我国水体下压煤量巨大，据不完全统计，我国大型国有重点煤矿受水威胁的煤炭储量达250亿t以上，水体下压煤开采存在严重的安全隐患，另一方面，煤炭开采与水资源保护矛盾日益突出[1-2]，针对这一问题，国内外学者开展了大量研究。武强[3]从矿井水防控与资源化利用角度，提出了减轻含水层结构破坏的“开采技术”。顾大钊[4]研究了神东矿区水资源保护与利用，并提出了采空区储水供水技术。王双明等[5]研究了生态脆弱矿区含(隔)水层特征。范立民等[6-7]提出了“保水采煤”的科学内涵。李涛等[8-9]研究了陕北地区沙漠浅滩地表径流保水煤柱留设方法。针对大型水库采煤，武雄等[10]研究了申家庄煤矿在岳城水库下开采方案。郭文兵等[11-12]论证了郑州煤电集团米村煤矿26扩大区在水库下采煤的安全性。戴华阳等[13]开展了峰峰矿区九龙矿水库下采煤安全性分析。这些研究从理论和技术上支撑了煤炭的科学开发，建立了煤矿开采水害治理及水资源保护技术体系。
陕北侏罗纪煤田是国家规划的14个亿吨级大型煤炭基地之一，常家沟水库是神木市目前最大的蓄水水库，位于陕北黄土高原与毛乌素沙漠的接壤地带，生态环境脆弱，水资源缺乏。笔者以神府矿区大型水库常家沟水库为例，开展大型水库周边浅埋煤层开采水害防治技术研究。
1 研究区概况
张家峁井田是国家在神府矿区南区总体规划的4个井田之一，井田面积51.98 km2，地质储量8.65亿t，可采储量5.43亿t，可采煤层7层，主采3-1,4-2,5-2煤层，为大采高、浅埋煤层开采，矿井生产能力为1 000万t/a，采煤方法为综合机械化开采，全部垮落法管理顶板。
常家沟水库位于陕北神南矿区张家峁井田内东南部，建于乌兰不拉河与老来河的交汇处，汇水面积44 km2，容水面积约0.3 km2，涵洞流量3.1 m3/s，溢洪道流量215 m3/s，一般蓄水量400万～500万m3，水库总容量1 295万m3。蓄水量供下游3万亩农田灌溉和人畜饮用，同时该水库亦承担华能公司自备电厂供水任务。库底标高1 111.74 m，洪峰期最高水位1 138.17 m，枯水期水位标高1 121.74 m。地表径流及地下水易于排泄至矿井巷道内，对矿井安全生产会构成严重威胁。
随张家峁井田一盘区煤炭资源的开采向西不断延伸，工作面的开采位置逐渐接近位于井田东南部的常家沟水库附近，所以水库的安全运行及水资源保护与其周围煤炭资源安全、合理开采的矛盾逐渐突出。
2 水文地质条件探查
为查明常家沟水库周边地质及水文地质条件(各含水层及含水层与地表水体的水力联系)、导水裂隙带实际发育高度，采用地质勘探、抽水实验、钻孔实测法等多种方法配合对常家沟水库周边水文地质进行了探查。
本次勘探共布置各类钻孔15个，其中水文孔4个，调查孔8个，导水裂隙带高度探查钻孔3个，抽水试验5层，钻孔布置如图1所示。
图1 补充勘探钻孔布置
Fig.1 Layout of exploratory boreholes
2.1 含水层划分及水文地质特征
本次补充勘探区范围内的含水层主要有松散层孔隙含水层、基岩裂隙含水层和烧变岩裂隙孔洞潜水含水层三大类，松散层孔隙含水层又可分为第四系全新统风积沙(Q4eol)及冲积层(Q4al)弱富水含水层、第四系上更新统萨拉乌苏组(Q3s)强富水含水层、第四系中更新统(Q2l)离石组黄土层弱富水含水层3个含水层，基岩裂隙含水层可分为侏罗系中统延安组(J2y)基岩风化带弱富水含水层、以及煤层间基岩极弱富水含水层两个含水层，常家沟水库周边含水层水文地质剖面图如图2所示。
图2 水文地质剖面
Fig.2 Hydro-geologic profile
2.2 地下水的补给、径流及排泄条件
研究发现，常家沟水库烧变岩强富水区地下水补、径、排关系主要表现为第四系松散砂层接受大气降水的补给，在古地形地貌条件的控制下，沿分水岭由南北向中间径流，在与烧变岩接触一带补给烧变岩含水层，受烧变岩底板形态控制，地下水由高处向地处径流，汇集与低洼处，局部沿透水性良好的裂隙孔洞做水平运移，随丰水期与枯水期交替出现，烧变岩与地表水(水库)相互补给，在水库北部及西部烧变岩水与水库水联系密切，如图3所示。
图3 常家沟水库烧变岩强富水区地下水补、径、排关系
Fig.3 Relation between recharge，run off and discharge of the ground water in burning rock area of Changjiagou reservoir
