水库下采煤的安全性分析

水库下采煤的安全性分析

摘要：水库下采煤一方面要确保煤矿井下安全，同时还要保护地表水资源和水库坝体的安全。根据水体下采煤的技术理论，在现场调研的基础上，结合煤矿具体的地质采矿条件，进行了上覆岩层破坏高度的计算、地表移动和变形的预计，从而对水库水体下采煤的安全性进行分析、评价和论证。结果表明：各工作面开采以后，上覆岩层中导水裂缝带发育的最大标高与基岩顶部边界之间有较厚的基岩岩柱，即导水裂缝带不会波及到地表水水库。同时,根据地表移动和变形预计结果,分析了各工作面开采对水库坝体的影响。最后提出了相应的技术措施，确保水库下安全采煤。

关键词：水库;堤坝;水体下采煤;采动损害

国内外水体下采煤已有100多年的历史，各主要产煤国家在海下、河流下、湖泊下、含水的松散层和含水的岩层下、人工修建的蓄水工业建筑物下、充水的巷道与采场下进行了大量的试验开采工作。英国、日本、加拿大、智利和澳大利亚还成功地进行了海下采煤;美国则非常重视长壁开采对地表河流甚至小溪的影响。我国煤炭资源分布广，不仅平原地区、丘陵和山区的地下蕴藏着丰富的煤炭资源，而且各类水体下压煤量也很大[1-2]。长期以来，我国积累了丰富的水体下、湖泊下及河下的采煤经验[3-4],水体下采煤技术已处于领先地位。据统计我国在各类水体下，已安全采出超过2亿t煤炭，如我国已在淮河堤下采煤取得了巨大成功[5],龙口矿区已经成功地进行海底下采煤等。

水体下采煤技术是涉及到采矿、地质、岩石力学等多学科领域[6-7]。研究水体下采煤技术的目的是实现水体下的安全采煤。根据地质采矿条件及开采方案设计，进行综合计算、分析和评价，可以为实现水体下安全采煤提供技术保证。因此，正确评价和分析水体下采煤的安全性，实现水体下的安全采煤，对于确保煤矿安全生产，提高煤炭资源采出率缓解矿井采掘接替紧张的矛盾、保护地表水和地下水资源等都具有十分重要的现实意义。

郑州煤电(集团)公司米村煤矿26扩大区地表有一水库，该水库是影响26扩大区安全开采的主要水体。水库下采煤一方面要确保煤矿井下安全同时还要保护地表水资源。为确保在此水体下安全采煤，采前必须对水库下采煤的安全性进行分析研究，以便根据实际情况采取相应的技术措施。本文在收集现场地质采矿资料和有关观测资料的基础上，结合米村煤矿具体的地质采矿条件，对水库水体下采煤的安全性进行了研究和论证。

1地质采矿条件及水库情况

1.1地质采矿条件

米村煤矿26扩大区地面标高为+272.5～+280.6m。走向长200～1050m，倾向长340～590m地质储量约2.58mt，可采储量约2.19mt。该采区地面西北高,东南低,沟谷发育,黄土覆盖层较厚。采区整体为一单斜构造,无大的断裂构造,地质条件简单。含煤地层为石炭纪、二迭系含煤岩系。开采煤层为二1煤,上限标高–20.0m，下限标高–118.0m，煤层厚度为

1.7～1

2.31m，平均为6.25m，倾角为8°～12°。上覆岩层主要由中、细粒砂岩，粉砂岩，砂质泥岩,泥岩等岩层组成，煤层顶底板的赋存情况见表1。

表1顶底板岩性特征

采区已开采工作面距离水库和坝体较远，待开采工作面分别为26071，260071，260061，260051和260041等,坝体位于260071，260061工作面之上，目前正在开采26071工作面，采用放顶煤采煤法。开采方案布置平面图见图1。

