā)現(xiàn)三盤區(qū)內(nèi)大部分區(qū)域的煤層覆巖導(dǎo)水?dāng)嗔褞茨芡黄粕细不鶐r，但在3200 首采工作面南部切眼附近約300 m 范圍內(nèi)的金沙河與沙金河交匯處，基巖厚度小于預(yù)測(cè)導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨戎担?5、南19、南51 和南18 號(hào)鉆孔），屆時(shí)煤層開采形成的覆巖導(dǎo)水?dāng)嗔褞O有可能導(dǎo)通至第四系甚至地表水體，造成河水灌入礦井工作面的危險(xiǎn)。另外，根據(jù)礦井調(diào)查，井田內(nèi)存在有以往施工的封閉不良鉆孔（三采區(qū)內(nèi)有10 個(gè)，第四系與基巖地層接觸面封孔不良），其中，南15 號(hào)鉆孔位于3200 首采工作面內(nèi)，三采區(qū)其他個(gè)別接續(xù)工作面內(nèi)也存在1～2 個(gè)封閉不良鉆孔。因此，在工作面開采過程中存在第四系松散層潛水強(qiáng)含水層甚至地表河水導(dǎo)入井下的危險(xiǎn)可能。

2.2.3 充水水源

結(jié)合上述分析及礦井現(xiàn)狀，井田三采區(qū)開采時(shí)的主要充水水源為地表水、第四系松散層潛水強(qiáng)含水層、基巖風(fēng)化帶孔隙裂隙潛水含水層、侏羅系新河組砂巖裂隙承壓水弱含水層。值得注意的是，在以往開采歷史中，先期開采的+2 240 m 水平存在一定的采空區(qū)積水，以及在三采區(qū)南部的原同德煤礦存在采空區(qū)窯水，現(xiàn)開采的深部三采區(qū)屬+2 060 m 水平，且本采區(qū)地形基本為單斜構(gòu)造，目前礦井雖留設(shè)有保護(hù)煤柱，但需在采掘至靠近相應(yīng)區(qū)域前，應(yīng)采取探查防治措施，避免老（采）空積水威脅礦井安全。

2.2.4 充水強(qiáng)度

根據(jù)近5 年礦井涌水量和工作面涌水量統(tǒng)計(jì)可知，一采區(qū)正常涌水24 m3/h、最大涌水量60 m3/h，二采區(qū)正常涌水量40 m3/h、最大涌水量60 m3/h。現(xiàn)三采區(qū)已采+2 435 m 水平涌水量較穩(wěn)定，在50～65 m3/h 之間，一般雨季或豐水期水量較大，其它季節(jié)較小。礦井前期在+2 060 m 水平生產(chǎn)時(shí)的工作面涌水量在14～18 m3/h 之間，已采的+2 240 m 水平涌水量也較穩(wěn)定，在20～36 m3/h 之間。在轉(zhuǎn)入三采區(qū)生產(chǎn)后，礦井涌水量穩(wěn)定在70～80 m3/h 左右，且主要為三采區(qū)涌水量。

2.3 覆巖破壞及地表塌陷

根據(jù)礦井前期在3228 工作面回采過程中開展的地表移動(dòng)觀測(cè)情況，現(xiàn)場(chǎng)布置3 條測(cè)線，其中最遠(yuǎn)測(cè)點(diǎn)距離工作面中心線425 m，有2 條測(cè)線在金沙河河道附近，其中1 條沿新修河道、1 條沿煤層傾向。3228 工作面地表沉降觀測(cè)結(jié)果如圖3。

圖3 3228 工作面地表沉降觀測(cè)結(jié)果Fig.3 Surface subsidence observation results of No. 3228 working face

3228 工作面受周邊開采工作面影響，在回采前的地表最大沉降值約1 020 mm，回采（采厚約8.5 m）后最大沉降量約5 182 mm，并得出地表最大下沉速度為65.14 mm/d、最大隆起速度為3.96 mm/d、最大水平移動(dòng)量為-546.6 mm 和1 048.67 mm（Q3、Q12 個(gè)不同測(cè)點(diǎn)）、綜合巖石移動(dòng)角為74°、最大水平拉伸變形為33.28 mm/m，最大水平壓縮變形為9.57 mm/m、最大傾斜變形為-65.05 mm/m 和86.25 mm/m（Q2、Q42 個(gè)不同測(cè)點(diǎn)），計(jì)算可得最大沉降系數(shù)0.73。