2.3 导水裂隙带高度
常家沟水库浅埋煤层开采，受采动影响，导水裂隙带的发育高度关系是常家沟水库水资源的保护和工作面涌水溃沙的重要因素，确定合理的导水裂隙带发育高度对指导常家沟水库浅埋煤层安全开采具有重大的现实意义。
2.3.1 钻孔测试法
钻孔冲洗液漏失量观测方法实测导水裂隙带发育高度的基本原理是根据钻探过程中出现的钻孔冲洗液漏失，水位相应下降，岩芯破碎或者岩壁有新鲜的垂直裂隙发育现象，判别导水裂隙的发育程度和空间位置，最终确定导水裂隙带的发育高度。
采用钻孔冲洗液漏失量观测方法结合智能钻孔全景成像测井判断导水裂隙带的发育高度，在15204工作面布置3个钻孔，钻孔布置如图1所示中ZK13,ZK14,ZK15，其中ZK14钻孔位于正常基岩内，作为对照孔。如图4(a)所示，ZK13号钻孔在孔深17.50 m处钻孔浆液消耗量逐渐增大，在孔深27.10 m处钻孔浆液开始出现漏失现象，且孔内水位大幅度下降，孔内影像显示岩壁垂直裂隙已发育至套管端口以上(29.80 m，图5(a))，孔深41.74 m时孔内无水位，孔深60.94 m钻孔浆液完全漏失、孔内无水位，岩石非常破碎，且垂直裂隙发育明显增多，吸风量增大。经综合分析确定钻孔深度17.50 m为导水裂隙带的顶界面，钻孔深度60.94 m为垮落带的顶界面，煤层在此处的底板在92.70 m，因此ZK13钻孔导水裂隙带高度为75.20 m。
如图4(b)所示，ZK15号钻孔在孔深14.10～15.81 m时钻孔浆液消耗量开始逐渐增加，30.02～31.82 m孔内浆液3次中断循环，孔内水位较小幅度下降，岩芯编录资料显示在孔深29.83 m处见有新鲜垂直裂隙发育，孔内影像显示在孔深30.70 m以下岩壁均有垂直裂隙发育;在孔深55.92 m时钻孔浆液完全漏失、孔内无水位，岩石较破碎，局部有垂直裂隙发育，孔内影像显示在孔深62.00 m以下岩壁垂直裂隙发育剧增(图5(b))。经综合分析确定钻孔深度14.10 m为导水裂隙带的顶界面，钻孔深度62.00 m为垮落带的顶界面，煤层在此处的底板在89.70 m，因ZK15钻孔导水裂隙带高度为75.60 m。
图4 冲洗液漏失量、钻孔水位与孔深关系曲线
Fig.4 Relationship between the leakage volume of drilling fluid,the water level of the drilling hole and the depth of drilling hole
图5 钻孔全景成像(岩壁裂隙)
Fig.5 Borehole panoramic imaging (rock fracture)
2.3.2 经验公式计算法
目前国内诸多矿井广泛使用的导水裂隙带高度经验公式，是依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(简称《规程》)及《矿区水文地质工程地质勘探规范》(简称《规范》)中给出的导水裂隙带高度计算公式，《规范》中推荐公式计算导水裂隙带高度为89.6 m，《规程》推荐公式[14]计算导水裂隙带高度为51.1 m。
2.3.3 数值模拟方法
采用UDEC离散元数值软件对常家沟水库周边5-2煤开采导水裂隙带发育高度进行模拟，模型岩层分布综合ZK1,ZK2,ZK3钻孔获得，岩石和煤体的物理力学参数是在现场取芯实验室测定，主要岩层力学参数见表1。
根据工作面尺寸建立走向模型，整个模型长度为500 m，高度模拟至地表，为150 m，模拟5-2煤层厚度6.0 m，模型计算的边界条件:上部边界条件为自由边界条件;两边边界条件为速度边界条件，x方向的速度为0，为简支;下部边界为固支，x,y方向的速度都为0。本构模型采用理想弹塑性模型，以Mohr-Coulomb强度准则作为其屈服准则。
工作面推进30 m时，直接顶随采随冒;工作面推进到60 m，直接顶发生大面积冒落，覆岩形成拱形垮落区，基本顶出现离层现象;工作面推进到75 m，基本顶下分层随采随冒，发生大范围垮落，基本顶上分层破断形成铰接结构，初次来压步距75 m，垮落带高度20 m，导水裂隙带高度68.9 m;工作面推进到90 m时，基本顶发生第1次周期来压，周期来压步距15 m，此时垮落带高度27 m，导水裂隙带高度85 m;工作面推进到105 m(图6)时，基本顶发生第2次周期来压，周期来压步距15 m，此时垮落带高度27 m，导水裂隙带贯穿基岩层，高度为93 m;随5-2煤层工作面继续推进，基本顶进入周期垮落阶段，导水裂隙带高度稳定在93 m。