1.2水库情况

26扩大区地表除村庄以外，有宋沟水库及其坝体。水库位于26扩大区的中西部。据现场调查，该水库水面标高约为+274.5m，该水库最深处约有17～18m，其深度边界为水体的底界面，最低标高约为+256.5～+257.5m。宋沟水库属季节性蓄水，水库面积约3.2万m2,蓄水量约20～30万m3,该水库的水源主要为煤矿的井下排水和大气降水。水库蓄水的坝体由料石砌和黄土堆积而成，迎水面边坡角约为45°～50°。坝体上表面为柏油路面，路面标高约为+278m。

2水库下采煤安全性分析

2.1上覆岩层破坏高度的计算分析

影响上覆岩层破坏形态和导水裂缝带发育最大高度的因素很多，如上

覆岩层的力学性质及结构特征、采煤方法和顶板管理方法、煤层倾角、煤层厚度及开采强度等[8-9]。当煤层埋藏条件和采煤方法确定后，则覆岩的力学性质及结构特征与覆岩的破坏高度密切相关。如果采区上覆岩层为脆性岩层，受开采影响后容易断裂，所以覆岩破坏高度大。如覆岩为塑性岩层，受开采影响后不易断裂但容易下沉，能使冒落岩块充分压实，最终表现为覆岩破坏高度降低。因此，根据覆岩岩层的强度特征及煤层开采厚度来确定覆岩破坏高度。

2.1.1覆岩类型分析

根据26扩大区内水库附近钻孔柱状图，煤层上覆岩层主要由中、细粒砂岩，粉砂岩，砂质泥岩，泥岩等岩层互层组成。经统计分析可知：砂岩、粉砂岩、泥岩所占体积比大约为0.31∶0.06∶0.63，计算确定覆岩岩性属软弱偏中硬型。因此，按软弱和中硬两种岩性分别进行计算。

2.1.2覆岩破坏高度计算公式

覆岩破坏高度与许多地质采矿条件有关，但目前尚无统一的多元相关的表达式。因此计算采用经验公式。根据分析的覆岩岩性及煤层埋藏条件，按文献[10]给出的缓倾斜条件下厚煤层开采时的垮落带和导水裂缝带高度的计算公式进行计算，计算公式见表2。

采用放顶煤一次采全高时，上覆岩层破坏高度与分层开采相比较为严重，因此为了安全起见，覆岩破坏高度取较大值。公式后±取+号。

表2覆岩破坏高度计算公式

2.1.3计算结果及分析

按上述计算公式对水库下附近区域的计算点进行了计算，给出了垮落带高度、导水裂缝带高度以及导水裂缝带最大标高，计算结果见表3。表3覆岩破坏高度计算

对于缓倾斜煤层，开采以后垮落带的边界位于采空区边界范围以内，导水裂缝带的边界位于采空区边界范围以外。垮落带和导水裂缝带均呈马鞍形，导水裂缝带的最高点位于采空区倾斜方向的上部。本采区开采后上覆岩层的破坏空间形态符合一般规律。根据水库附近钻孔柱状图，基岩顶部标高约为+188m，而导水裂缝带发育的最大标高与基岩顶部边界之间的基岩岩柱厚度均在200m以上，再加上约55m厚的第四系砂质黏土的隔水作用，导水裂缝带是不会波及地表上的水体——宋沟水库，即导水裂缝带不会形成矿井水灾的通道。26扩大区开采范围及开采上限已经确定，为了验证开采上限的可行性及合理性，进一步分析防水安全煤岩柱及其安全系数，在防水安全煤岩柱计算过程中，对覆岩按“中硬”和“软弱”两种类型进行计算。各计算点防水安全煤岩柱尺寸及安全系数如表3所示。从表中结果可知，各计算点的安全系数最小为 2.22，即各点的防水安全煤岩柱尺寸均远小于基岩岩柱尺寸，导水裂缝带未波及水库水体。所以26扩大区各工作面在开采上限以下采煤从导水裂缝带分析是安全的。

但是，除导水裂缝带，煤矿顶板水害的导水通道还可能有不良封闭钻