下組煤承壓水上開采綜合技術(shù)研究

孫鑫

（冀中能源股份有限公司葛泉礦 河北 邢臺(tái) 054102）

下組煤承壓水上開采綜合技術(shù)研究

孫鑫

（冀中能源股份有限公司葛泉礦 河北 邢臺(tái) 054102）

葛泉礦通過對(duì)9＃煤層底板本溪灰?guī)r含水層進(jìn)行注漿加固改造，解放受奧陶系灰?guī)r含水層威脅的下組煤煤炭資源，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。同時(shí)積累了一系列下組煤開采防治水經(jīng)驗(yàn)、防滅火方法以及厚煤層的開采技術(shù)。

水文地質(zhì)；注漿加固改造；托頂煤；回收率

葛泉礦東井位于葛泉井田南翼，在葛泉礦工業(yè)廣場(chǎng)東部，2004年3月開工建設(shè)，2007年2月8日建成投產(chǎn)，是新開拓的下組9#煤試采區(qū)。礦井開拓方式采用一對(duì)中央并列式豎井、單一水平、上山開采。采煤方法為單一長(zhǎng)壁式，主要采煤工藝為綜采放頂煤。

東井主采煤層9#煤位于石炭系太原組，目前開采水平為-150m標(biāo)高以上區(qū)段，突水系數(shù)介于0.025－0.055MPa/m。開采9#煤直接充水水源為頂板大青灰?guī)r含水層和底板下伏本溪灰?guī)r含水層，9＃煤底板下38－55m（平均約40m）為奧陶系灰?guī)r含水層頂面，為下組煤開采的間接充水水源。

1 葛泉礦東井防治水技術(shù)

1.1 防治水技術(shù)概況

地面建有先進(jìn)的、一流的注漿站，注漿站安裝有NBB-260/7注漿泵6臺(tái)，可達(dá)到四臺(tái)注漿泵同時(shí)工作的規(guī)模，注漿能力可達(dá)60m3/h，滿足了回采工作面底板加固及掘進(jìn)巷道的超前注漿和異常區(qū)注漿加固處理等。礦井配備不同型號(hào)的井下鉆機(jī)24臺(tái)，能夠滿足生產(chǎn)。

1.2 針對(duì)不同目標(biāo)含水層的防治水技術(shù)

1.2.1 頂板大青灰?guī)r含水層

對(duì)9#煤頂板大青灰?guī)r含水層，采取以“疏降為主、邊疏放邊觀察”的措施，掘進(jìn)工作面每隔50－100m選擇布置大青灰?guī)r探放水孔一個(gè)，以查明水量、水壓、水質(zhì)等情況，根據(jù)水質(zhì)化驗(yàn)跟蹤分析，及時(shí)掌握大青水水質(zhì)變化特征，防止大青灰?guī)r通過斷層或陷落柱構(gòu)造與下部強(qiáng)含水層有連通造成水害事故。

1.2.2 底板本溪灰?guī)r含水層

對(duì)9#煤底板本溪灰?guī)r含水層采取“見水即堵、整體注漿改造”的原則。即巷道底板發(fā)現(xiàn)本溪出水時(shí)，立即進(jìn)行打鉆注漿封堵。鉆孔一般設(shè)計(jì)為3-4個(gè)，終孔層位為本溪灰?guī)r底板以下2m，并進(jìn)行注漿加固，所有工作面都必須對(duì)本溪灰?guī)r進(jìn)行注漿改造，把本溪灰?guī)r改造為弱含水層或相對(duì)隔水層。以提高9#煤底板隔水層的阻水能力。底板改造注漿結(jié)束后打檢查孔驗(yàn)證注漿效果，檢查孔水量大于10m3/h，重新施工鉆孔注漿，直至達(dá)到小于10m3/h的檢查標(biāo)準(zhǔn)。

1.2.3 奧陶紀(jì)灰?guī)r含水層

對(duì)奧灰強(qiáng)巖溶含水層采取以“預(yù)防為主、探堵結(jié)合”的措施。采用三維地震數(shù)據(jù)進(jìn)一步解釋系統(tǒng)對(duì)本區(qū)三維地震資料進(jìn)行再解釋，并根據(jù)解釋出的奧灰富水區(qū)有針對(duì)性的做好防止奧灰突水技術(shù)工作。采取注漿封堵其垂向?qū)ǖ?，提高隔水層?qiáng)度。