由此，根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)3200 工作面地表變形情況可知[22-23]：在南15 號(hào)鉆孔（工作面切眼附近）和南19 號(hào)鉆孔（金沙河與沙金河交匯處）的地表沉降量最大。3200 工作面地表沉降量預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)表見表2。

表2 3200 工作面地表沉降量預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)表Table 2 Table of surface settlement prediction data of No. 3200 working face

綜上所述，三盤區(qū)開采3200 工作面及接續(xù)工作面過程中，地表河流將對(duì)井下工作面形成嚴(yán)重威脅。

2.4 工作面涌水量預(yù)測(cè)

礦井+2 060 m 水平的3200 首采工作面走向長878.5 m，傾斜長157 m，平均煤厚約8.68 m，煤層傾角平均約14°。根據(jù)前文分析，3200 工作面在0～300 m 范圍為河下采煤危險(xiǎn)區(qū)域，面臨地表河水、第四系松散層潛水強(qiáng)含水層水、頂板砂巖水等水害威脅。

根據(jù)工作面范圍及附近鉆孔資料，本文采用“大井法”[19-20]對(duì)工作面承壓水含水層涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。其計(jì)算公式如下：

式中：Qd為預(yù)測(cè)的礦井涌水量，m3/d；K 為滲透系數(shù)，m/d；H 為水柱高度，m；h 為含水層剩余水柱高度，m，h=H-Smax；Smax為最大水位降深，含水層疏干時(shí)，H≈Smax，因此h≈0；M 為含水層厚度，m；R0為引用影響半徑，m，R0=r0+R；R 為礦井排水影響半徑，m，R=10·S·K0.5；S 為水位降深，m；r0為引用半徑，m。

另外，r0=η（a+b）/4，a、b 為工作面塌陷矩形邊長，考慮74°的塌陷角，計(jì)算工作面a=217 m，b=940 m，得出b/a=0.23，查表[20]η≈1.12，由此計(jì)算得出r0=1 161 m。

根據(jù)井田以往抽水資料[18-19]，確定含水層滲透系數(shù)K=0.037 3 m/d；新河組承壓水位水平均高度（降深）S=322 m；該含水層厚度切眼附近300 m 范圍內(nèi)為19.84 m，整個(gè)工作面平均厚度為14.2 m。

將上述參數(shù)代入“大井法”計(jì)算公式，根據(jù)工作面回采步距，分階段預(yù)測(cè)工作面涌水量可知，當(dāng)回采150 m 時(shí)（初次見方），工作面正常涌水量為29 m3/h，最大涌水量為43.5 m3/h；回采300 m 時(shí)（二次見方），當(dāng)工作面正常涌水量為50 m3/h，最大涌水量為75 m3/h；當(dāng)回采878.5 m（整個(gè)工作面回采結(jié)束）時(shí)，工作面正常涌水量為60 m3/h，最大涌水量為90 m3/h。

根據(jù)礦井對(duì)三采區(qū)第四系松散層潛水的地下徑流流量預(yù)測(cè)，第四系松散層潛水流量為332 m3/h。由于3200 工作面切眼處于金沙河、沙金河交匯的三角形區(qū)域，該區(qū)域松散砂礫石層厚度大，富水性強(qiáng)，且接受河流的下滲補(bǔ)給，地下水豐富，若松散層水進(jìn)入井下，勢(shì)必造成突水災(zāi)害，且長期涌水量將在332 m3/h 以上。

3 防治水專項(xiàng)措施

3.1 限高留煤開采

根據(jù)“三下”采煤規(guī)范[21]要求，在水體下采煤時(shí)，須嚴(yán)格控制對(duì)水體的采動(dòng)影響程度，參照受開采影響水體采動(dòng)等級(jí)，天祝煤礦三采區(qū)在金沙河下采煤允許采動(dòng)等級(jí)屬I 級(jí)，為不允許導(dǎo)水?dāng)嗔褞Р暗乇硭w，因此必須留設(shè)防水煤巖柱。結(jié)合礦井實(shí)際，防水煤巖柱垂高Hsh起到保護(hù)地面水體的公式為：