表1 主要岩层力学参数
Table 1 Mechanical parameters of the main rock mass
图6 工作面推进105 m时导水裂隙带发育高度
Fig.6 Height of water flowing fractured zone when the work face was advancing 105 m
综合以上研究，得出常家沟水库周边浅埋煤层5-2煤开采导水裂隙带发育高度见表2。
表2 5-2煤层开采导水裂隙带高度
Table 2 Height of water flowing fractured zone under 5-2coal seam mining m
结合邻近矿区生产工作面导高实测数据、相似模型试验所得数据等共计27组[15-16]，进行线性拟合，得到导水裂隙带发育高度与开采煤层厚度的关系为
H=10.02M+12.72
(1)
因此，研究区水库周边首采煤层约为6 m，则导水裂隙带预计发育高度约为72.8 m。
3 常家沟水库浅埋煤层开采水害问题
3.1 烧变岩涌(突)水问题
常家沟水库周边4-2煤烧变岩厚度6.25(ZK4)～27.4 m(ZK10)，变化较大，富水性差异大，5-2煤导水裂隙带沟通烧变岩，则有可能造成突水溃沙事故[17]。
水库西部以及北部，地形低洼或局部烧变岩隔水底板凹陷的地段(ZK8,ZK9号钻孔一带)，烧变岩下部含有裂隙孔洞潜水，富水性强，若煤层开采的导水裂隙沟通此含水层，势必造成突水、溃沙事故。
水库南部及东北部烧变岩成陡坎状出露于地表，尽管目前呈被疏干状态不含水，但若后期水库蓄水量增加，水位抬升，使其地表水沿烧变岩网络裂隙孔洞补给烧变岩，从而使已被疏干的烧变岩重新富水，将会给未来矿井安全带来不可估量的水害。
3.2 萨拉乌苏组突水溃沙问题
常家沟水库西侧、南侧及东南侧分布萨拉乌苏组含水层，富水性强，若煤层开采的导水裂隙沟通此含水层，则造成涌水、溃砂事故[17]。
3.3 常家沟水库倒灌水害问题
在常家沟水库两侧 4-2煤层自燃后形成的烧变岩，裂隙空洞较发育，出露地段常形成陡坡、陡崖或被松散砂层所覆盖，底部埋没于库水之中。尤其是位于常家沟水库西北侧的4-2煤层底板标高大部分低于水库水面标高，这样水库水势必直接或间接和烧变岩含水层形成了紧密联系，采煤时如与烧变岩沟通，将会引起库水倒灌，应引起高度重视。
3.4 沟道洪水及常年性河流水害问题
勘探区内4-2煤导水裂隙带基本全部沟通上覆基岩段，在部分沟谷内(乌兰布拉沟、木瓜树沟、贺家窑沟、陈家塔沟、老来沟、柳梢沟、黑圪垯沟)导水裂隙带直接沟通地表。因此，4-2煤层开采至导水裂隙带直接沟通地表的沟谷区域，地表河水、大气降水以及沟道洪水沿导水裂隙带可以灌入矿井造成危害。
3.5 上覆煤层采空区积水涌(突)水问题
勘探区内东北部大部地段及西北小范围5-2煤导水裂隙带沟通上覆基岩，在5-2煤层距离4-2,4-4煤层底板较近的区域，4-2,4-4煤层采空区积水可能对5-2煤层的开采带来突水危害。
4 大型水库周边浅埋煤层开采水害防治技术
4.1 安全煤柱留设技术
针对常家沟水库周边烧变岩富水性相差较大及库水倒灌的问题，可留设合理的防水煤柱进行预防。
根据不同煤层开采，将常家沟水库周边煤柱留设分为两类模式:一类是单一煤层开采模式，即5-2煤层开采;一类煤层群开采模式，即4-2,4-3,4-4,5-2煤层开采。
根据矿山压力和水压力对煤体不同作用和影响，保护煤柱从防隔水功能上沿宽度方向可划分为矿压影响带、有效隔水带。因此，保护煤柱合理煤柱宽度为
L=L1+L2
(2)
式中，L为保护煤柱宽度，m;L1为矿压影响带煤柱宽度，m;L2为有效隔水带煤柱宽度，m。
对于单一煤层开采模式，如图7(a)所示，矿压影响带以地表下沉10 mm为边界，有效隔水带采用力学模型、《煤矿防治水规定》经验公式、极限平衡理论等计算综合得出[18-19]。
图7 单一煤层和煤层群开采模式的保护煤柱留设示意
Fig.7 Design of protective coal pillar under single seam mining and coal seam group mining
