金谷煤矿地表水害防治技术研究_李建彪.pdf

金谷煤矿地表水害防治技术研究李 建 彪（冀中能源邢矿集团，河北 邢台 054400）摘要：针对水体下煤层开采中工作面突水隐患较大，生产条件复杂等问题，通过理论分析以及工程现场实践对山西古县金谷矿河流压煤开采可行性进行了研究，认为金谷煤矿满足河流压煤开采条件，通过采空区不同处理方式情况下地表移动变形值计算发现相比于全部垮落法，充填开采可减少地表移动预计值 78%以上，在此基础上提出了采用压煤充填开采防治水技术方案，确保了金谷煤矿井下工作面采掘活动安全生产，为相似工程条件下地表水害防治提供了一定的理论依据与技术指导。关键词：水体下采煤；地表水害防治；充填开采中图分类号：TD745文献标志码：A文章编号：1009-0797（2023）02-0084-05Research on prevention and control technology of Surface water disaster in Jinguu Coal MineLI Jianbiao（Jizhong Energy Xingtai Mining Group,Guiyang054400,China）Abstract：Aiming at the problems of water inrush hidden danger and complex production conditions in coal seam mining under water body,taking Jinju Mine in Guxian County,Shanxi Province as the engineering background,the feasibility of river coal pressing mining in Jinju Mineis studied through theoretical analysis and engineering field practice.It is concluded that Jinju Mine meets the mining conditions of river coalpressing.According to the calculation of surface movement and deformation value under different goaf treatment methods,it is found thatcompared with the total caving method,filling mining can reduce the predicted surface movement value by more than 78%.On this basis,thetechnical scheme of water prevention and control by filling mining with coal pressing is put forward to ensure the safe production of miningactivities in the underground working face of Jingu Coal Mine.It provides a certain theoretical basis and technical guidance for the preventionand control of surface water damage under similar engineering conditions.Key words:coal mining under water；control of surface water damage；filling mining0引言目前我国在河流、湖泊、水库、含水层以及海下煤炭资源的开采技术逐渐趋于成熟，同时也积累了丰富的水下采煤经验 1-4。水体下采煤所研究的主体是矿井自身，矿井自身的安全高效生产会受到来自地表水体的影响，而其影响方式主要为溃水、泥或砂以及超限涌水等，其结果往往会导致井巷遭到损坏，影响煤矿的正常生产 5。为了在水体下更好地进行采煤作业，众多学者通过大量现场实践以及理论研究，对水下采煤的渗流特征进行了探究 2,6。建立并发展了覆岩破坏区域“三带”理论，即垮落带、弯曲下沉带、裂隙带 7,8。传统开采方法下覆岩类型与地层结构条件的不同使得覆岩导水裂隙高度也有不同，因此我国学者总结了导水裂隙带高度与开采厚度之间的经验公式以及“三带”高度预测经验公式，并开展了覆岩导水裂隙带高高度确定以及观测实践的研究 9-12。水体下采煤作为一种工程概况类别普遍存在于全国各地各个大小煤矿中，随着煤矿行业的不断发展，技术的不断创新，与水体下进行安全采煤所相关的研究也层出不穷。我国水体下采煤相关的研究始于上世纪 60 年代，裂隙网络渗流理论在当时已经初步建立，并且随着国内学者的不断深入研究，“下三带”理论以及水体下采煤措施分分被提出 13,14。近年来，相关研究表明，矿井充水程度与地区降水量的多少、降水性质、强度和延续时间有相应关系 15-18；矿井充水具有明显的季节性变化，最大涌水量均出现在雨季；大气降水的渗入量随着开采深度的增加而减少，即使在同一矿井的不同开采深度，降水对矿井涌水量的影响程度相差也很大。近四年，丰水期较枯水期矿井涌水量存在明显增大的趋势（如图 1 所示），大气降水对矿井涌水量影响较为明显，在导水裂隙带等作用下，地表河水渗入巷道或者采空区，成为充水水源，对煤矿安全生产造成了较大影响。因此本文以山西古县金谷矿为研究背景，通过采空区不同处理方式情况下地表移动变形值计算，对比了传统全部垮落法处理采空区与充填开采技术下的地表移动预计值，在此基础上提出了采用压煤充填开采防治水技术方案，以期为相同工程背景下煤矿防治水提供理论依据。