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，主要影响角正切取 2.0，主要影响半径 112.3 m，最大水平变形值8 mm/m。因此预计山体水平移动变形值为833 mm/m。2023 年第 2 期煤矿现代化第 32 卷862）充填开采。当压煤采用充分充填开采时，按最低充填率 80%计算等效采高为 580 mm。应用等效采高代替实际采高进行地表移动变形计算时，下沉系数应增大 5%10%，在此取全垮时下沉系数 0.7的 1.1 倍进行修正，则下沉系数为 1.10.7=0.77，水平移动系数取 0.3，主要影响角正切取 2.0。经计算地表最大下沉值为 445 mm，最大水平移动值为 133 mm，山体水平移动变形值为27mm/m。当采用充填开采时由于充填体的支承作用，煤层顶板会缓慢下沉，地表移动变形速度降低，地表最大下沉值与最大水平移动变形值均可比全垮开采时降低 78%以上，能够更好地控制地表移动变形，降低山体滑坡堵塞河道的风险，维护山体边坡稳定性。因此从裂隙发育高度以及地面山坡变形量两方面进行分析可知在泽泉河区域内压煤具有可行性。4防治水技术方案4.1采用充填开采10904、10905、10906 工作面在泽泉河煤柱以北设停采线，停采线以南为充填开采区域。充填工作面推进方向为自北向南。依 10904、10905、10906工作面原设置，并利用其顺槽，划分为 6 个充填工作面，工作面长度设计为 80 m，采煤工艺为综合机械化矸石固体充填。新增井巷工程量为 6 个工作面切眼，共 480 m，新增顺槽共 1 986 m。区域内 10904 等工作面原顺槽需进行维护。根据钻孔 ZK402 资料，9+10 号煤层工作面采高2.9 m，工作面采出率取 95%，估算区域可采储量约122 万 t。区域纯煤厚度 1.75 m，煤炭容重取 1.49t/m3，可采出纯煤量约 58.8 万 t。取充填率为 80%，夯实后矸石视密度按 1.7 t/m3计算，可处理矸石量约为89.1 万 t。4.2充填工艺充填工艺流程具体工序内容及过程见图 4。图 4充填工作面采煤、充填工艺流程图5结语1）计算采用全部垮落法和充填开采两种不同的采空区处理方法下的山体水平移动变形值，从裂隙发育高度以及地表山体两方面出发对金谷矿河流压煤开采可行性进行了研究，认为泽泉河压煤开采是可行的。2）对压煤充填开采时的地表移动变形值进行了定量计算，对山体滑坡风险进行了定性分析。通过将压煤全垮综采及充填开采两种采煤方法造成的地表移动变形与金谷煤业生产实践情况对比分析，压煤采用充填开采时相对于全垮开采能够减小地表移动变形预计值 78%以上。3）为防治地质灾害、保护生态环境，统筹构建山水林田湖草一体化生态保护修复新格局，提出了采用填充开采技术方案进行煤矿地表水害防治，确保了金谷煤矿井下工作面采掘活动安全生产，最终达到了和谐、环境优美的目的，为相似项目提供了一定的参考。参考文献：1 钱鸣高，许家林，缪协兴.煤矿绿色开采技术J.中国矿业大学学报，2003（4）：5-10.2 武雄，于青春，汪小刚，等.地表水体下煤炭资源开采研究J.岩石力学与工程学报，2006（5）：1029-1036.3 缪协兴，钱鸣高.采动岩体的关键层理论研究新进展J.中国矿业大学学报，2000（1）：25-29.4 Zhang Jincai，Shen Baohong.Coal mining under aquifers inChina:a case studyJ.International Journal of Rock Mechanicsand Mining Sciences，2004，41（4）：629-639.5 康永华.我国煤矿水体下安全采煤技术的发展及展望J.华北科技学院学报，2009，6（4）：19-26.6 缪协兴，刘卫群，陈占清.采动岩体渗流理论M.北京:科学出版社，2004：1-6.7 石永奎.采场动态结构力学模型的仿真与应用D.泰安:山东科技大学，2001.8 煤炭科学研究院北京开采研究所.煤矿地表移动与覆岩破坏规律及其应用M.北京:煤炭工业出版社，1981.9 栾元重，李静涛，班训海，等.近距煤层开采覆岩导水裂隙带高度观测研究J.采矿与安全工程学报，2010，27（1）：139-142.10 陈荣华，白海波，冯梅梅.综放面覆岩导水裂隙带高度的确定J.