豫西 “三軟”煤層水體下采煤工程技術(shù)實(shí)踐

李紅行 楊成軼 劉志鴻 婁 鵬

（1.鄭州煤炭工業(yè) （集團(tuán)）有限責(zé)任公司，河南省鄭州市，450042；2.中國礦業(yè)大學(xué) （北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083）

豫西 “三軟”煤層水體下采煤工程技術(shù)實(shí)踐

李紅行1楊成軼2劉志鴻1婁 鵬2

（1.鄭州煤炭工業(yè) （集團(tuán)）有限責(zé)任公司，河南省鄭州市，450042；2.中國礦業(yè)大學(xué) （北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083）

針對(duì)鄭州礦區(qū) “三軟”煤層地質(zhì)采礦條件，結(jié)合 “三下”采煤技術(shù)，提出了楊河煤業(yè)魔洞王水庫下隔離開采的開采方案，確定了水庫下采煤工作面的推進(jìn)方向和速度，并給出了水庫和堤壩保護(hù)煤柱范圍內(nèi)合理的開采厚度。通過導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算，分析了水庫下采煤的安全性。工作面采用綜采放頂煤一次采全高，工作面大致為由東向西推進(jìn)，與水庫大壩長軸走向基本一致，經(jīng)首采工作面試采實(shí)踐證明開采方案安全可行。

三軟煤層 水體下采煤 導(dǎo)水裂隙帶 推進(jìn)方向 推進(jìn)速度 鄭州礦區(qū)

水體下采煤的主要問題是水體一旦遭受破壞，將會(huì)威脅整個(gè)礦井的生產(chǎn)和人身安全。而三軟煤層的采煤特點(diǎn)給水下采煤帶來了很大的困難。

本文在現(xiàn)場調(diào)研、收集地質(zhì)采礦資料的基礎(chǔ)上，根據(jù)水體下采煤的技術(shù)理論，結(jié)合具體的地質(zhì)采礦條件，通過上覆巖層破壞高度的計(jì)算、地表移動(dòng)和變形的分析對(duì)魔洞王水庫水體下采煤的安全性進(jìn)行了研究和論證。

1 礦井概況

楊河煤業(yè)31采區(qū)位于滎密大背斜南翼，為一較平緩的單斜構(gòu)造，以近東西向之高角度南升北降之?dāng)嗔褳槠涮卣鳎蓞^(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，煤層結(jié)構(gòu)簡單，屬較穩(wěn)定緩傾斜煤層，煤層上覆厚200 m以上基巖。魔洞王水庫位于楊河煤業(yè)31采區(qū)中部，堤壩位于31采區(qū)的中下部。水庫底面北部、中部和南部下距二1煤層頂板分別為204 m、394 m和452 m。水庫估算壓煤面積約30萬m2，壓煤量預(yù)計(jì)達(dá)6.84 Mt。若為水庫及堤壩留設(shè)保護(hù)煤柱，將對(duì)31采區(qū)的開采布局造成影響，楊河井田的多個(gè)工作面將不能開采。

2 “三軟”煤層水體下采煤方案及開采工藝

2.1 魔洞王水庫下采煤方案

楊河煤業(yè)31采區(qū)煤層結(jié)構(gòu)簡單，屬穩(wěn)定緩傾斜煤層，頂板以上含水層對(duì)開采影響不大，且有200 m以上的上覆基巖，適合采用隔離法進(jìn)行開采，結(jié)合礦井生產(chǎn)的實(shí)際情況，楊河煤業(yè)31采區(qū)水庫下采煤采用留煤巖柱頂水開采，回采工作面采用走向長壁后退式綜采放頂煤采煤法，全部陷落法管理頂板。

2.2 水下開采厚度

為了保證堤壩及水庫的安全，防止上覆水體和泥砂潰入井下，在堤壩及水庫的保護(hù)煤柱范圍內(nèi)必須要有合理的開采高度。為最大限度減小開采對(duì)堤壩的影響，確保堤壩的整體性和穩(wěn)定性，同時(shí)結(jié)合該礦實(shí)際情況，在堤壩保護(hù)煤柱范圍內(nèi)只采不放，在水庫保護(hù)煤柱開采范圍內(nèi)采用限厚開采。

2.3 導(dǎo)水裂縫帶最大高度

根據(jù) “三下”采煤規(guī)程中給出的緩傾斜條件下厚煤層分層開采時(shí)的垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶高度的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，確定31采區(qū)水庫保護(hù)煤柱范圍內(nèi)限厚開采時(shí)的垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶高度。經(jīng)計(jì)算保護(hù)煤柱范圍內(nèi)限厚開采時(shí)的垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶高度如表1所示。

表1 保護(hù)煤柱范圍內(nèi)限厚開采時(shí)的垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算表

2.4 安全性分析

水庫保護(hù)煤柱范圍內(nèi)鉆孔資料所示各功能巖層厚度見表2，同時(shí)結(jié)合表1參數(shù)，得出導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育的最大標(biāo)高與基巖頂部邊界之間的基巖巖柱厚度均在167.72 m以上，再加上18 m厚的第四系砂質(zhì)粘土的隔水作用，導(dǎo)水裂縫帶不會(huì)波及地表上的水體魔洞王水庫，31采區(qū)水體下開采方案是安全可行的。

