港口煤礦大冶湖下開采實踐與認識

文學寬，黎 靈，李 健

(煤炭科學研究總院礦山安全技術研究分院，北京100013)

1 概況

港口煤礦是湖北省黃石市金海煤炭開發(fā)區(qū)5對礦井之一，設計生產(chǎn)能力0.15Mt/a。該礦處在大冶湖區(qū)之下，水文地質(zhì)條件復雜，長期處于被關停狀態(tài)。由于與其他4個煤礦為同一水文地質(zhì)單元，水力聯(lián)系密切，該礦的開采制約著其他礦井的安全開采。從2000年開始，煤炭科學研究總院、武漢煤礦設計研究院多次對大冶湖下開采進行可行性論證、設計，2003年批準試采。

2008年5月按照設計:在湖區(qū)－78m標高以下進行了頂水試采，采出近萬噸煤炭，采后未發(fā)生湖水下滲、礦井涌水量增加現(xiàn)象，達到了預期效果。

2 礦井水文地質(zhì)條件

港口井田走向長1.4km，傾斜寬1.8km，開采二迭系龍?zhí)睹航M2號煤層，煤層厚度0～4.51m，平均1.91m，傾角0～26°。礦井開拓方式為片盤斜井，走向短壁炮采。井田濱臨長江，大冶湖區(qū)之下，水文地質(zhì)條件復雜，對開采有影響的水源和水體有以下4類:

(1)地表水 井田地表水發(fā)育，井田中、深部之上的大冶湖面積60km2，最長處達40km，最高洪水位23.66m，與長江相通，是長江的分洪區(qū)。井田淺部有大冶河穿過，寬120m，深6m，下行16km可達長江。地表水為礦井關停的主要水體。

(2)地下水 港口井田煤系之上的主要含水層為:第四系坡積殘積亞黏土夾碎石孔隙含水層，厚度3～10m，含水性弱;大冶灰?guī)r第二層 (T1d2)巖溶裂隙含水層，局部可見溶蝕現(xiàn)象，且厚度達50m，但單位涌水量不大，僅為0.00023L/s·m，為富水性弱的含水層，且其下賦存有厚達60m的大冶灰?guī)r第一層 (T1d1)相對隔水層阻隔，該含水層對礦井開采影響不大。

(3)斷層的富水性和導水性 井田內(nèi)分布的斷層共3條，其中F2斷層將港口井田分隔為南北2個區(qū)域。該斷層為逆斷層，傾角50～70°，斷距25～80m，據(jù)抽水資料，該斷層的導水性很強，可能成為礦井充水通道。

(4)小煤窯采空積水 港口井田范圍內(nèi)，小煤窯星羅棋布。上世紀80年代，受“有水快流”和其他因素的影響，小煤窯急劇增加，井口多達100多處。小煤窯采空區(qū)無疑存在大量積水，由于處在露頭，易接受大氣降水的補給，因此，是中深部煤層開采的充水水源和大氣降水進水通道。

3 水體下開采安全技術措施

3.1 大冶湖下開采上限的合理確定

水體下壓煤安全開采的關鍵是開采上限，過高不安全，過低會丟煤。開采上限確定的依據(jù)是防水安全煤柱高度。根據(jù)“三下”采煤規(guī)程，直接位于基巖上方的大冶湖下采煤必須留設防水安全煤柱。按照防水安全煤柱高度確定的開采上限才能實現(xiàn)大冶湖下安全開采。

3.1.1 防水安全煤柱高度計算

“三下”采煤規(guī)程規(guī)定:防水安全煤柱的垂高應等于覆巖破壞導水裂縫帶的最大高度加上保護層的厚度，即:

式中，H水為防水安全煤柱高度，m;H裂為導水裂縫帶高度，m;H保為保護層厚度，m。

導水裂縫帶最大高度與采空區(qū)頂板巖性、煤層傾角，開采厚度有關。湖區(qū)下煤層厚度平均為1.91m，煤層的傾角為0～26°，故按緩傾斜煤層計算公式計算H裂。