采矿与安全工程学报，2006，23（2）：220-223.11 祁生文，伍法权，庄华泽，等小湾水电站坝基开挖岩体卸荷裂险发育特征 J 岩石力学与工程学报，2008，27（S1）：2907-2912.（下转第 91 页）2023 年第 2 期煤矿现代化第 32 卷87（上接第 87 页）12 王连国，王占盛，黄继辉，等.薄基岩厚风积沙浅埋煤层导水裂隙带高度预计 J.采矿与安全工程学报，2012，29（5）：607-612.13 刘天泉.我国“三下”采煤技术的现状及发展趋势J.煤炭科学技术，1984（10）：24-28.DOI:10.13199/j.cst.1984.10.26.liutq.007.14 于秋鸽.芦沟煤矿水库下采煤安全性与地表移动特征研究D.河南理工大学，2016.15 高保彬，刘云鹏，潘家宇，袁恬.水体下采煤中导水裂隙带高度的探测与分析 J.岩石力学与工程学报，2014，33（S1）：3384-3390.DOI:10.13722/ki.jrme.2014.s1.111.16 鞠金峰，许家林，李全生，等.我国水体下保水采煤技术研究进展 J.煤炭科学技术，2018，46（01）：12-19.DOI:10.13199/ki.cst.2018.01.002.17 曹祖宝，王庆涛.基于覆岩结构效应的导水裂隙带发育特征J.煤田地质与勘探，2020，48（03）：145-151.18 翟志伟，张传达，孟秀峰，等.煤层覆岩导水裂隙带发育高度综合分析技术研究J.煤炭工程，2022，54（2）：116-120.19 郭文兵，娄高中.覆岩破坏充分采动程度定义及判别方法J.煤炭学报，2019，44（3）：755-766.DOI:10.13225/ki.jccs.2018.6038.20 郭文兵，马志宝，白二虎.我国煤矿“三下一上”采煤技术现状与展望J.煤炭科学技术，2020，48（9）：16-26.DOI:10.13199/ki.cst.2020.09.002.作者简介：李建彪（1985-），男，河北邢台人，本科，现任冀中能源邢矿集团生产技术部副主任科员，长期从事煤炭生产管理相关工作。（收稿日期：2022-8-31）目采用“超磁分离+自清洗过滤”矿井水处理技术，成功实现了石拉乌素煤矿矿井水处理后达标再利用。经处理后矿井水通过委托于鄂尔多斯市环境监测检验有限公司开展水质检查，其监测数据见表 2。表 2出水主要水质指标对比分析表 2 可知，经鄂尔多斯市环境监测检验有限公司对处理后的水质进行监测，4 类待检测项目值均远小于预期值，且满足表 3 所示井下及地表生产用水水质要求。表 3井下及地面生产用水水质4结论在井下通过实施“超磁分离+自清洗过滤”矿井水处理，成功实现了石拉乌素煤矿井下矿井水处理。处理后的水质完全满足行业相关水排放要求，其中4 个核心指标 pH 值、SS、CODCr 和石油类数值分别为 7、4、4.5、0.01 mg/L，满足了矿井水处理后的井下及地表再利用的需求。参考文献：1 国家发展和改革委员会，国家能源局.矿井水利用发展规划R.北京:国家发展和改革委员会，2013.2 徐慧，牟义，牛超.矿井涌水量渗透系数构造分形优化研究J.煤炭科学技术，2021，49（10）：228-232.3 宋建萍.寸草塔煤矿矿井水综合治理与利用技术措施J.煤炭工程，2012（4）：49-50，54.4 何绪文，张晓航，李福勤，等.煤矿矿井水资源化综合利用体系与技术创新J.煤炭科学技术，2018，46（9）：411.5 李福勤，何绪文，吕晓龙，等.煤矿矿井水井下处理新技术及工程应用 J.煤炭科学技术，2014，42（1）：117120.6 樊龙斌.乌兰木伦煤矿矿井水综合利用工程技术研究J.煤炭科学技术，2017，45（S2）：42-44.7 张建军.哈拉沟煤矿矿井水综合利用管理模式研究J.能源科技，2020，18（7）：54-58.作者简介：丰云雷（1988-），男，山东曲阜人，硕士研究生，现就职于山东兖矿设计咨询有限公司，从事煤炭矿井设计和技术研究工作。（收稿日期：2022-9-1）2023 年第 2 期煤矿现代化第 32 卷编 号项目单位预沉巷道前处理后预期值处理后值1pH 值/6-96-972SSmg/L8008 0005001 00043CODCrmg/L1504001001504.54石油类mg/L5-105-100.01编 号项目单位限制1pH 值/692SSmg/L53CODCrmg/L204石油类mg/L0.391