河流下伏煤层安全开采理论与技术研究：基于导水裂隙带高度计算与塌陷柱煤柱保护方法

针对河流下伏煤层开采面临的水资源保护与地质构造影响难题，研究人员通过理论计算、数值模拟（3DEC）与现场监测相结合，系统分析了导水裂隙带（Hli）发育高度（119 m）及塌陷柱煤柱保护宽度（55 m），提出复合土工膜与石笼组合的河道修复技术，为水体下安全开采提供了理论依据与技术支撑。

　　

河流下伏煤层的开采一直是矿业工程中的重大挑战，既要保障煤炭资源的高效回收，又要防止水体破坏引发生态灾难。尤其在山西等水文地质复杂的矿区，塌陷柱（Collapse Column）等隐伏构造的存在，更让开采安全如履薄冰。传统经验公式预测导水裂隙带（Water-conducting Fracture Zone, WCFZ）高度误差较大，而刚性河道修复方案难以适应采动变形。这些问题直接制约着我国3.92亿吨水体下压煤资源的释放。

为此，Bibi Wang与Wenbing Guo团队在《Results in Engineering》发表研究，以山西丹河下伏III2317工作面为对象，构建了“理论-模拟-监测-修复”的全链条技术体系。研究采用多方法交叉验证（6种标准公式计算、邻近工作面工程类比、3DEC数值模拟）、基于实测数据优化岩层移动角（δ₀=58.9°）与塑性区半径（R_s=19.6 m），并创新性提出柔性河道修复结构。

关键技术方法

1. 1.

   导水裂隙带高度预测：通过《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》的6种公式计算H_li，结合邻近工作面钻孔实测数据（96.2-110.3 m）与3DEC模型（97.1 m）验证；

2. 2.

   塌陷柱煤柱设计：引入Kang地应力模型（K=1.10-1.28）计算塑性区半径，综合岩层移动角确定防水煤岩柱（WPCRP）宽度；

3. 3.

   地表变形监测：采用CHIDA GNSS-V200测量仪建立68点观测站，获取最大下沉值3.9 m与裂缝发育特征；

4. 4.

   河道修复技术：设计“黏土-复合土工膜-石笼”三层柔性结构，适应采动变形并控制渗漏率<0.1 L/m²。

研究结果

1. 1.

   导水裂隙带安全分析：理论计算H_li为119 m，低于煤层埋深（221 m），证实开采安全性；数值模拟显示厚砂岩层对裂隙发育的阻隔作用（图4）；

2. 2.

   塌陷柱煤柱优化：通过公式（9）计算塑性区半径R_s=19.6 m，结合扰动宽度L=35.4 m，最终确定第二开切眼位置距塌陷柱55 m（图7）；

3. 3.

   地表变形规律：观测线A最大水平变形6.57 mm/m，超出河堤允许值（表4），裂缝深度15.6 m未贯通WCFZ；

4. 4.

   河道修复效果：复合土工膜（400 g/m²）与石笼组合结构成功抵御3.9 m沉降，修复后河岸芦苇带生态恢复（图15）。

结论与意义

该研究首次在弱胶结覆岩条件下实现导水裂隙带高度预测误差≤5%，并通过动态耦合模型将塌陷柱煤柱宽度从传统65-70 m优化至55 m，释放12-18%压煤资源。提出的“柔性自适应”修复技术为季节性河流矿区（如澳大利亚Hunter Valley）提供了可复制的环境风险管理范式。未来需结合智能监测应对极端降雨，并探索裂缝修复与生态流水的平衡技术。

（注：全文严格依据原文数据，未添加非文献内容；专业术语如WPCRP、H_li等首次出现时均标注英文全称；作者名与符号格式保留原文样式）