0 引 言

当前煤炭资源依然占据我国能源消费比例70%以上，为我国经济快速健康发展提供了强有力的动力保障。随着煤炭资源的高强度开采，各类压占资源和后备常规储量不足的矛盾日益凸显。特别是地表水体下压煤资源量巨大，据相关统计资料仅国有大型煤矿水体下压煤量达到60～80亿t，严重影响了生产接续和矿井服务年限。我国早在20世纪60年代便开始研究水体下煤炭资源解放问题，经过一批专家学者的研究探索，在覆岩破坏规律、水体下采煤技术、水害防治等方面都取得了开创性的研究成果[1]，文献[2-4]基本上总结了近几十年来我国主要水体下开采覆岩破坏观测成果和水体下采煤工程实践。刘天泉[5]详细研究了厚松散含水层下压煤条件及相应的开采技术方案，为水体下采煤的发展提供了坚实的基础；高保彬等[6]采用物探、钻探结合方式在水体下采煤工作面探测了煤层导水裂缝带发育高度，取得了很好的技术经济效果；许家林等[7]基于关键层理论和实践研究了导水裂缝带发育规律，为没有实测资料情况下精确确定导水裂缝带发育高度提供了很好的技术途径；黎汝发等[8]总结分析了国有煤矿在防治水方面存在的问题并提出了对策；张志龙等[9]针对煤矿不同的水害问题提出了针对性的治理方案和措施，具有很好的指导意义。

在理论和技术研究基础上进行了数十个水体下开采工程实践，特别是近年来我国部分矿区在大型水体下安全开采实践很多，如岳城水库下、微山湖下、龙口渤海下、三台子水库下、小浪底水库下等，通过采取合理的技术方案不仅实现了薄及中厚煤层综采[10-13]，而且实现了大型水体下厚及特厚煤层分层综采和综放安全开采[14-18]，取得了很好的技术经济效益同时实现了对地表水资源的保护。

水体下采煤涉及到矿井的安全运行，必须在确保安全的基础上进行压覆资源的解放，防止溃水、溃砂等事故发生，同时也要对地表水体资源及其附属设施予以保护。笔者以潞安矿区漳村煤矿常隆水库下厚煤层压占资源开采为例，在研究综放开采覆岩导水裂缝带发育规律和防水安全煤岩柱尺寸的基础上，进行了水库下煤层开采安全性评价，分析了断裂构造对水库下采煤的影响。通过预测水库下开采后地表沉陷变形情况和地裂缝发育扩展程度，就采动对地表水库的影响程度和渗漏情况进行了评价分析。

本次研究所用到的数据,在EXCEL表格中录入,应用SPSS20.0软件,百分比(%)用作表示计数资料,予以卡方(c2)检查,而(±s)用作表示计量资料,用t进行检验,若统计学有意义,则用“P<0.05”进行表示。

1 工程地质条件

漳村煤矿是山西潞安矿业集团下属大型机械化生产矿井，年生产能力达到400万t/a。常隆水库属于小型水库(Ⅰ)，目前库内水量约60×104m3。该水库及坝体保护煤柱外侧南部和东部已开采完毕，根据井巷系统和地面情况水库下规划布置3个工作面(SX-1、SX-2、SX-3)，水库井上下对照如图1所示。矿井主采二叠系下统山西组3号煤层，厚5.5～6.3 m，为近水平煤层。顶板由中细砂岩、粉砂岩、泥岩等及第四系松散层组成，整个覆岩结构属于中硬型，其中水库下方松散层厚约50 m，主要为黄土、砂质粘土等构成，具体地层含隔水性见表1 。

  

图1 工作面与常隆水库相对位置Fig.1 Location between working faces and Changlong Reservoir

 

表1 水库区主要含、隔水层特征

 

Table 1 Main aquifer and aquiclude in reservoir area

  

层位厚度/m岩性特征第四系松散含水层20^50 上部为黄土层,弱富水;下部为红土层,有隔水作用含水层Ⅺ30^50 风化裂隙含水层,中等至强富水,富水性不均一隔水层1170^210 泥岩、砂泥岩互层沉积,为稳定隔水层含水层Ⅹ10^20 标志性砂岩裂隙含水层K10,富水性弱隔水层220^30 泥岩、砂泥岩互层,间夹砂岩,为相对隔水层含水层Ⅸ8^12 砂岩裂隙含水层,富水性弱隔水层35^10 砂泥岩,为隔水层含水层Ⅷ5^15 标志性砂岩含水层K8,富水性弱隔水层415^25 泥岩,砂泥岩互层,为隔水层含水层Ⅶ6^12 煤层底板直接充水含水层,富水性弱隔水层55^10 煤层直接顶3号煤层5.5^6.3 本区主采稳定厚煤层