式中：Hli為導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨?，m；Hb為防水煤巖柱厚度（保護(hù)層厚度），m；Hfe為風(fēng)化基巖厚度，m。

其中，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨菻li和保護(hù)層厚度Hb都與采厚呈正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)采厚降低時(shí)，防水煤巖柱的高度也隨之降低。現(xiàn)Hsh即為煤層頂板基巖實(shí)際厚度，為了確定三采區(qū)河下開采的安全采厚M0，需要確定導(dǎo)水?dāng)嗔褞ё畲蟀l(fā)育高度Hli(max)、最小保護(hù)層厚度Hb(min)、最大風(fēng)化基巖厚度Hfe(max)（33.67 m）。

由于“三下”采煤規(guī)范[21]中對(duì)綜放開采保護(hù)層留設(shè)厚度Hb暫無明確規(guī)定，考慮采煤覆巖破壞與上覆基巖關(guān)系，可運(yùn)用《煤礦防治水細(xì)則》附錄五中“突水系數(shù)計(jì)算公式”原理[24]，對(duì)比預(yù)計(jì)保護(hù)層厚度，結(jié)合防水煤巖柱不小于20 m 的要求，計(jì)算公式如下：

式中：p 為水頭壓力，MPa，按照1 MPa/hm 計(jì)算；Ts為臨界突水系數(shù)，MPa/m，按照《煤礦防治水細(xì)則》附錄五中，以隔水層無斷裂構(gòu)造破壞的地段不得大于0.1 MPa/m 考慮，取Ts=0.1 MPa/m。

根據(jù)表1，計(jì)算導(dǎo)水?dāng)嗔褞Т┻^上覆基巖的各鉆孔數(shù)據(jù)計(jì)算，則有Hb=Hsh/100/0.1=7.35～43.01 m，由于要求Hb≥20 m，剔除不符合要求數(shù)據(jù)，則Hb=26.34～53.01 m，平均約38.22 m。出于安全考慮及留取富余系數(shù)，Hb采用計(jì)算最大值取整為40 m 作為參考依據(jù)。

目前根據(jù)我國綜放開采侏羅系煤層的礦井對(duì)覆巖導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨葘?shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知[25-26]，其導(dǎo)水?dāng)嗔褞c開采煤層厚度比值（裂采比）基本在12.71～23.23 倍，平均裂采比為18.45 倍左右，出于安全考慮及留取富余系數(shù)，為此裂采比使用25 倍作為計(jì)算參考依據(jù)。

因此，結(jié)合前文所述的風(fēng)氧化帶最大厚度值，根據(jù)表1 中4 個(gè)位于河床附近鉆孔數(shù)據(jù)計(jì)算，剔除不符合要求的鉆孔數(shù)據(jù)后，即為M0≤（Hsh-40-33.67）/25=7.59～7.79 m，由此，結(jié)合安全角度考慮，最終選取M0=7 m 作為工作面限制開采高度。

經(jīng)分析計(jì)算，確定在3200 工作面切眼0～300 m范圍內(nèi)，只開采2 層煤中的下部的中層煤，上部的上層煤留頂不進(jìn)行開采，在二次見方后，恢復(fù)綜放開采7 m 厚度，以此確保工作面防治水安全生產(chǎn)。

3.2 封閉不良鉆孔治理

根據(jù)礦井調(diào)查，3200 工作面切眼附近存在1 個(gè)封閉不良鉆孔（南15 號(hào)鉆孔）。由于鉆孔位于金沙河河床附近，且上層煤頂板15 m 以上區(qū)段未封閉，溝通頂板部分含水層。在3200 工作面回采時(shí)，一旦揭露該鉆孔，勢(shì)必導(dǎo)致上覆含水層水沿著鉆孔及鉆孔周圍裂隙進(jìn)入井下，由于第四系、風(fēng)氧化帶富水性強(qiáng)及地表河流的存在，屆時(shí)突水水量將難以預(yù)計(jì)，會(huì)給礦井造成嚴(yán)重?fù)p失。因此，必須對(duì)其進(jìn)行提前探查和防治。南15 鉆孔地表孔口位置現(xiàn)為公路路基，無法實(shí)施地表啟封探查，鉆孔井下位置距3200 工作面切眼較近，考慮到孔斜造成井下位置不確定，提出采用巷探對(duì)鉆孔位置進(jìn)行揭露，而后沿原鉆孔軌跡施工探查孔，最后根據(jù)探查結(jié)果對(duì)南15 鉆孔及附近區(qū)域進(jìn)行注漿封堵。