1.3 針對(duì)不同導(dǎo)水構(gòu)造的防治水措施

1.3.1 斷層

首先，通過鉆探手段探查斷層的含導(dǎo)水性，無(wú)論導(dǎo)水與否分別在斷層上下盤本溪灰?guī)r部位進(jìn)行注漿加固，沿?cái)鄬臃较蜚@孔平面布置間距不大于40m，鉆孔終孔位置距斷層面20m穿過本溪灰?guī)r2m。注漿工程結(jié)束后并參照底板加固的原則施工檢查孔，確保斷層加固完好。

1.3.2 陷落柱

對(duì)三維地震提供的陷落柱或地質(zhì)異常體，首先利用地面鉆孔探查其是否存在及其含導(dǎo)水性，如果證實(shí)存在，則以地震資料提供的范圍外推60m作為井下探查警戒線，并在井下通過鉆探控制其實(shí)際范圍，同時(shí)進(jìn)行注漿加固。鉆孔終孔位置依然控制在相對(duì)的本溪灰?guī)r下2m，注漿鉆孔平面布置控制到陷落柱邊界外20m處，柱體內(nèi)以20m擴(kuò)散半徑均勻布置鉆孔，注漿加固后并打檢查孔進(jìn)行注漿效果檢查，確保陷落柱加固完好，不會(huì)出現(xiàn)滯后突水。對(duì)井上下條件不具備無(wú)法進(jìn)行注漿加固的陷落柱，必須嚴(yán)格按有關(guān)規(guī)程要求留設(shè)防水煤柱，防水煤柱尺寸不得小于20m。

1.4 地面防治水

葛泉礦東井歷年來(lái)最高洪水位標(biāo)高（1963年）為+101.69m，主副井地面標(biāo)高分別為：+102.8m，+102.90m。廠區(qū)內(nèi)建有完善的地面疏水、防水和排水系統(tǒng)，使用中的地面觀測(cè)孔、輸漿管孔已經(jīng)進(jìn)行了地面焊接壓蓋措施，能夠確保大到暴雨時(shí)地面水不會(huì)潰入井下。

1.5 完善礦井分區(qū)隔離工程、礦井防治水排水設(shè)施、井上下水文觀測(cè)系統(tǒng)、突水報(bào)警系統(tǒng)及井下人員定位系統(tǒng)

1.5.1 施工防水閘門，確保分區(qū)隔離

1）在軌道石門、運(yùn)輸石門分別設(shè)置了規(guī)格為25LM-2.0× 2.32防水閘門。為保證在礦井突水時(shí)軌道石門水閘門能順利迅速關(guān)閉，在軌道石門水閘門外側(cè)30m處施工一條泄水巷，在泄水巷內(nèi)施工水閘墻。

2）另在東翼軌道、運(yùn)輸大巷施工兩道水閘門以保證施行分區(qū)隔離。

3）在工作面上下巷預(yù)筑水閘墻墻套，一旦出水后，能快速對(duì)工作面進(jìn)行封閉，縮小出水后影響范圍，降低礦井的損失。

1.5.2 完善礦井排水系統(tǒng)

礦井中央泵房現(xiàn)有MD280-43×7污水泵7臺(tái)（單臺(tái)額定排水能力280m3/h），其中三臺(tái)工作、三臺(tái)備用、一臺(tái)檢修。另安裝有6730×10型潛水泵2臺(tái)，單臺(tái)設(shè)計(jì)排水能力800m3/h。礦井總排水能力可達(dá)3000m3/h以上。

井下主水倉(cāng)長(zhǎng)度330m，容量3465m3，副水倉(cāng)長(zhǎng)度為156m，容量1639m3，補(bǔ)水倉(cāng)長(zhǎng)度283m，水倉(cāng)容量為3290m3，礦井水倉(cāng)總?cè)萘?394m3。

軌道石門、運(yùn)輸石門等主要大巷水溝規(guī)格為600× 600mm，井下生產(chǎn)地區(qū)出水后排至軌道石門水溝，并匯集到井底總水倉(cāng)，通過井底中央泵房及地面排水管路排至沙河河道。