研究生学术道德规范教育是学校诚信教育、学术素质教育的基本要求。我国高校长期以来对研究生学术道德和学术规范虽有明文规定，但有时执行不好，研究生难以形成学术规范意识和行为。因此，各高校应把学术道德规范作为研究生入门课程，加强引导教育。“在新生入学教育中，专门开设学术道德规范专题，将学术道德规范的规定纳入研究生手册”〔4〕，“努力使学生成为良好学习风气的维护者，严谨治学的力行者，优良学术道德的传承者”。 〔5〕

2 综放开采覆岩破坏高度实测

导水裂缝带高度是水体下采煤的主控因素，是关系到水库下采煤能否安全实施的关键、相比数值模拟、经验公式等方法，现场原位测试更能提高导水裂缝带高度的精度。漳村煤矿相邻郭庄煤矿、王庄煤矿等采用地面钻探水文观测方式进行了厚煤层综放开采条件下覆岩破坏现场实测研究，其地理位置相毗邻，开采煤层均为3号厚煤层，开采水文地质条件相近，因此覆岩破坏观测结果具有参考类比性，其结果见表2 。可以看出本区域地层条件下综放开采裂采比为19.1～20.2，同时说明了厚煤层综放一次采全高开采工艺高强度开采，导致顶板覆岩破坏剧烈，导水裂缝带异常发育[19]。

 

表2 综放开采导水裂缝带高度实测

 

Table 2 Measured height of fractured zone by fully-mechanized coal mining

  

煤矿孔号采高/m裂高/m裂采比郭庄煤矿F15.2103.819.9高河煤矿G16114.219.1王庄煤矿K15.9114.719.4K25.2102.319.7K35.7114.920.2S16116.319.4

3 水库下综放开采安全性分析

3.1 防水安全煤岩柱尺寸验算

地下矿体开采后，地表按一定规律形成塌陷盆地，在塌陷盆地范围内的不同位置将产生不同的沉陷变形。概率积分法预测模型被证明可以很好地揭示岩层与地表移动的随机分布规律。

本研究中脑出血患者的基础资料和观察指标结合SPSS23.0软件分析,计量资料应用平均值表示,计量资料和计数资料的组间分析结合t检验和卡方检验。

 

表3 潞安矿区水体下采煤工程类比情况

 

Table 3 Engineering analogy on mining underwater body in Lu’an Minefield

  

工作面水体采高/m第四系厚/m基岩厚/m五阳矿7802五阳矿7806高河矿E1302浊漳河6.10^202456.00^202806.080280郭庄矿2309郭庄矿3305绛河6.1503076.350276王庄矿8110漳泽水库6.0100200漳村矿常隆水库6.050334

3.2 断层对水库下采煤影响

（二）带来的挑战。一是随着发达国家政策转向外溢效应日益显现，世界经济中期下行风险逐渐积聚，将在贸易需求、资本流向等方面，对我国经济增长、汇率走势、资产价格、市场流动性等产生消极影响，加大经济金融面临负面冲击的风险。二是随着全球经济增长趋势走缓，美元升值和跨境资本流入增多，美国贸易逆差将持续增长，对华贸易赤字的焦虑感可能会进一步上升，中美贸易摩擦可能更加频繁或趋向长期化。三是部分新兴市场和发展中国家遭受金融动荡或地缘危机冲击，出现政局不稳或政权更迭等重大事变的风险增加，可能会使我国既有经济合作协议停滞或受损，并危及海外资产和人员安全。

  

图2 正断层上盘煤柱留设模型Fig.2 Model of water proof pillar for hanging wall of normal fault

对于顺煤层方向上抵抗水压的煤柱宽度，可采用考虑断层自身裂隙带和煤柱屈服带和核区计算方法[20]。

水利部目前主要依托于水利国库支付系统、水利财务业务管理信息系统和水利政府采购信息系统开展动态实时监控，监控面限于财政资金支付、部分单位财务核算及政府采购数据信息，尚未实现对全部预算单位财务管理全过程的全面覆盖，存在动态监控的“盲区”。如京外部分流域机构财务核算未纳入监控范围，对资产购置、处置管理等监控不够全面等。

 

(1)

式中：Ls为顺煤层煤柱宽度，m；h为断层落差，m；K为安全系数，一般取2～5；M为煤层厚度，即采高，m；P为水头压力，MPa；Kp为煤体的抗拉强度，MPa；H为开采深度，m。

