天祝煤礦河下采煤動壓沉陷影響因素分析

天祝煤礦河下采煤動壓沉陷影響因素分析

中國西北的煤炭生產地區(qū)資源豐富，但地下開采往往會對生態(tài)系統的不同程度造成損害。尤其對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)內流域的變化，影響自然環(huán)境和居民正常生活近年來，業(yè)內諸多學者和研究人員通過不同手段和方法、從不同角度對該類問題開展研究。王金安等1研究區(qū)工作面位置天祝煤礦井田面積約11km根據礦井接續(xù)及現狀，在開采三采區(qū)時，對于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，必須在采前對其河下采煤過程中的防治水安全性進行分析，提出相應水害防治對策和措施，確保工作面安全回采，研究區(qū)位置示意圖如圖1。2地質條件分析2.1上統苦水壩系礦井三采區(qū)與井田地質條件基本無差異，井田范圍內主要地層由老到新分別為前震旦系馬銜山群、震旦系中統、侏羅系下統大西溝群、侏羅系中統窯街組、侏羅系中統新河組、侏羅系上統苦水峽組、白堊系下統河口群、第四系等。其中，侏羅系中統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，受地質條件影響，礦井僅開采相對穩(wěn)定的上層煤和中層煤經前期勘查揭露情況可知，井田三采區(qū)內大于5m的斷層較少，但小斷裂構造較為發(fā)育，同時，受煤田內大型斷層構造影響，深部區(qū)域煤層走向變化大，出現有較為寬緩的背向斜褶皺構造，局部甚至出現小構造盆地，無巖漿侵入。3200首采工作面在巷道掘進過程中未揭露斷層構造，但據以往采掘經驗，井田內小斷裂可能引起導水性質變化。2.2條件水條件2.2.1含水層與含水層井田范圍內含水層自上而下分別為：第四系松散層孔隙潛水強含水層，白堊系下統河口群孔隙潛水弱含水層，侏羅系上統苦水峽組、中統新河組和下統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，存在有風氧化帶含水層，具有一定的富水性，根據勘查計算，金沙河河床附近區(qū)域的風氧化帶厚度最大值約33.67m。井田范圍內隔水層共2層，分別為侏羅系中統新河組下段粉砂巖相對隔水層（厚約200m）和下統大西溝群上段砂泥巖交互相對隔水層（厚約40m）等2.2.2覆巖導水斷裂帶高度預測經勘探取樣測試，礦井開采煤層的頂板巖石屬中等堅硬的巖石。依據我國綜放條件計算導裂帶發(fā)育高度的經驗公式出于安全考慮，各計算公式中取“+”號進行計算，同時，由于“三下”采煤規(guī)范公式（1）對開采煤層情況的適用性，選用中國礦業(yè)大學（北京）公式（2）和唐山煤科院公式（3）計算結果進行比較，取二者相對較大數值作為分析依據，即開采煤厚平均約8.65m，導裂帶發(fā)育高度平均約183.02m。由此，可繪制基巖厚度與導水斷裂帶高度差值等值線圖如圖2。發(fā)現三盤區(qū)內大部分區(qū)域的煤層覆巖導水斷裂帶未能突破上覆基巖，但在3200首采工作面南部切眼附近約300m范圍內的金沙河與沙金河交匯處，基巖厚度小于預測導水斷裂帶高度值（南15、南19、南51和南18號鉆孔），屆時煤層開采形成的覆巖導水斷裂帶極有可能導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。另外，根據礦井調查，井田內存在有以往施工的封閉不良鉆孔（三采區(qū)內有10個，第四系與基巖地層接觸面封孔不良），其中，南15號鉆孔位于3200首采工作面內，三采區(qū)其他個別接續(xù)工作面內也存在1～2個封閉不良鉆孔。因此，在工作面開采過程中存在第四系松散層潛水強含水層甚至地表河水導入井下的危險可能。2.2.3砂巖裂隙承壓水層結合上述分析及礦井現狀，井田三采區(qū)開采時的主要充水水源為地表水、第四系松散層潛水強含水層、基巖風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+2240m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，現開采的深部三采區(qū)屬+2060m水平，且本采區(qū)地形基本為單斜構造，目前礦井雖留設有保護煤柱，但需在采掘至靠近相應區(qū)域前，應采取探查防治措施，避免老（采）空積水威脅礦井安全。2.2.4充水強度根據近5年礦井涌水量和工作面涌水量統計可知，一采區(qū)正常涌水24m2.3地表沉降觀測結果根據礦井前期在3228工作面回采過程中開展的地表移動觀測情況，現場布置3條測線，其中最遠測點距離工作面中心線425m，有2條測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結果如圖3。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1020mm，回采（采厚約8.5m）后最大沉降量約5182mm，并得出地表最大下沉速度為65.14mm/d、最大隆起速度為3.96mm/d、最大水平移動量為-546.6mm和1048.67mm(Q由此，根據鉆孔數據預測3200工作面地表變形情況可知綜上所述，三盤區(qū)開采3200工作面及接續(xù)工作面過程中，地表河流將對井下工作面形成嚴重威脅。2.4地面采煤危險區(qū)域潛在水害礦井+2060m水平的3200首采工作面走向長878.5m，傾斜長157m，平均煤厚約8.68m，煤層傾角平均約14°。根據前文分析，3200工作面在0～300m范圍為河下采煤危險區(qū)域，面臨地表河水、第四系松散層潛水強含水層水、頂板砂巖水等水害威脅。