表2 魔洞王水庫附近鉆孔資料所示各功能巖層厚度統(tǒng)計(jì)表 m

2.5 工作面推進(jìn)方向和推進(jìn)速度

為了確保堤壩的安全，在堤壩保護(hù)煤柱下采煤，必須保證工作面的推進(jìn)方向與水庫堤壩的軸向一致，并確定合理的推進(jìn)速度。

2.5.1 工作面推進(jìn)方向

楊河煤業(yè)31采區(qū)為單翼采區(qū)，根據(jù)采區(qū)布置各工作面的推進(jìn)方向大致為由東向西推進(jìn)，魔洞王水庫大壩長軸為東西走向，各個(gè)工作面推進(jìn)方向與魔洞王水庫大壩長軸走向基本一致，因此工作面推進(jìn)方面對(duì)堤壩的影響不大，有利于堤壩的穩(wěn)定下沉。

2.5.2 工作面推進(jìn)速度

工作面的推進(jìn)速度直接影響著地表最大下沉速度與地表最大下沉值，為了保證水庫下采煤的安全，采煤工作面必須要有合理的推進(jìn)速度，確定其關(guān)系的常用經(jīng)驗(yàn)公式如下：

式中 ：V——工作面推進(jìn)速度，m／d；

vmax——地表下沉最大速度；m／d

H0——平均開采深度，m

wmax——地表最大下沉值，m；

K——下沉速度系數(shù)。

表3 堤壩沉降速度與工作面推進(jìn)速度對(duì)應(yīng)表

楊河煤業(yè)31采區(qū)上覆巖層為軟～中硬巖層，根據(jù)該礦埋深相近的區(qū)域開采地表深陷觀測，下沉速度系數(shù)K約為1.3～1.45，地表最大下沉值為3.8 m。平均開采深度H0為375 m，土堤壩允許的最大下沉速度為0.040 m／d。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可計(jì)算出堤壩附近工作面適當(dāng)?shù)耐七M(jìn)速度，計(jì)算結(jié)果如表3所示。根據(jù)式 （1）可知，地表最大下沉速度與工作面的推進(jìn)速度成正比，因此，在開采過程中要確定適當(dāng)?shù)拈_采推進(jìn)速度，以確保堤壩的安全。如果推進(jìn)速度過慢，容易使工作面前方出現(xiàn)邊界效應(yīng)，不利于堤壩的保護(hù)；如果推進(jìn)速度過快，容易加劇堤壩的變形速度，也不利于堤壩的保護(hù)?；谝陨戏治?，在31采區(qū)堤壩保護(hù)煤柱范圍內(nèi)進(jìn)行回采時(shí)，應(yīng)采用合理的開采速度，以避開開采速度的危險(xiǎn)區(qū)，堤壩附近工作面的平均開采速度盡量保持在1.5～2.7 m／d。

3 開采方案安全可行性驗(yàn)證

3.1 試采工作面概況

楊河煤業(yè)31071工作面位于31采區(qū)中部，水庫位于工作面中部相對(duì)應(yīng)的地面上，堤壩位于工作面南部200 m左右，工作面走向長1220 m，切巷長130 m，煤層底板標(biāo)高為-170～-59 m，地面標(biāo)高+180～+202 m，平均埋深282.3 m，平均煤厚6 m，工作面采用綜采放頂煤一次采全高，全部陷落法管理頂板，采用ZFZ-6000／19／28LT型放頂煤液壓支架支護(hù)，綜采工作面兩端使用ZFZ-6000／21／30LT型端頭液壓支架。工作面由東往西推進(jìn)，工作面推進(jìn)速度2.4 m／d，在堤壩保護(hù)煤柱范圍內(nèi)采高2.8 m，在水庫保護(hù)煤柱圍內(nèi)采高5 m，采高2.8 m，放頂煤2.2 m。

3.2 試采試驗(yàn)觀測

（1）地表巖移觀測。在31071工作面中部相對(duì)應(yīng)的地表建立地表巖移觀測站，在工作面內(nèi)地表布置了一條走向觀測線和一條傾斜觀測線，走向觀測線布設(shè)19個(gè)觀測點(diǎn)，傾向觀測線布置15個(gè)觀測點(diǎn)。根據(jù)31071工作面地表巖移觀測，地面受工作面采動(dòng)影響范圍為上副巷以北140 m，下副巷以南220 m。地面受采動(dòng)影響，超前影響距為60 m，超前影響角為78°，最大下沉速度滯后距離為120 m，最大下沉速度滯后角為67°，地表最大下沉值位置為下副巷以南30～50 m之間，最大下沉量為2.3 m，小于埋深相近區(qū)域開采后地表最大下沉值3.8 m，該開采方案能保證堤壩及水庫下開采的安全。