1.5.3 完善礦井地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

建立完善的地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)系統(tǒng)，通過井上下自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)，能夠做到對(duì)主要含水層（本溪灰?guī)r、奧陶系灰?guī)r）24小時(shí)不間斷水位（壓）觀測(cè)。

2 葛泉礦東井開采技術(shù)

2.1 開拓布置

試采區(qū)9煤層埋藏標(biāo)高±0～-277m，采用一對(duì)立井中央并列式上下山開采全區(qū)9#煤，開采下組煤時(shí)采用帶壓開采方式，經(jīng)計(jì)算突水系數(shù)為0.06MPa/m時(shí)，開采下限為-150m，故生產(chǎn)水平標(biāo)高亦為-150m?？紤]到井下出水時(shí)人員撤離因素，回風(fēng)水平標(biāo)高-142m。井底車場(chǎng)及硐室位于3#煤層頂板砂巖中，軌道、皮帶石門為穿層巖巷，掘至9#煤層后施工-150m西翼軌道大巷。軌道大巷沿9#煤層布置，皮帶大巷亦沿9#煤層布置，標(biāo)高為-142m。軌道及皮帶石門采用錨噴支護(hù)，采用上裝載，皮帶運(yùn)輸。沿9#煤層軌道、皮帶大巷采用錨梁網(wǎng)支護(hù)。東井分東西兩翼布置，西翼為盡快投產(chǎn)，采用傾斜走向長(zhǎng)壁布置工作面，東翼為減少搬家次料，東二采區(qū)取消合并入東一采區(qū)，采用偽走向長(zhǎng)壁布置工作面。

為減少巷道工程，不設(shè)專門泄水巷，一條平巷兼做進(jìn)風(fēng)、運(yùn)料、排水，大巷設(shè)雙水溝，主水溝為600×600mm，輔助水溝為500×600mm，并且設(shè)置三級(jí)沉淀系統(tǒng)，工作面巷道鉆窩內(nèi)沒置一級(jí)沉淀池，運(yùn)輸上山或運(yùn)輸大巷沒置二級(jí)沉淀池，-150泄水巷設(shè)置三級(jí)沉淀池，通過這種沉淀系統(tǒng)，大大延長(zhǎng)了井底水倉(cāng)的清理周期，經(jīng)常性保持水倉(cāng)的有效容積在合理的范圍內(nèi)。

2.2 工作面布置及開采工藝優(yōu)化

2.2.1 工作面布置

為保證下組煤采掘安全,防止奧灰突水淹沒工作面,工作面兩巷設(shè)計(jì)為平巷或上山,盡可能不出現(xiàn)超過半個(gè)巷高的洼兜,工作面呈俯斜開采,以便水自流。工作面兩巷布置于9#煤，巷道沿底托頂煤施工。兩巷設(shè)計(jì)為直線，以便皮帶機(jī)安裝使用，工作面等長(zhǎng)布置，減少添、去支架工作。西翼布置1190-1196其7個(gè)工作面均為傾向長(zhǎng)壁俯采工作面。東一采區(qū)工作面均設(shè)為偽走向布置。其中1195工作面面長(zhǎng)布原來(lái)的75m增加到92.5m,儲(chǔ)量增加23%，11912工作面面長(zhǎng)由原來(lái)的75m增加到89m，儲(chǔ)量增加19%。大大緩解工作面接替緊張的局面。

2.2.2 開采順序

已經(jīng)回采結(jié)束的西翼采區(qū)，工作面布置時(shí)既有跳采布置，也有順序布置。首先開采順序如下：1192工作面→1190工作面→1194工作面→1191工作面→1193工作面→1197工作面→1195工作面。其中1191工作面和1193工作面為孤島工作面，回采期間兩巷壓力大，變形嚴(yán)重，隨推進(jìn)隨臥底。而其余工作面均為順序開采工作面，靠近采空區(qū)一側(cè)的巷道壓力稍大，實(shí)體煤一側(cè)巷道超前壓力不明顯。為減少底板破壞深度的影響，7#煤的開采準(zhǔn)備采用協(xié)調(diào)開采的方式進(jìn)行開采。在以后的開采過程中工作面盡可能安排成順序開采，以減小礦壓對(duì)工作面回采的影響。