采空區(qū)頂板巖性是影響導水裂縫帶高度最主要因素之一，湖區(qū)下煤層直接頂為8m左右的軟弱巖層，直接頂以上的基本頂為厚層的石灰?guī)r，抗壓強度均在60MPa以上，為堅硬巖層，故選用堅硬型公式預計導水裂縫帶的高度，即:

由公式 (1)計算:式中，H裂為導水裂縫帶高度，m;∑M為累計開采厚度，取2.0m;±8.9為計算中誤差，與巖性有關，取8.9m。導水裂縫帶最大高度計算結(jié)果為54.4m。

由公式 (2)計算:

導水裂縫帶最大高度計算結(jié)果為52.4m。取兩式中的最大者，即導水裂縫帶最大高度54.4m。

由于大冶湖底部有厚層湖積黏土隔水層，按4倍采厚選取，其保護層厚度H保為8.0m。

根據(jù)湖下開采后計算的導水裂縫帶最大高度為54.4m和保護層的厚度為8.0m，得出大冶湖下防水煤柱高度H水為62.4m，取62m。

3.1.2 開采上限的確定

根據(jù)港口井田剖面圖，按湖區(qū)第四紀黏土層底部最低標高－10m，確定出大冶湖下開采上限為－72m(見圖1)。

3.1.3 開采上限的保障措施

圖1 大冶湖下防水安全煤柱設計及開采上限

大冶湖下確定的開采上限－72m標高，與礦井第一生產(chǎn)水平標高一致。為了避免留設的防水安全煤柱縮小，礦井停止了水平大巷以上煤層的開采，并封閉了通往上山采場的通道。礦井限制在確定的開采上限之下進行開采，試采工作面回采標高為－78m，比設計的開采上限低6m。

3.2 留設斷層防隔水安全煤柱

地質(zhì)構(gòu)造對水體下采煤的威脅和危害是很大的。據(jù)統(tǒng)計，全國礦井水害的80%是斷層導水通道造成的。特別是當采掘工作接近到較大的斷裂帶時，可能發(fā)生寶塔形破壞，冒落帶和導水裂縫帶高度會增加，防水安全煤柱遭到破壞。

對于井田范圍已探明的導水性強的F2斷層，留設了寬度為70～110 m的防隔水安全煤柱。在湖下工作面布置時，根據(jù)地質(zhì)資料，均避開了斷層。掘進過程中，如發(fā)現(xiàn)斷層的跡象，采取了“有疑必探，先探后掘，先治后采?！?/p>

3.3 截排淺部小煤窯采空區(qū)積水

為了避免淺部小煤窯采空區(qū)成為中深部煤層開采的充水水源和大氣降水進水通道，礦井建立了淺部截排水系統(tǒng)。利用原慶利煤礦的井筒作為專用排水井，在形成獨立通風、供電、排水系統(tǒng)的基礎上，將淺部老窯積水和地表水截流在－72m標高的廢棄巷道內(nèi)，通過水溝由南向北流入水倉，由2臺125D－25×5離心式水泵和2趟D159×4無縫鋼水管排至地面。淺部截排水系統(tǒng)的建立，實現(xiàn)了礦井淺部水淺排、深部水深排、節(jié)約能源、減少排水費用的目的。

3.4 地表水防治綜合措施

(1)加高加固大冶湖堤 為防止雨季大冶湖水上漲，湖水潰堤淹沒礦區(qū)茅口硅質(zhì)巖出露地區(qū)及小窯塌陷區(qū)，湖水將通過茅口硅質(zhì)巖或老窯采空區(qū)直接補給井下，使礦井涌水量增加，從2002年開始就對大冶湖堤進行了加高加固。近幾年來，投入2900多萬元加高加固湖堤，堤壩由18m標高加高到23m以上，迎水面拋石防浪。每年雨季之前對湖堤進行檢察，發(fā)現(xiàn)開裂等及時進行修補加固。