（2）水位觀測。在31軌道下山建立了測水站，每月觀測不少于3次，觀測涌水量基本穩(wěn)定在70 m3／h左右。地面在31071工作面附近觀測6個(gè)水井水位，井深度不超過50 m，水源為淺部水，水位隨著季節(jié)雨水增加有所變化，但水位變化不超過1.5 m。

（3）采空區(qū)導(dǎo)通試驗(yàn)。在31071工作面采空區(qū)地表充分采動(dòng)范圍內(nèi)7個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行了導(dǎo)通試驗(yàn)，1＃、5＃、6＃注水點(diǎn)位于工作面上副巷附近，2＃、3＃注水地點(diǎn)基本位于工作面中部，4＃、7＃注水點(diǎn)位于工作面下副巷南部40 m附近，在每個(gè)注水點(diǎn)位置選擇較大的裂縫，用排水能力不小于50 m3／h排水泵抽水直接注入裂縫內(nèi)，每個(gè)點(diǎn)連續(xù)注水量不小于500 m3，累計(jì)注水量3650 m3，地表裂縫注水后工作面采空區(qū)內(nèi)無異常。

4 結(jié)論

（1）結(jié)合 “三軟”煤層特點(diǎn)， 楊河煤業(yè)31采區(qū)水庫下采煤采用留煤巖柱頂水開采，回采工作面采用走向長壁后退式綜采放頂煤采煤法，全部陷落法管理頂板。通過31采區(qū)上覆巖層特性選取合理的巖層下沉系數(shù)，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式確定了工作面推進(jìn)方向及速度。

（2）根據(jù) “三下”采煤規(guī)程中給出的緩傾斜條件下厚煤層分層開采時(shí)的垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶高度的計(jì)算公式預(yù)測開采裂高，根據(jù)水體下采煤技術(shù)理論，結(jié)合具體的地質(zhì)采礦條件，通過上覆巖層破壞高度、地表移動(dòng)和變形分析，計(jì)算水庫下保護(hù)煤柱范圍內(nèi)限厚開采時(shí)的垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶高度，確定垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶不會(huì)波及地表上的魔洞王水庫。

（3）通過首采工作面試采，進(jìn)行了包括地表巖移觀測、采空區(qū)導(dǎo)通試驗(yàn)和水位觀測等，確定了地面受工作面采動(dòng)影響范圍及地表水位波動(dòng)范圍，并在地表裂縫注水后確定工作面采空區(qū)內(nèi)無異常，確保楊河煤業(yè)31采區(qū)水體下開采方案安全可行。

［1］何國清，楊倫，凌賡娣等 .礦山開采沉陷學(xué) ［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1994

［2］李春玉，張海戈，王志勤等 .三軟煤層放頂煤的礦壓特點(diǎn)及液壓支架的設(shè)計(jì)和實(shí)踐 ［J］.中國煤炭，1995 （6）

［3］田玉欣，孫如華，李帥 .導(dǎo)水裂隙帶高度確定方法研究 ［J］.中國煤炭，2013（9）

［4］李偉，詹振江 .淮北礦區(qū) “三軟”極復(fù)雜煤層綜采技術(shù)研究與實(shí)踐 ［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2010（11）

［5］袁亮，吳侃 .淮河堤下采煤的理論研究與技術(shù)實(shí)踐［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003

［6］錢鳴高，石平五 .礦山壓力與巖層控制 ［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003

［7］馮寶興，董現(xiàn)鋒 .水體下壓煤綜放開采試驗(yàn)研究［J］.中州煤炭，2011 （4）

［8］李佩全 .淮南礦區(qū)水體下采煤的實(shí)踐和認(rèn)識(shí) ［J］.中國煤炭，2001（4）

Practice of under-water mining engineering technology in"three soft"coal seam in Western Henan

Li Hongxing1，Yang Chengyi2，Liu Zhihong1，Lou Peng2
（1.Zhengzhou Coal Industry（Group）Co.，Ltd.，Zhengzhou，Henan 450042，China；2.Faculty of Resources and Safety Engineering，China University of Mining ＆ Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China）

Aiming at the geological mining conditions of"three soft"seam in Zhengzhou mining，combining with the"three-under"mining technology，the paper put forwards the mining scheme of isolating mining under the Mowangdong reservoir for Yanghe Coal Mine.It determines the advancing direction and speed of the working face during mining under the reservoir and presents rational mining thickness within the range of protective coal pillars of reservoir and dam.Through calculating the height of the water flowing fractured belt，this paper analyzes the security of mining under Mowangdong reservoir.Fully-mechanized and full-seam cutting is adopted in the working face，and the advancing direction is from east to west generally and the trend is basically same with the long axis of the Mowangdong reservoir.The mining practice of the first working face proves that the mining scheme is safe and feasible.

three soft coal seam，under-water coal mining，water flowing fractured zone，advancing direction，advancing speed，Zhengzhou mining area

TD823.83

A

李紅行 （1979-），男，河南靈寶人，工程師，碩士研究生，2002年參加工作，從事生產(chǎn)技術(shù)管理工作。

（責(zé)任編輯 張毅玲）