趙固二礦露頭區(qū)域二1煤層合理開(kāi)采上限研究

高 山

(焦作市宏圖礦業(yè)設(shè)計(jì)有限公司，河南 焦作 454002)

1 概述

焦作煤業(yè)(集團(tuán))新鄉(xiāng)能源有限公司(簡(jiǎn)稱“趙固二礦”)為一新投產(chǎn)礦井。井田東西長(zhǎng)約15km，南北寬2～5.5km，總面積37km2。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為1.80Mt/a，可采儲(chǔ)量為139.86Mt，服務(wù)年限為55.5a。礦井主采二1煤層，煤厚4.73～6.77m，平均為6.16m，開(kāi)采標(biāo)高-500m～-1100m。

井田總體為一走向北西、傾向南西、傾角4～10°的單斜構(gòu)造，東北部隱伏露頭區(qū)煤層頂板覆巖厚度薄?；鶐r風(fēng)化帶含水層主要位于井田東部二1煤層隱伏露頭附近，一般厚20～35m。根據(jù)鉆孔資料，單位涌水量0.135L/s·m，屬中等富水含水層。

煤層隱伏露頭區(qū)域工作面開(kāi)采受新近系砂礫含水層及基巖風(fēng)化帶含水層的威脅。礦井原設(shè)計(jì)采用綜采分層開(kāi)采，對(duì)于新近系含水層留設(shè)露頭防砂煤巖柱40m、防水煤巖柱75m。11011工作面為礦井的首采工作面，由于受上述水體威脅，采用分層綜采，目前上分層已安全回采完畢。礦井正開(kāi)采11050工作面，采煤方法采用一次采全高綜采，為降低導(dǎo)水裂縫帶對(duì)含水層影響，在基巖厚度小于70m區(qū)域限厚5m開(kāi)采。目前工作面已經(jīng)推進(jìn)1000余米，涌水量穩(wěn)定在20m3/h左右，為頂板砂巖裂隙水，沒(méi)有發(fā)生砂礫含水層出水、潰砂的現(xiàn)象。

在煤層隱伏露頭區(qū)域，由于限厚開(kāi)采及采煤工藝的不同，不僅損失了大量的煤炭資源，而且增加了生產(chǎn)管理、通風(fēng)和掘進(jìn)的困難，同時(shí)生產(chǎn)過(guò)程中也隱含著不安全的因素。為保障露頭區(qū)域工作面高產(chǎn)高效安全回采，有必要對(duì)安全煤巖柱留設(shè)類型與合理開(kāi)采上限進(jìn)行論證。

根據(jù)目前掌握的資料，大采高綜采與分層綜采相比，其開(kāi)采強(qiáng)度大大增加，采煤成本明顯降低，采煤工作效率和礦井經(jīng)濟(jì)效益顯著提高，但大采高開(kāi)采覆巖破壞程度明顯高于分層綜采。因此，趙固二礦在煤層隱伏露頭區(qū)域松散層下部礫石層含水層及基巖風(fēng)化帶含水層下，工作面開(kāi)采由分層開(kāi)采或限厚開(kāi)采變?yōu)榱粼O(shè)防砂安全煤巖柱實(shí)現(xiàn)一次采全高綜采(簡(jiǎn)稱“大采高”)，對(duì)趙固二礦實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效、安全生產(chǎn)具有重要意義。

2 頂板水文地質(zhì)條件及富水性對(duì)采煤影響分析

2.1 隱伏露頭區(qū)域簡(jiǎn)介

隱伏露頭區(qū)域位于一盤(pán)區(qū)及二盤(pán)區(qū)中東部。松散層下部發(fā)育有礫石層，富含泥質(zhì)或夾有黏土薄層，呈半固結(jié)狀態(tài)，滲透率介于含水與弱透水之間?；鶐r風(fēng)化帶含水層主要位于井田東部二1煤層隱伏露頭附近，一般厚20～35m，局部為中等富水含水層。新近系底部砂礫石層孔隙水及基巖風(fēng)化帶含水層對(duì)礦井生產(chǎn)有一定威脅。

2.2 露頭區(qū)上覆含水層對(duì)開(kāi)采影響的分析

露頭區(qū)頂板含水層主要有：二1煤頂板砂巖含水層、基巖風(fēng)化帶含水層、新近系底部砂礫石含水層及地表水和新生界淺部孔隙水含水層。結(jié)合露頭區(qū)鉆孔及探查鉆孔所揭露的水文資料，各含水層對(duì)開(kāi)采影響程度分析如下。

