天祝煤矿河下采煤动压沉陷影响因素分析

天祝煤矿河下采煤动压沉陷影响因素分析

中国西北的煤炭生产地区资源丰富，但地下开采往往会对生态系统的不同程度造成损害。尤其对于有地表河流分布地区，井下采煤形成的地表塌陷、地裂缝等可能造成区内流域的变化，影响自然环境和居民正常生活近年来，业内诸多学者和研究人员通过不同手段和方法、从不同角度对该类问题开展研究。王金安等1研究区工作面位置天祝煤矿井田面积约11km根据矿井接续及现状，在开采三采区时，对于3200首采工作面以及接续的3203、3202、3205、3204等工作面而言，均涉及河下采煤的问题，尤其是三采区3200首采工作面，必须在采前对其河下采煤过程中的防治水安全性进行分析，提出相应水害防治对策和措施，确保工作面安全回采，研究区位置示意图如图1。2地质条件分析2.1上统苦水坝系矿井三采区与井田地质条件基本无差异，井田范围内主要地层由老到新分别为前震旦系马衔山群、震旦系中统、侏罗系下统大西沟群、侏罗系中统窑街组、侏罗系中统新河组、侏罗系上统苦水峡组、白垩系下统河口群、第四系等。其中，侏罗系中统窑街组为井田含煤岩系，包括顶层煤、上层煤、中层煤、底层煤共4层煤，受地质条件影响，矿井仅开采相对稳定的上层煤和中层煤经前期勘查揭露情况可知，井田三采区内大于5m的断层较少，但小断裂构造较为发育，同时，受煤田内大型断层构造影响，深部区域煤层走向变化大，出现有较为宽缓的背向斜褶皱构造，局部甚至出现小构造盆地，无岩浆侵入。3200首采工作面在巷道掘进过程中未揭露断层构造，但据以往采掘经验，井田内小断裂可能引起导水性质变化。2.2条件水条件2.2.1含水层与含水层井田范围内含水层自上而下分别为：第四系松散层孔隙潜水强含水层，白垩系下统河口群孔隙潜水弱含水层，侏罗系上统苦水峡组、中统新河组和下统大西沟群孔隙裂隙承压水弱含水层，以及前震旦系马衔山群变质岩裂隙承压水弱含水层等共6层含水层。另外，在第四系与基岩接触面位置，存在有风氧化带含水层，具有一定的富水性，根据勘查计算，金沙河河床附近区域的风氧化带厚度最大值约33.67m。井田范围内隔水层共2层，分别为侏罗系中统新河组下段粉砂岩相对隔水层（厚约200m）和下统大西沟群上段砂泥岩交互相对隔水层（厚约40m）等2.2.2覆岩导水断裂带高度预测经勘探取样测试，矿井开采煤层的顶板岩石属中等坚硬的岩石。依据我国综放条件计算导裂带发育高度的经验公式出于安全考虑，各计算公式中取“+”号进行计算，同时，由于“三下”采煤规范公式（1）对开采煤层情况的适用性，选用中国矿业大学（北京）公式（2）和唐山煤科院公式（3）计算结果进行比较，取二者相对较大数值作为分析依据，即开采煤厚平均约8.65m，导裂带发育高度平均约183.02m。由此，可绘制基岩厚度与导水断裂带高度差值等值线图如图2。发现三盘区内大部分区域的煤层覆岩导水断裂带未能突破上覆基岩，但在3200首采工作面南部切眼附近约300m范围内的金沙河与沙金河交汇处，基岩厚度小于预测导水断裂带高度值（南15、南19、南51和南18号钻孔），届时煤层开采形成的覆岩导水断裂带极有可能导通至第四系甚至地表水体，造成河水灌入矿井工作面的危险。另外，根据矿井调查，井田内存在有以往施工的封闭不良钻孔（三采区内有10个，第四系与基岩地层接触面封孔不良），其中，南15号钻孔位于3200首采工作面内，三采区其他个别接续工作面内也存在1～2个封闭不良钻孔。因此，在工作面开采过程中存在第四系松散层潜水强含水层甚至地表河水导入井下的危险可能。