根據工作面范圍及附近鉆孔資料，本文采用“大井法”式中：Q另外，r根據井田以往抽水資料將上述參數代入“大井法”計算公式，根據工作面回采步距，分階段預測工作面涌水量可知，當回采150m時（初次見方），工作面正常涌水量為29m根據礦井對三采區(qū)第四系松散層潛水的地下徑流流量預測，第四系松散層潛水流量為332m3有關水資源控制的特殊措施3.1限高留煤開采根據“三下”采煤規(guī)范式中：H其中，導水斷裂帶高度H由于“三下”采煤規(guī)范式中：p為水頭壓力，MPa，按照1MPa/hm計算；T根據表1，計算導水斷裂帶穿過上覆基巖的各鉆孔數據計算，則有H目前根據我國綜放開采侏羅系煤層的礦井對覆巖導水斷裂帶高度實測數據可知因此，結合前文所述的風氧化帶最大厚度值，根據表1中4個位于河床附近鉆孔數據計算，剔除不符合要求的鉆孔數據后，即為M經分析計算，確定在3200工作面切眼0～300m范圍內，只開采2層煤中的下部的中層煤，上部的上層煤留頂不進行開采，在二次見方后，恢復綜放開采7m厚度，以此確保工作面防治水安全生產。3.2鉆孔周圍裂隙的防治根據礦井調查，3200工作面切眼附近存在1個封閉不良鉆孔（南15號鉆孔）。由于鉆孔位于金沙河河床附近，且上層煤頂板15m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，一旦揭露該鉆孔，勢必導致上覆含水層水沿著鉆孔及鉆孔周圍裂隙進入井下，由于第四系、風氧化帶富水性強及地表河流的存在，屆時突水水量將難以預計，會給礦井造成嚴重損失。因此，必須對其進行提前探查和防治。南15鉆孔地表孔口位置現為公路路基，無法實施地表啟封探查，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，提出采用巷探對鉆孔位置進行揭露，而后沿原鉆孔軌跡施工探查孔，最后根據探查結果對南15鉆孔及附近區(qū)域進行注漿封堵。3.3頂板含水層疏放根據礦井前期開采的3228工作面采空區(qū)水量觀測數據，在回采過程中，經歷初次見方和二次見方階段，在二次見方時的工作面涌水量為65m為了避免3200工作面回采過程中采空區(qū)水量出現此類波峰波谷式變化，給工作面及礦井排水系統帶來沖擊，提出對3200工作面進行頂板含水層超前疏放的技術措施，以降低見方時水量增加幅度，達到消峰平谷的目的。根據水文地質資料分析，煤層頂板的新河組砂巖承壓含水層為天祝煤礦中、上層煤開采時的主要充水含水層。因此，疏放的目標層位為侏羅系新河組底部含水層。3.4采空區(qū)防水煤柱寬度礦井三采區(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。目前對老（采）空區(qū)積水的防治，主要采用探查疏放和留設防水煤柱的方法。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行水體探查驗證和疏放泄壓。留設防水煤柱的方法主要根據《煤礦防治水細則》式中：p為實際水頭值（水壓），Pa;M為煤層開采厚度，m;L為煤柱留設寬度；K1）采空區(qū)窯留設煤柱。根據礦井實際，侏羅系中統新河組砂巖含水層承壓水位平均高度322.07m，即水頭壓力p約3.22MPa;3200工作面煤層開采厚度取7m。煤層抗拉強度K2）本礦留設煤柱。3200工作面相鄰的3228工作面采空區(qū)積水標高為+2253.4～2267.8m，按照3220工作面開采最低標高約為+2240m計算，采空區(qū)積水側壓p為0.278MPa。其它計算參數同上，則計算出防水煤柱寬度為4.31～10.77m。目前，工作面之前實際留設煤柱寬度為9.85m。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要求。綜上計算分析，一般情況下，老（采）空區(qū)水均不會對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，需要及時關注老（采）空區(qū)積水情況（水量、水位、水壓、范圍、水化學特征、有害氣體等），在必要時進行提前探放，避免對開采工作面造成威脅。3.5采空區(qū)裂縫的修復在3200工作面回采期間，需安排專人24h對金沙河河道進行巡查，一經發(fā)現河道有斷裂漏水趨勢或現象，立即進行修復保護處理。其中，當河道裂縫<10cm時，在裂縫上游側投入2t塊石，再向裂縫充填3～5cm的卵石，填實后注入1∶0.5水泥漿封堵。當河道出現大的斷裂時（大于10cm），在裂縫上游側投入4t塊石降低裂縫兩側沉降差，再向裂縫處填入10～20cm礫石，之后填入3～5cm的卵石，最后注入1∶0.5水泥漿封堵。同時，由于采空區(qū)塌陷沉降是個緩慢的過程，礦方需在3200工作面采動塌陷未穩(wěn)定之前準備修復及保護措施。另外，礦區(qū)地處祁連山保護區(qū)，采動塌陷勢必會在河道形成塌陷坑，應制定相應的地貌恢復和生態(tài)保護措施，盡量降低采煤對保護區(qū)生態(tài)環(huán)境的破壞。3.6做好礦井水觀測和排水工作1）加強井上下水文監(jiān)測。3200工作面大部分區(qū)域的頂板平均基巖厚度約300m左右，且存在多層泥巖。第四系含水層水、風氧化帶含水層水進入井下存在一定滯后性，通過對這2個含水層水位的觀測，可以對井下工作安全回采起到一定預警作用。礦井應在工作面周邊布設若干水位監(jiān)測孔，安裝自動監(jiān)測儀器，實現對潛水含水層水位、水壓等信息的實時動態(tài)監(jiān)測。在煤層開采過程中，通過井上下各含水層水觀測，還應注意分析判斷第四系、風氧化帶、侏羅系新河組、窯街組等含水層之間的水力聯系。2）保障工作面排水系統。由于3200工作面切眼以北0～300m范圍屬于河下開采的危險區(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上，還必須保證工作面具備充足的排水能力和預防水害的措施。結合32