2.2.1 二1煤頂板砂巖含水層

主要由大占砂巖和香炭砂巖組成，厚10m左右，所揭露鉆孔均未發(fā)生涌、漏水現(xiàn)象，屬孔隙裂隙弱富水含水層，水位標(biāo)高+67.78m。井田區(qū)內(nèi)埋藏深度在400m以上，除在東部隱伏露頭帶接受新近系或第四系砂礫層孔隙水補(bǔ)給外，直接或間接接受大氣降水和地表水補(bǔ)給的條件均較差。該含水層位于二1煤層工作面導(dǎo)水裂縫帶范圍內(nèi)，將成為露頭區(qū)煤層開(kāi)采直接充水含水層。由于富水性弱，正常情況下通過(guò)采前鉆孔疏降，邊采邊疏，基本達(dá)到疏干狀態(tài)，在采煤過(guò)程中對(duì)生產(chǎn)影響不大。

2.2.2 基巖風(fēng)化帶含水層

該含水層由隱伏出露的不同巖層組成，一般厚20～35m，富水性極不均勻，僅局部達(dá)到中等富水性，大部分為弱富水性。另外，風(fēng)化帶巖體呈碎塊狀，流動(dòng)性差，難以潰入工作面。如果留設(shè)防水安全煤巖柱，將導(dǎo)致大量煤炭資源壓滯。因此，采用采前鉆孔探放，工作面邊采邊疏的方法，可使工作面上方該含水層基本達(dá)到疏干狀態(tài)。

2.2.3 新近系底部砂礫石含水層

該含水層由礫石、砂礫石組成，屬中等富水含水層。礫石層富含泥質(zhì)或夾有黏土薄層，其底部分布有厚層黏土或砂質(zhì)黏土層，厚0～53m。所以，新近系底部砂礫石含水層對(duì)采煤影響總體有限。

2.2.4 地表水和新生界淺部孔隙水含水層

該含水層由于距二1煤間距很大，新近系地層發(fā)育有數(shù)層隔水性能良好、厚度較大的黏土和砂質(zhì)黏土層，因此，在煤層開(kāi)采期間該含水層對(duì)礦井不構(gòu)成充水威脅。

綜合上述資料可知，對(duì)工作面開(kāi)采有影響的頂板含水層有頂板砂巖含水層、基巖風(fēng)化帶含水層及新近系底部砂礫含水層。

3 露頭區(qū)域安全煤巖柱留設(shè)與二1煤層開(kāi)采方案及開(kāi)采上限的確定

3.1 安全煤巖柱留設(shè)原則

3.1.1 防砂安全煤巖柱留設(shè)原則

底界面下為穩(wěn)定的厚黏性土隔水層或有疏降條件的松散層和基巖弱含水層水體，在其下部開(kāi)采二1煤層時(shí)，允許導(dǎo)水裂縫帶波及松散孔隙弱含水層水體，但不允許垮落帶波及該水體，必須留設(shè)防砂安全煤巖柱。防砂安全煤巖柱垂高(Hs)應(yīng)大于或等于垮落帶的最大高度(Hm)加上保護(hù)層厚度(Hb)，即。

3.1.2 防水安全煤巖柱留設(shè)原則

底界面下無(wú)穩(wěn)定的泥質(zhì)巖類隔水層的基巖強(qiáng)、中含水層水體，在其下部開(kāi)采二1煤層時(shí)，不允許導(dǎo)水裂縫帶波及到水體，必須留設(shè)防水安全煤巖柱。防水安全煤巖柱垂高(Hsh)應(yīng)大于或等于裂縫帶的最大高度(Hli)加上保護(hù)層厚度(Hb)，即：

Hsh≥Hli+Hb

3.2 二1煤層開(kāi)采方案及覆巖破壞高度預(yù)計(jì)

3.2.1 開(kāi)采方案

二1煤為厚煤層，煤層平均厚6.16m，最大厚6.77m。根據(jù)不同開(kāi)采方法對(duì)覆巖破壞的影響，以及工作面采煤設(shè)備參數(shù)，選擇以下開(kāi)采方案。

方案1 基巖厚度大的區(qū)域，一次采全高。工作面產(chǎn)量高，易實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。采高平均為6.16m。

方案2 基巖厚度較大的區(qū)域，分層開(kāi)采。資源采出率高，覆巖破壞程度較一次采全高低。第1分層采高3.50m，第2分層采高2.66m。

方案3 基巖厚度薄的區(qū)域，只開(kāi)采頂分層。工作面產(chǎn)量較高，盡可能回收煤炭資源，同時(shí)降低覆巖破壞高度，頂分層采高3.50m。

3.2.2 覆巖破壞高度預(yù)計(jì)