2.2.3砂岩裂隙承压水层结合上述分析及矿井现状，井田三采区开采时的主要充水水源为地表水、第四系松散层潜水强含水层、基岩风化带孔隙裂隙潜水含水层、侏罗系新河组砂岩裂隙承压水弱含水层。值得注意的是，在以往开采历史中，先期开采的+2240m水平存在一定的采空区积水，以及在三采区南部的原同德煤矿存在采空区窑水，现开采的深部三采区属+2060m水平，且本采区地形基本为单斜构造，目前矿井虽留设有保护煤柱，但需在采掘至靠近相应区域前，应采取探查防治措施，避免老（采）空积水威胁矿井安全。2.2.4充水强度根据近5年矿井涌水量和工作面涌水量统计可知，一采区正常涌水24m2.3地表沉降观测结果根据矿井前期在3228工作面回采过程中开展的地表移动观测情况，现场布置3条测线，其中最远测点距离工作面中心线425m，有2条测线在金沙河河道附近，其中1条沿新修河道、1条沿煤层倾向。3228工作面地表沉降观测结果如图3。3228工作面受周边开采工作面影响，在回采前的地表最大沉降值约1020mm，回采（采厚约8.5m）后最大沉降量约5182mm，并得出地表最大下沉速度为65.14mm/d、最大隆起速度为3.96mm/d、最大水平移动量为-546.6mm和1048.67mm(Q由此，根据钻孔数据预测3200工作面地表变形情况可知综上所述，三盘区开采3200工作面及接续工作面过程中，地表河流将对井下工作面形成严重威胁。2.4地面采煤危险区域潜在水害矿井+2060m水平的3200首采工作面走向长878.5m，倾斜长157m，平均煤厚约8.68m，煤层倾角平均约14°。根据前文分析，3200工作面在0～300m范围为河下采煤危险区域，面临地表河水、第四系松散层潜水强含水层水、顶板砂岩水等水害威胁。根据工作面范围及附近钻孔资料，本文采用“大井法”式中：Q另外，r根据井田以往抽水资料将上述参数代入“大井法”计算公式，根据工作面回采步距，分阶段预测工作面涌水量可知，当回采150m时（初次见方），工作面正常涌水量为29m根据矿井对三采区第四系松散层潜水的地下径流流量预测，第四系松散层潜水流量为332m3有关水资源控制的特殊措施3.1限高留煤开采根据“三下”采煤规范式中：H其中，导水断裂带高度H由于“三下”采煤规范式中：p为水头压力，MPa，按照1MPa/hm计算；T根据表1，计算导水断裂带穿过上覆基岩的各钻孔数据计算，则有H目前根据我国综放开采侏罗系煤层的矿井对覆岩导水断裂带高度实测数据可知因此，结合前文所述的风氧化带最大厚度值，根据表1中4个位于河床附近钻孔数据计算，剔除不符合要求的钻孔数据后，即为M经分析计算，确定在3200工作面切眼0～300m范围内，只开采2层煤中的下部的中层煤，上部的上层煤留顶不进行开采，在二次见方后，恢复综放开采7m厚度，以此确保工作面防治水安全生产。3.2钻孔周围裂隙的防治根据矿井调查，3200工作面切眼附近存在1个封闭不良钻孔（南15号钻孔）。由于钻孔位于金沙河河床附近，且上层煤顶板15m以上区段未封闭，沟通顶板部分含水层。在3200工作面回采时，一旦揭露该钻孔，势必导致上覆含水层水沿着钻孔及钻孔周围裂隙进入井下，由于第四系、风氧化带富水性强及地表河流的存在，届时突水水量将难以预计，会给矿井造成严重损失。因此，必须对其进行提前探查和防治。南15钻孔地表孔口位置现为公路路基，无法实施地表启封探查，钻孔井下位置距3200工作面切眼较近，考虑到孔斜造成井下位置不确定，提出采用巷探对钻孔位置进行揭露，而后沿原钻孔轨迹施工探查孔，最后根据探查结果对南15钻孔及附近区域进行注浆封堵。