2023 年第 2 期煤矿现代化第 32 卷84DOI:10.13606/ki.37-1205/td.2023.02.010图 1降水量与矿井涌水量相关曲线图1工程概况1.1地表河流概况井田范围内的地表水系属黄河流域汾河水系，井田范围内发育有 5 条山涧河流；其中泽泉河为井田内主要河流，由北东向南西流经本井田，注入洪安涧河，洪安涧河在洪洞城南汇入汾河。泽泉河流域面积 14.7 km2，区内全长 4.327 km，自井田东北部流入，总体流向 NE-SW，从井田西南部流出，中上游常年有地表径流，雨季中游流量 16.0 L/s，下游地表径流全部渗入地下；上游河床为基岩，流经区域地层为二叠系上统上石盒子组、下统山西组，石炭系上统太原组：下游河床为第四系全新统河流沉积，流经区域地层为石炭系上统太原组，据调研河流最高洪水位高出河床 3.0 m。1.2区域 9+10 号煤层概况区域 9+10 号煤层平均厚度 2.9 m，其中含 1.15m 夹矸。煤层倾角平均 4.5。泽泉河河床与 9+10 号煤层间距 55.8 m。2采煤对上覆岩层及地表影响煤层开采后，上覆岩层会发生移动变形或破坏，不管是采用顶板垮落法管理采空区还是充填开采，采空区侧的上覆岩层顶板都将分为三带，即垮落带、裂隙带以及弯曲下沉带。针对覆岩破坏高度进行研究对水体下采煤具有重要意义，目前我国普遍认为其与岩性有关，软弱覆岩、中硬覆岩、硬岩的破坏高度分别为采厚的 912、1218、1828 倍。基于覆岩破坏情况（如图 2 所示），长壁开采覆岩破坏充分采动程度判据以及破坏高度计算方法如下 19,20：当工作面推进 L 时，存在如下等式：SG+S0=S0K+SS（1）式中：SG为采空区面积；S0为覆岩破坏碎胀后面积；K为碎胀系数；SS为地面下沉面积。覆岩充分破坏时覆岩破坏高度Hmax为：Hmax=Ltan21-1-4（ML-SS）（K-1）L2tan()（2）SS=L+r-rW（x）-W（x-L）dxW（x）=Wmax22rx0e-u2du+|1（3）式中:W（x）为地表下沉曲线；x为工作面位置；L为工作面临界推进距离；r为主要影响半径（r=Htan，H为开采深度，为主要影响角）M-煤层采高；-覆岩破断角均值；-超前影响角；L-工作面推进长度；Wmax、Hmax-覆岩充分破坏时地表最大下沉量与覆岩最大破坏高度；W1、W2、W3-工作面推进至各点时地面下沉量；H1、H2-工作面推进至 1、2 点时覆岩破坏高度；Hw-弯曲下沉带高度；Hli-裂隙带高度；Hk-垮落带高度；图 2覆岩破坏及地表沉陷示意图又由于实际生产中，已测得地面最大下沉量后确定的地面下沉曲线W（x）在井下开采前期技术方案研究中具有局限性，因此一般情况下由下式计算Wmax与U：Wmax=qMcos（4）U=bW（5）式中：Wmax为充分采动条件下地表最大下沉值，mm；U为充分采动条件下最大水平移动值，mm；M为煤层开采厚度，mm；为煤层倾角，取 4.5；q为下沉系数；b为水平移动系数；3河流压煤可行性分析9+10 号煤层平均采高 2.9 m，按最低充填率80%计算，充填开采时的 9+10 号煤层等效采高为0.58 m，相当于开采了一条极薄煤层。Hk=100M1.6M+3.65.6（6）Hli=20M+10（7）煤层厚度，取 0.58 m，通过计算得导水裂隙带高2023 年第 2 期煤矿现代化第 32 卷85度取大值为 25.2 m。保护层厚度按以下公式计算：Hb=6M（8）式 中：Hb为 保 护 层 厚 度，m；M为 煤 层 厚 度，取0.58 m。经计算，保护层厚度为 3.8 m。导水裂隙带与保护层厚度之和为：Hli+Hb=25.2+3.8=29（m）由于泽泉河与煤层间距 55.8 m，由此可知充填率为 80%时，顶板裂隙带未波及到水体，导水裂隙带与保护层厚度之和小于泽泉河与煤层间距。利用“导水裂隙带高度与保护层厚度之和不大于泽泉河与煤层间距”来反推采空区最低充填率，则首先利用以下 2 个公式计算等效采高，并取两者较小值。100M1.6M+3.6+5.6+6M=55.820M+10+6M=55.8计算得最小等效采高为 1.76 m。等效采高=采高充填率，采高取 2.9 m，由此反算采空区最低充填率为 61%。由于采动影响导致地表山体滑坡，进而造成河流堵塞，因此对地表山坡稳定性进行分析也是河流压煤开采是否可行的一关键环节。根据金谷煤业一采区 9+10 号煤 2017 年-2021 年正常全垮综采的10900、10901、10902、10903 工作面生产实践，地表山体受采动影响发生了不同程度的滑坡等灾害（如图 3 所示）。其中 10900 工作面 150350 m 段，地表山体滑坡并向前推进 120 m 左右；10902 工作面停采线附近山体滑坡，并向前推进 25 m 左右；10903工作面切眼附近山体滑坡，并向前推进 15 m 左右。通过公式 4、5 对地表最大下沉值和水平移动值进行计算作为压煤开采不同采空区处理情况下地表移动变形预计的对比参考如下：1）全部垮落法开采。（a）10900 工作面地表山体滑坡情况（b）10902 工作面地表山体滑坡情况（c）10903 工作面地表山体滑坡情况图 3地表山体变形情况当压煤 9+10 号煤采用全部垮落法综采一次采全高时，煤层平均采厚 2 900 mm，下沉系数取 0.7，水平移动系数取 0.3，经计算地表最大下沉值为2 023 mm，最大水平移动值为 607 mm。主要影响半径按下式计算：r=Htan式中：r为主要影响半径，m；H为开采深度，m；tan为主要影响角正切。地表最大水平变形值按下式计算：=1.52 bWr（9）式中：为充分采动条件下的最大水平变形值，mm/m；b为水平移动系数，取 0.3；W为充分采动条件下地表最大下沉值，mm；r为主要影响半径，m。山脚处，开采深度取 55.8 m，主要影响角正切取2.0，主要影响半径 27.9 m，最大水平变形值33mm/m。山体顶峰处，开采深度取 224.6 m，