开采引起地表下沉会导致水库水域地形地势重新分布，使得水域淹没面积扩大。首先进行库区原始地形离散点地表高程采样，同时提取上述概率积分法模型预测库区离散点地表移动变形值，采用SURFER软件自带克里格插值方法，将地表离散点高程及其预测下沉值统一后的数据网格化，形成开采后新的水库淹没线，得出常隆水库区域开采后新的+916 m(近年来平均水位)水域淹没范围，如图4所示，统计库区开采增大淹没面积约7.8万m2。

La=Ha/sin θ

(2)

其中：Ts为构造破坏临界突水系数；θ为断层倾角。

在没有观测资料情况下，可采用基于摩尔-库仑破坏准则的土体临界破坏模型求得地裂缝极限深度为

功率参数设计方案 用大信号频带完全覆盖机密信号频带，同时设计大信号和机密信号的功率参数满足Ps/Pw≥η0，η0表示能够保证机密信号抗盲检测的最小功率比值.

常隆水库下开采过程中应该采取如下安全技术措施：①加强对隐伏构造超前勘探和防治；②完善井下疏排水系统；③加强井下涌水量监测；④加强构造复杂地段采掘管理；⑤钻孔导水勘查与防治。

4 开采对水库影响分析

4.1 库区下采煤沉陷预测

由于常隆水库具有防洪、供水、灌溉等社会功能，属于《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中Ⅰ类采动等级的水体，不允许导水裂缝带波及到水库水体，因此需要留设防水安全煤岩柱。由于库区下方采深较大，防水安全煤岩柱厚度应满足最小尺寸应大于或等于导水裂缝带最大高度加上保护层厚度，即Hsh≥Hli+Hb，其中，Hsh为防水煤岩柱，Hli为导水裂缝带最大高度，Hb为保护层厚度。根据综放开采覆岩破坏实测资料，本区域裂采比取20倍，则水库下3号煤层综放开采导水裂缝带最大发育高度约为Hli=20M=120 m(M为采高)，顶板覆岩破坏高度将波及Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ号顶板砂岩含水层。由于库区底部第四系松散层较厚，底部黏结红土隔水层，其保护层厚度取5倍采高，即Hb=5M=30 m。因此常隆水库下正常安全开采所需防水安全煤岩柱尺寸Hsh≥150 m，前述水库下开采最小基岩柱厚度约334 m，远大于防水安全煤岩柱尺寸，导水裂缝带不会波及到地表水库底界面。同时对比潞安矿区已经安全实施水体下开采工程(表3)，开采煤层均为3号煤层，均采用综放一次采全高工艺，进一步说明常隆水库下开采是安全的。

据相关统计资料，我国煤矿突水事故中80%均与断裂构造有关。断裂构造本身成为突水通道，或者断层在开采活动扰动情况下活化成溃水通道，均成为煤层开采的重要致灾隐患，也是防治水的重点所在，特别是大型正断层由于下盘上升导致奥灰抬升与上盘煤层垂距变小或者直接对接，还可能造成底板奥灰突水事故。物探结果显示，常隆水库区域主要控制构造是文王山南正断层，断层倾角75°，落差400 m，走向NEE，倾向ES，该断层将潞安北部矿区与中部隔离开来，出露在开采区域以北远离开采区域。对于该断层要留设足够尺寸的安全隔离煤柱，设计煤柱时必须同时考虑顺煤层和沿煤层底板方向突水的可能性，如图2所示。

以常隆水库下规划工作面布置为基础，根据该区域上覆岩层特点和本矿井实测岩移资料确定概率积分法预计参数:下沉系数q=0.8，水平移动系数b=0.3，主要影响角正切tan β=2.0，拐点偏移系数S=0.06H，开采影响传播角系数K= 0.6。常隆水库下3号煤层综放一次采全高(采高6 m，平均采深H=430 m)预计地表最大下沉为4 800 mm，最大倾斜为24.8 mm/m，最大水平拉伸变形为12.6 mm/m，最大水平压缩变形为15.3 mm/m，最大曲率为0.24×10-3/m。库区地表采动沉陷情况如图3所示，综放地表沉陷变形较为剧烈。

  

图3 库区开采后下沉等值线Fig.3 Ground subsidence prediction of mining under reservoir

4.2 沉陷引起水库淹没范围扩大及对坝体影响

常隆水库下规划布置工作面时已将水库大坝的保护问题纳入考虑范围之内，即规划工作面SX-1、SX-2、SX-3终采线位置处于坝体保护煤柱以外。库区下沉等值线图可以看出，地表下沉等值线10 mm圈线尚未波及到水库坝体，采动不会对水库坝体安全运行产生影响。

可以看出顶板覆岩从上至下软硬度交互结构特征明显，各层岩相变化大，层间水力联系较弱，越层补给条件差。实测水库库底标高约+910 m，库区下方3号煤层底板标高由+450-+520 m，最小基岩柱厚度为334 m，煤系地层基本上呈东高西底倾向西北的单斜构造，在水库西北部有1条文王山南正断层，该断层倾角75°，落差为400 m，为特大型断层，水库及开采区域位于该正断层上盘。