3.3顶板含水层疏放根据矿井前期开采的3228工作面采空区水量观测数据，在回采过程中，经历初次见方和二次见方阶段，在二次见方时的工作面涌水量为65m为了避免3200工作面回采过程中采空区水量出现此类波峰波谷式变化，给工作面及矿井排水系统带来冲击，提出对3200工作面进行顶板含水层超前疏放的技术措施，以降低见方时水量增加幅度，达到消峰平谷的目的。根据水文地质资料分析，煤层顶板的新河组砂岩承压含水层为天祝煤矿中、上层煤开采时的主要充水含水层。因此，疏放的目标层位为侏罗系新河组底部含水层。3.4采空区防水煤柱宽度矿井三采区河下采煤区域面临的老（采）空区水害有2类：(1)原同德煤矿老窑水；(2)本矿同一煤层上部水平工作面采空区水。目前对老（采）空区积水的防治，主要采用探查疏放和留设防水煤柱的方法。探查疏放的方法主要为物探、钻探手段相结合，由物探工程圈定老（采）空区水分布区域，而后采用钻探工程进行水体探查验证和疏放泄压。留设防水煤柱的方法主要根据《煤矿防治水细则》式中：p为实际水头值（水压），Pa;M为煤层开采厚度，m;L为煤柱留设宽度；K1）采空区窑留设煤柱。根据矿井实际，侏罗系中统新河组砂岩含水层承压水位平均高度322.07m，即水头压力p约3.22MPa;3200工作面煤层开采厚度取7m。煤层抗拉强度K2）本矿留设煤柱。3200工作面相邻的3228工作面采空区积水标高为+2253.4～2267.8m，按照3220工作面开采最低标高约为+2240m计算，采空区积水侧压p为0.278MPa。其它计算参数同上，则计算出防水煤柱宽度为4.31～10.77m。目前，工作面之前实际留设煤柱宽度为9.85m。由于本矿采空区范围、积水情况等比较清楚，且之前采空区水量较小，水压有限。因此，一般情况下煤柱宽度满足留设要求。综上计算分析，一般情况下，老（采）空区水均不会对3200工作面开采造成影响，但为避免老窑越界开采、及本矿同层采空区积水增加，需要及时关注老（采）空区积水情况（水量、水位、水压、范围、水化学特征、有害气体等），在必要时进行提前探放，避免对开采工作面造成威胁。3.5采空区裂缝的修复在3200工作面回采期间，需安排专人24h对金沙河河道进行巡查，一经发现河道有断裂漏水趋势或现象，立即进行修复保护处理。其中，当河道裂缝<10cm时，在裂缝上游侧投入2t块石，再向裂缝充填3～5cm的卵石，填实后注入1∶0.5水泥浆封堵。当河道出现大的断裂时（大于10cm），在裂缝上游侧投入4t块石降低裂缝两侧沉降差，再向裂缝处填入10～20cm砾石，之后填入3～5cm的卵石，最后注入1∶0.5水泥浆封堵。同时，由于采空区塌陷沉降是个缓慢的过程，矿方需在3200工作面采动塌陷未稳定之前准备修复及保护措施。另外，矿区地处祁连山保护区，采动塌陷势必会在河道形成塌陷坑，应制定相应的地貌恢复和生态保护措施，尽量降低采煤对保护区生态环境的破坏。3.6做好矿井水观测和排水工作1）加强井上下水文监测。3200工作面大部分区域的顶板平均基岩厚度约300m左右，且存在多层泥岩。第四系含水层水、风氧化带含水层水进入井下存在一定滞后性，通过对这2个含水层水位的观测，可以对井下工作安全回采起到一定预警作用。矿井应在工作面周边布设若干水位监测孔，安装自动监测仪器，实现对潜水含水层水位、水压等信息的实时动态监测。在煤层开采过程中，通过井上下各含水层水观测，还应注意分析判断第四系、风氧化带、侏罗系新河组、窑街组等含水层之间的水力联系。2）保障工作面排水系统。由于3200工作面切眼以北0～300m范围属于河下开采的危险区域，为保证工作面安全回采，在开展上述防治水工作的基础上，还必须保证工作面具备充足的排水能力和预防水害的措施。结合32