2.2.3 頂板掘進(jìn)支護(hù)工藝優(yōu)化

1）沿完整大青灰?guī)r掘進(jìn)

東井8#、9#煤局部合槽，8#煤直接頂為大青灰?guī)r，堅(jiān)硬完整，施工錨桿特別困難，我們根據(jù)實(shí)際情況，當(dāng)大青灰?guī)r厚度超過2m完整不破碎時(shí)頂板可以不支護(hù)，例如東翼運(yùn)輸大巷、1190運(yùn)料巷外段、東翼軌道大巷局部。

2）沿底托頂煤掘進(jìn)

為了提高煤炭回收率，工作面兩巷均沿9#煤底板托頂煤掘進(jìn)。東井9#煤的特點(diǎn)是上軟下硬，頂板成形差；掘進(jìn)一排支護(hù)一排，施工進(jìn)度慢。通過使用加長(zhǎng)頂錨桿，頂錨桿由原來(lái)的2m增加到2.4m，錨索梁由原來(lái)的兩排“邁步”式布置改成三排“五花”式布置，提高頂板支護(hù)強(qiáng)度，保證巷道安全掘進(jìn)。

2.3 采取多種措施提高工作面煤炭回收率

為提高煤炭回收率，我們通過多種途徑，嘗試各種方法盡可能多的回收煤炭。在工作面兩巷掘進(jìn)過程中，要求兩巷均沿9#煤底板托頂煤掘進(jìn)，降低工作面回采期間的機(jī)頭機(jī)尾的三角煤損失；在工作面回期間，通過在后溜子采空側(cè)安裝托煤板減少移后溜子的煤炭損失，對(duì)機(jī)頭機(jī)尾各三架的頂煤和兩巷頂煤進(jìn)行回收，每年可多回收頂煤4.5萬(wàn)噸；通過適當(dāng)增加工作面面長(zhǎng)，降低工作面之間的煤柱損失率；通過改變以往工作面開始上網(wǎng)先撤后溜子的施工工藝，待工作面上網(wǎng)結(jié)束后再撤后溜子，每個(gè)工作面可以多回收煤炭3000余噸；通過優(yōu)化上山布置，東一采區(qū)軌道上山沿頂掘進(jìn)，東一采區(qū)運(yùn)輸上山沿底掘進(jìn)，保證工作面兩巷剛開口即沿底掘進(jìn)，改變多數(shù)礦工作面停采時(shí)沿煤層頂板停采的做法，每個(gè)面可以多回收煤炭9000余噸。

3 結(jié)論

通過對(duì)葛泉礦東井復(fù)雜水文地質(zhì)條件的研究以及開采技術(shù)的綜合研究、創(chuàng)新，取得了一系列的成果和經(jīng)驗(yàn)，解放了大量的呆滯煤炭資源，為相似條件下的開采奠定了基礎(chǔ)和技術(shù)儲(chǔ)備。

3.1 通過開采下組9＃煤及注漿加固改造，形成了一整套以煤層底板注漿改造為主體的帶壓開采綜合防治水技術(shù)。

3.2 采用井上、下結(jié)合的全方位、多層次勘探手段，制定了“井下為主，地面為輔，物探為主，鉆探驗(yàn)證”的勘探原則。

3.3 采用先進(jìn)的注漿工藝、注漿材料，準(zhǔn)確定位注漿目的層，確定了注漿孔布置原則。采用“三階段漸進(jìn)式”注漿工藝和“動(dòng)態(tài)分析、實(shí)時(shí)反饋、不斷優(yōu)化”的注漿流程。

3.4 采用托頂煤支護(hù)工藝研究，解決各種復(fù)雜條件下的全煤錨網(wǎng)巷道支護(hù)難題，保證巷道安全掘進(jìn)。

3.5 采用多種措施，提高煤炭回收率，增加企業(yè)效益。

3.6 設(shè)計(jì)利用“三級(jí)”沉淀系統(tǒng)，緩解井底水倉(cāng)的清理壓力，提高礦井的抗災(zāi)能力。

孫鑫（1985—），男，山東煙臺(tái)人，2008年畢業(yè)于山東科技大學(xué)采礦工程專業(yè)，采煤助理工程師，現(xiàn)為葛泉礦技術(shù)科副科長(zhǎng)。

周娜］