对于地形图测绘工作中无人机航空摄影测量技术的应用而言，具备一定的应用原理，具体可以阐释为：第一，开展地形图测绘工作以前，应结合具体的状况，确保无人机种类选用的合理性，并以测绘工作的具体需要，在明确地形图测绘的目标前提下，完成准确调试无人机相关功能的任务。第二，以具体地形图测绘的的内容为参考，事先设计出合理的无人机运行线路。设计时应在确保路线最短的基础上，尽可能避免无人机线路对测绘工作的不良干扰，同时提高相应的安全性使地形图测绘工作人员的工作负担减轻，发挥出良好的测绘效果[1]。

对于防止底板奥灰突水的垂直断层煤柱宽度，Ha=P/Ts+10，则相应

  

图4 库区下开采后水域淹没扩大范围Fig.4 Expanding reservoirex inundation area ofmining under reservoir

由于库区地形地势及工作面位置原因，库区西部边界增大淹没范围有限，仅在中南部原沟谷地带由于地势较低且此处开采后地表沉陷幅度最大，导致库区水位上溯回灌沟谷阶地，库区开采后淹没增大区多为原库区阶地范围。

4.3 地裂缝深度与库区渗漏可能性

地表水体下采煤除了关注导水裂缝带是否沟通上覆水体，同时还要保护地表水资源，不因采动影响通过地裂缝向采空区发生渗漏。井下开采将对地表产生拉伸变形，当地表及土体中拉伸变形超过土体承受的极限变形时地表将会产生裂缝，由于裂缝两侧的地表不连续变形造成沉降差异，裂缝处还可能产生陷落台阶。地裂缝一般呈上宽下窄至尖灭的V字形，其发育深度与地表拉伸变形大小、土体的物理力学性质、表土层含水量、潜水位埋深和地表地形等因素有关。文献[21]根据理论研究和河堤下采煤实践，获得了地裂缝极限深度计算方法，可以适用于常隆水库库区下开采情况。

 

(3)

式中：hl为地裂缝极限发育深度；εJ为土层发生裂缝临界水平变形值，即裂缝角对应地表水平变形，可通过地表岩移观测站资料求得；γ为土体容重；E为弹性模量；μ为泊松比。

则最终断层煤柱宽度L=max{Ls，La}，由于水库下方煤层基本为近水平，此处不考虑煤层倾角影响。将文王山南断层各参数代入，计算断层煤柱最终尺寸为L=95 m，以此划定井田开采技术边界。

播种两周后，在田间按小区取水稻叶片混样，并提取DNA。水稻基因组DNA的提取采用李进波等［5］改进的CTAB法。

 

(4)

式中：C为土体黏聚力；φ为内摩擦角。

式(3)和(4)均可用来计算地裂缝最大发育深度，根据本矿井实测地裂缝临界水平变形εJ=6 mm/m，和土体实测有关参数γ=1 480 kg/m3，E=24 MPa，μ=0.3，C=35 kPa，φ=25°，按照式(3)计算hl=7.8 m，按照式(4)计算hl=7.4 m。据相邻王庄煤矿类似条件下开采地裂缝槽探结果显示，永久地裂缝深度约8.1 m，理论计算结果比较符合现场实际情况。

通过计算预计库区下方开采后地表裂缝最大发育深度约为7.8 m。地裂缝与导水裂缝带顶界面之间有足够尺寸的安全隔离煤岩柱，另外地裂缝遇到潜水位以下土层裂缝会弥合消失，而库底多年形成的淤积层能承受较大的拉伸塑性变形，不利于裂缝的发育，因此库区内水体不会通过地裂缝向采空区渗漏，不会造成库区水位骤降。

5 结 论

1)根据常隆水库下开采水文地质条件，计算了水库下厚煤层综放一次采全高所需防水安全煤岩柱约为150 m，远大于库区下顶板基岩柱厚度，对文王山南正大断层留设了合理的安全隔离煤柱，类比已实施的水体下开采工程，采取合理的安全开采技术措施，常隆水库下顶水综放是安全可行的。

2)采用概率积分法计算预测了库区下方开采后地表沉陷情况，采后库区最大下沉将达到4 800 mm，库区淹没范围将有一定幅度的增加，划定了最终淹没范围界限。采动沉陷结果表明开采不会对水库坝体安全运行产生影响。

3)通过理论计算和工程类比预测了库区地裂缝极限发育深度，分析认为井下采动不会造成库内水体向采空区的渗漏，可以达到井下采煤和地表水资源保护的双重目标。

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