3.3 頂板含水層疏放

根據(jù)礦井前期開采的3228 工作面采空區(qū)水量觀測(cè)數(shù)據(jù)，在回采過程中，經(jīng)歷初次見方和二次見方階段，在二次見方時(shí)的工作面涌水量為65 m3/h，之后采空區(qū)水量穩(wěn)定在22 m3/h。而3228 工作面位于山前坡地地帶，與3228 工作面相比，3200 工作面相更加靠近金沙河河漫灘，且煤層底板標(biāo)高低于3228工作面，見方位置仍然處于金沙河河床及河漫灘之下，屬于匯流區(qū)。

為了避免3200 工作面回采過程中采空區(qū)水量出現(xiàn)此類波峰波谷式變化，給工作面及礦井排水系統(tǒng)帶來沖擊，提出對(duì)3200 工作面進(jìn)行頂板含水層超前疏放的技術(shù)措施，以降低見方時(shí)水量增加幅度，達(dá)到消峰平谷的目的。根據(jù)水文地質(zhì)資料分析，煤層頂板的新河組砂巖承壓含水層為天祝煤礦中、上層煤開采時(shí)的主要充水含水層。因此，疏放的目標(biāo)層位為侏羅系新河組底部含水層。

3.4 老（采）空積水防治

礦井三采區(qū)河下采煤區(qū)域面臨的老（采）空區(qū)水害有2 類：①原同德煤礦老窯水；②本礦同一煤層上部水平工作面采空區(qū)水。目前對(duì)老（采）空區(qū)積水的防治，主要采用探查疏放和留設(shè)防水煤柱的方法。

探查疏放的方法主要為物探、鉆探手段相結(jié)合，由物探工程圈定老（采）空區(qū)水分布區(qū)域，而后采用鉆探工程進(jìn)行水體探查驗(yàn)證和疏放泄壓。留設(shè)防水煤柱的方法主要根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》[24]要求，依照防水安全煤柱留設(shè)公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：p 為實(shí)際水頭值（水壓），Pa；M 為煤層開采厚度，m；L 為煤柱留設(shè)寬度；KP為煤的抗拉強(qiáng)度，MPa；K 為安全系數(shù)，取值2～5。

1）采空區(qū)窯留設(shè)煤柱。根據(jù)礦井實(shí)際，侏羅系中統(tǒng)新河組砂巖含水層承壓水位平均高度322.07 m，即水頭壓力p 約3.22 MPa；3200 工作面煤層開采厚度取7 m。煤層抗拉強(qiáng)度KP為2.2 MPa，安全系數(shù)K取2～5 計(jì)算的煤柱寬度為14.67～36.67 m。3200 工作面布置與原同德煤礦實(shí)體煤距離約為300 m，遠(yuǎn)大于計(jì)算安全煤柱留設(shè)寬度。正常情況下采空區(qū)窯水對(duì)工作面開采無影響。

2）本礦留設(shè)煤柱。3200 工作面相鄰的3228 工作面采空區(qū)積水標(biāo)高為+2 253.4～2 267.8 m，按照3220 工作面開采最低標(biāo)高約為+2 240 m 計(jì)算，采空區(qū)積水側(cè)壓p 為0.278 MPa。其它計(jì)算參數(shù)同上，則計(jì)算出防水煤柱寬度為4.31～10.77 m。

目前，工作面之前實(shí)際留設(shè)煤柱寬度為9.85 m。由于本礦采空區(qū)范圍、積水情況等比較清楚，且之前采空區(qū)水量較小，水壓有限。因此，一般情況下煤柱寬度滿足留設(shè)要求。綜上計(jì)算分析，一般情況下，老（采）空區(qū)水均不會(huì)對(duì)3200 工作面開采造成影響，但為避免老窯越界開采、及本礦同層采空區(qū)積水增加，需要及時(shí)關(guān)注老（采）空區(qū)積水情況（水量、水位、水壓、范圍、水化學(xué)特征、有害氣體等），在必要時(shí)進(jìn)行提前探放，避免對(duì)開采工作面造成威脅。