对于煤层群开采模式，如图7(b)所示，矿压影响带煤柱宽度L1为保证上一层煤的保护煤柱不受采动影响而留设的宽度，L2为上一层煤的保护煤柱宽度。
4.2 水害防治技术
(1)烧变岩实行帷幕注浆与井下探放水疏放联合防治技术。
针对常家沟水库周边4-2煤火烧区涌水问题，采用帷幕注浆与井下探放水联合防治技术。帷幕可以切断墙内与墙外4-2煤烧变岩的水力联系，阻止库水进入墙内4-2煤烧变岩，防止动态补给的水库水对工作面安全和生产造成威胁和影响。以常家沟水库周边15207工作面开采水害防治为例。
根据4-2煤烧变岩边界和地表地形条件，常家沟水库帷幕布置如图8所示，在西侧与4-2煤实体煤搭接，东侧靠近陈家塔水库，帷幕长度625 m。该帷幕墙主要用于切断15207,15208两个工作面与常家沟水库的水力联系。
图8 常家沟水库帷幕布置平面示意
Fig.8 Layout plan of curtain in Changjiagou reservoir
在15207综采工作面井下共设计施工疏放4-2煤烧变岩积水钻孔28个，累计进尺3 540.5 m，累计放水量33 523 m3，疏放水钻孔布置如图9所示。工作面初采初放期间，工作面最大涌水量16 m3/h，工作面推采至92 m，基本顶发生第1次周期来压，顶板垮落波及至地表，工作面涌水量未发生明显变化。
图9 15207综采工作面疏放水钻孔平面布置
Fig.9 Layout plan of drainage borehole in 15207 fully mechanized mining face
(2)含水层富水区实行地下水井下探放水与地面抽排联合疏放。
针对导水裂隙带沟通富水含水层而可能造成矿井水害的问题，采用地面抽排异地储存(储存于常家沟水库)和井下探查疏放的措施进行预防。地面抽排异地储存的方法主要适用于井田西南部分布的萨拉乌苏组含水层，当其水量与补、径、排条件进一步查清后，在工作面布置好后，开采之前，排干该含水层水并将其储存于常家沟水库之中，主要理由是该含水层分布面积不大，厚度较小，可以达到满足煤层开采不遭受水害的目的。井下也可对其进行探查和疏放，其不足可能是疏放水量过大超过矿井排水能力，同时，也使可饮用水变成矿井污水。
(3)上覆煤层采空区积水探查与疏放。
针对上覆煤层采空区积水有可能造成下伏煤层开采时的水害问题，可采用采空区积水探查与疏放(即探放水)措施进行水害预防。下伏煤层开采前必须进行上覆煤层采空区积水情况探查和疏放水。
(4)地表水涌入矿井水害预防。
针对部分较大沟道地段存在导水裂隙带沟通地表而可能造成沟道洪水或溪水涌入矿井造成水害的问题，可采取沟道裂缝填埋措施预防季节性暴雨洪水矿井水害，但对于乌兰不拉沟和老来沟等长流水沟道，需要采取人造引水(如采用管道引水过待采工作面)工程或河道防渗改造等造河床工程措施进行治理，预防沟道溪水涌入矿井造成水害。
5 结 论
(1)通过水文地质勘探，查明了常家沟水库周边含水层及水文地质特征，查明了常家沟水库周边各含水层之间的水力联系及补给、径流、排泄条件。
(2)采用钻孔测试法、经验公式计算法、数值模拟等方法确定导水裂隙带的发育高度，结合邻近矿区生产工作面导高实测数据进行线性拟合，得到导水裂隙带发育高度与开采煤层厚度的关系为:H=10.02M+12.72，研究区水库周边煤层开采导水裂隙带预计发育高度约为72.8 m。
(3)分析了常家沟水库周边煤层开采存在的水害问题，主要有烧变岩涌(突)水问题、萨拉乌苏组突水溃沙问题、常家沟水库倒灌水害问题、上覆煤层采空区积水涌(突)水问题、沟道洪水及常年性河流水害问题。
(4)将常家沟水库周边煤柱留设分为两种模式:一种是5-2煤单一煤层开采模式;另一种是4-2,4-3,4-4,5-2煤层群开采模式，提出了“有效隔水带+矿压影响带”的保护煤柱的计算方法。
(5)针对常家沟水库浅埋煤层不同水害问题，提出了留设保护煤柱、帷幕注浆与井下探放水疏放、井下探放水与地面抽排联合疏放、上覆煤层采空区积水探查与疏放、沟道裂缝填埋等技术。水库周边15207工作面回采时，在留设保护煤柱的基础上，采取帷幕注浆625 m，施工疏放4-2煤烧变岩积水钻孔28个，累计放水量33 523 m3，保障了工作面安全回采。
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