(2)提高井口標高 港口煤礦是資源整合、重組礦井，全礦井有6個斜井，井口分布在露頭、湖畔，井口標高一般為21m，大冶湖洪水位曾達到23m。為了防止雨季湖水暴漲倒灌，礦井根據(jù)斜井井口特點，采取加長井筒措施，從而提高了井口標高。

(3)封填小煤窯塌陷區(qū) 對礦井開采范圍內(nèi)的小煤窯塌陷區(qū)周圍疏通溝渠，避免地表水直接流入塌陷區(qū)內(nèi)。對已勒令停產(chǎn)的小煤窯進行了治理，如井口支護尚未垮塌，且井口標高偏低的，采取先炸井口，再復蓋2m以上的黃土填平壓實;對有的井口雖已垮塌，但井口標高偏低，也采取了黃土填平壓實;對井口標高較高或不見井口，但有積水的塌陷區(qū)進行了回填。

4 大冶湖下開采的認識

港口煤礦在大冶湖下已安全開采4年多時間，采出20多萬噸煤炭。在總結(jié)安全開采經(jīng)驗的同時，結(jié)合大冶湖下開采條件的分析，得出大冶湖區(qū)下安全開采的原因，并通過采后觀測資料的分析，對位于長江中下游大型水體下、不穩(wěn)定煤層開采有了一些認識。

4.1 湖底黏土層是安全開采的重要因素

大冶湖區(qū)面積60km2，水深6m，汛期洪水位可達20m以上，從水體大小來看僅次于海區(qū)。通過大冶湖下的開采證實:由于湖區(qū)處在長江中下游平原地帶，江水流速減緩，江水中從上游攜帶的粉細土有利于沉積，在湖底形成淤泥層。大冶湖底就有厚達10～25m穩(wěn)定的第四系湖積黏土層，這些湖積黏土層因厚度大，塑性強，隔水性好，可以隔阻湖水與礦井含水層的直接水力聯(lián)系。

湖下開采后，若湖底基巖表面出現(xiàn)拉伸裂縫，由于湖積黏土層含水量飽和，具有良好的可塑性，當采動裂縫一出現(xiàn)就會由這些湖泥塑變而自動封閉，湖水下滲通道被堵，從而使湖下開采安全。

4.2 “兩帶”高度低于按“規(guī)程”的計算

大冶湖下首采面試采結(jié)束后，對覆巖破壞“兩帶”高度進行了探測，實測導水裂縫帶最大高度為27m，比按照“三下”采煤規(guī)程計算公式計算的導水裂縫帶最大高度54.4m低了27.4m。分析其原因，“三下”采煤規(guī)程計算公式是根據(jù)長壁工作面連續(xù)推進50m，回采空間達到5000m2以上的條件下得出的，而大冶湖區(qū)下煤層與湖北省其他礦區(qū)煤層類似，地質(zhì)構(gòu)造復雜，煤層不連續(xù)，厚度變化大，工作面難以按壁式布置，回采不連續(xù)，采空面積達不到導水裂縫帶最大高度的要求，所以“兩帶”高度低于按“規(guī)程”計算的高度。

4.3 大冶湖下有提高開采上限的可能

由于大冶湖水底界面之下有厚達10～25m穩(wěn)定的第四系湖積黏土層，煤層厚度變化大，煤層不連續(xù)，單一回采面積小，覆巖導水裂縫帶高度偏低的實際，在武漢煤礦設計研究院設計的開采上限基礎上存在提高的可能?！叭隆辈擅阂?guī)程第50條對類似大冶湖這種水體，可以留設防砂安全煤巖柱。防砂安全煤巖柱比防水安全煤巖柱的高度低，其開采上限也就相應提高了。

5 結(jié)束語

湖北港口煤礦大冶湖下壓煤開采，十幾年的時間里，經(jīng)過多家科研院所的論證，當?shù)馗骷壵M織召開了多次專家評審，最終實現(xiàn)了安全開采。

通過大冶湖下安全開采實踐和對開采條件的進一步分析發(fā)現(xiàn)，大冶湖由于所處的地理環(huán)境，具備了水體下開采得天獨厚的條件，為安全開采打下了基礎。

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