分別按大采高開(kāi)采、分層開(kāi)采和采頂分層的覆巖破壞高度經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)計(jì)垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶高度。

(1)一次采全高(采高6.16m，中國(guó)礦大綜放開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)公式)

式中，Hm為垮落帶高度，m；Hli為導(dǎo)水裂縫帶高度，m；M為煤層采厚，m；采用一次采全高采煤法，計(jì)算采用煤層全厚平均值為6.16m。

(2)分二層開(kāi)采(煤層全厚ΣM平均為6.16m，“三下”開(kāi)采規(guī)程中的計(jì)算公式)

(3)只開(kāi)采頂分層(煤層頂分層厚ΣM平均為3.5m，“三下”開(kāi)采規(guī)程中的計(jì)算公式)

3.3 開(kāi)采上限的確定

3.3.1 最小防砂、防水安全煤巖柱厚度確定3.3.1.1 安全煤巖柱保護(hù)層留設(shè)

根據(jù)趙固二礦實(shí)際開(kāi)采資料，最小防砂安全煤巖柱保護(hù)層留設(shè)：大采高開(kāi)采保護(hù)層厚度為3.8A；分層開(kāi)采的保護(hù)層厚度為4.8A。最小防水安全煤巖柱保護(hù)層留設(shè)：大采高開(kāi)采保護(hù)層厚度為3.8A；分層開(kāi)采的保護(hù)層厚度為6A。A為煤層一次開(kāi)采厚度。

3.3.1.2 最小防砂、防水安全煤巖柱厚度確定

露頭區(qū)域基巖標(biāo)高差異較大，因此難以采用標(biāo)高的方式確定開(kāi)采上限，而是采用基巖柱厚度的方法。最小防砂、防水安全煤巖柱厚度見(jiàn)表1，表2。

表1 最小防砂安全煤巖柱厚度

表2 最小防水安全煤巖柱厚度

3.3.2 開(kāi)采上限的確定3.3.2.1 防砂煤巖柱區(qū)域(參照表1)

在基巖柱厚度大于60m區(qū)域采用大采高一次采全高；在35～60m區(qū)域采用分二層開(kāi)采；在30～35m區(qū)域采用頂分層開(kāi)采，采高3.5m；小于30m的區(qū)域不予開(kāi)采。

按防砂煤巖柱留設(shè)，礦井原設(shè)計(jì)開(kāi)采上限：基巖柱厚度為40m。現(xiàn)確定開(kāi)采上限：基巖柱厚度為30m，相比前者減少了10m。

3.3.2.2 防水煤巖柱區(qū)域(參照表2)

在基巖柱厚度大于110m區(qū)域采用大采高一次采全高； 在75～110m區(qū)域采用分二層開(kāi)采；在70～75m區(qū)域采用頂分層開(kāi)采，采高3.5m；小于70m的區(qū)域不予開(kāi)采。

按防水煤巖柱留設(shè)，礦井原設(shè)計(jì)開(kāi)采上限：基巖柱厚度為75m?，F(xiàn)確定開(kāi)采上限：基巖柱厚度為70m，相比前者減少了5m。

4 結(jié)論

根據(jù)趙固二礦的具體情況，通過(guò)理論計(jì)算，合理確定在隱伏露頭區(qū)域二1煤層的開(kāi)采上限。與礦井原設(shè)計(jì)相比：防砂煤巖柱區(qū)域開(kāi)采上限由基巖柱厚度40m降至30m；防水煤巖柱區(qū)域開(kāi)采上限由基巖柱厚度75m降至70m。因此，露頭區(qū)域二1煤層開(kāi)采范圍相應(yīng)增加，可增加可采儲(chǔ)量0.76Mt，增加銷售收入4.5億元。該研究成果不僅為礦井在隱伏露頭區(qū)域安全、高效地開(kāi)采二1煤層提供技術(shù)支撐和理論依據(jù)，還可給礦上帶來(lái)顯著經(jīng)濟(jì)效益。

[參考文獻(xiàn)]

[1]國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.煤礦安全規(guī)程[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2011.

[2]國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.煤礦防治水規(guī)定[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2009.

[3]國(guó)家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2000.

[4]許延春，劉世奇.水體下綜放開(kāi)采的安全煤巖柱留設(shè)方法研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2011，39(11)：1-4.

[5]陳永超，張紅超，馬國(guó)亮，等.巨厚煤層放頂開(kāi)采上覆巖層應(yīng)力變化規(guī)律研究[J].能源技術(shù)與管理，2011(3).

[6]劉 魁.礦井急傾斜煤層開(kāi)采實(shí)踐[J].科技信息，2011(34).