3.5 地表河床監(jiān)測(cè)修復(fù)

在3200 工作面回采期間，需安排專人24 h 對(duì)金沙河河道進(jìn)行巡查，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)河道有斷裂漏水趨勢(shì)或現(xiàn)象，立即進(jìn)行修復(fù)保護(hù)處理。

其中，當(dāng)河道裂縫＜10 cm 時(shí)，在裂縫上游側(cè)投入2 t 塊石，再向裂縫充填3～5 cm 的卵石，填實(shí)后注入1∶0.5 水泥漿封堵。當(dāng)河道出現(xiàn)大的斷裂時(shí)（大于10 cm），在裂縫上游側(cè)投入4 t 塊石降低裂縫兩側(cè)沉降差，再向裂縫處填入10～20 cm 礫石，之后填入3～5 cm 的卵石，最后注入1∶0.5 水泥漿封堵。

同時(shí)，由于采空區(qū)塌陷沉降是個(gè)緩慢的過程，礦方需在3200 工作面采動(dòng)塌陷未穩(wěn)定之前準(zhǔn)備修復(fù)及保護(hù)措施。另外，礦區(qū)地處祁連山保護(hù)區(qū)，采動(dòng)塌陷勢(shì)必會(huì)在河道形成塌陷坑，應(yīng)制定相應(yīng)的地貌恢復(fù)和生態(tài)保護(hù)措施，盡量降低采煤對(duì)保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境的破壞。

3.6 其它防治水措施

1）加強(qiáng)井上下水文監(jiān)測(cè)。3200 工作面大部分區(qū)域的頂板平均基巖厚度約300 m 左右，且存在多層泥巖。第四系含水層水、風(fēng)氧化帶含水層水進(jìn)入井下存在一定滯后性，通過對(duì)這2 個(gè)含水層水位的觀測(cè)，可以對(duì)井下工作安全回采起到一定預(yù)警作用。礦井應(yīng)在工作面周邊布設(shè)若干水位監(jiān)測(cè)孔，安裝自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器，實(shí)現(xiàn)對(duì)潛水含水層水位、水壓等信息的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。在煤層開采過程中，通過井上下各含水層水觀測(cè)，還應(yīng)注意分析判斷第四系、風(fēng)氧化帶、侏羅系新河組、窯街組等含水層之間的水力聯(lián)系。

2）保障工作面排水系統(tǒng)。由于3200 工作面切眼以北0～300 m 范圍屬于河下開采的危險(xiǎn)區(qū)域，為保證工作面安全回采，在開展上述防治水工作的基礎(chǔ)上，還必須保證工作面具備充足的排水能力和預(yù)防水害的措施。結(jié)合3200 工作面正常涌水量60 m3/h，最大涌水量90 m3/h 的預(yù)測(cè)結(jié)果，按照規(guī)程規(guī)范[24,27]要求，3200 工作面的防排水系統(tǒng)回采前必須達(dá)到：工作面排水能力不小于108 m3/h；水溝開挖過水能力不小于108 m3/h；同時(shí)，在3200 工作面配備100 m3/h 的潛水泵4 臺(tái)，2 用2 備，敷設(shè)2 趟φ108 mm鋼管。其中0～200 m 段主要以潛水泵排水，200～350 m 段主要通過+2 240 m 水平泄水巷排水，潛水泵輔助排水；過背斜段下山開采段，修筑400 mm×400 mm 水溝，通過水溝自流排水。

4 結(jié) 論

1）煤層上覆的地表河水、第四系松散層水、風(fēng)氧化帶水、侏羅系新河組砂巖裂隙水為礦井工作面開采時(shí)的主要充水水源，覆巖導(dǎo)水?dāng)嗔褞?、封閉不良鉆孔為主要充水通道。

2）礦井3200 工作面切眼0～300 范圍附近在開采過程中受其地表金沙河水的威脅嚴(yán)重。

3）根據(jù)規(guī)程規(guī)范要求，對(duì)3200 工作面開采過程前后，提出限高留煤、封閉不良鉆孔治理、頂板含水層疏放、老（采）空區(qū)積水防治、地表河床監(jiān)測(cè)修復(fù)、加強(qiáng)井上下含水層水文監(jiān)測(cè)、保障工作面排水系統(tǒng)等防治水保護(hù)措施。