丁集煤礦1521(3)工作面提高開采上限可行性研究

邵小朋，朱慶偉，李 博

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

丁集煤礦1521(3)工作面提高開采上限可行性研究

邵小朋，朱慶偉，李 博

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

丁集煤礦原設(shè)計留設(shè)80 m的安全煤柱，通過借鑒相同地質(zhì)條件下相鄰礦井潘三礦縮小防水煤柱，提高開采上限成功經(jīng)驗，對1521(3)工作面提高開采上限可行性進(jìn)行研究。經(jīng)驗公式計算結(jié)果表明，1521(3)工作面提高開采上限后導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育最大高度43.13 m,取保護(hù)層厚度16.2 m,得到1521(3)工作面留設(shè)60 m安全煤柱可行的結(jié)論，與原設(shè)計80 m保護(hù)煤柱相比，釋放了開采區(qū)域,預(yù)計可多開采煤量19.6萬噸。

丁集礦；安全煤柱；開采上限；導(dǎo)水裂隙帶

0 引言

雜地質(zhì)條件下的難采煤層，尤其是“三下”煤層[1-3]的開采逐漸受到人們的重視。但“三下開采”面臨多種多樣的安全問題，使開采技術(shù)難度加大，特別是水下采煤受到煤層上方水體的威脅，大大增加了煤層開采工作面突水的危險性。因此水下開采時進(jìn)行工作面開采上限的研究[4-7]、合理確定安全防水煤柱[8]，對確保采煤工作面的安全的開采，提高資源回收量，延長礦井服務(wù)年限具有重要的意義。

1 礦井基本概況

淮南丁集煤礦為巨厚新生界松散層覆蓋條件下的全隱蔽式井田，礦井9個可采煤層，中13-1、4-1為全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層，11-2、8、5-1、4-2為大部分可采的較穩(wěn)定煤層，7-2、3、1為大部分可采的不穩(wěn)定煤層。礦井初步設(shè)計針對新生界松散水體各主采煤層均留設(shè)80 m防水煤柱，防水煤柱資源量約2450.54萬噸。

2 工作面概況

2.1 煤層賦存情況

1521(3)工作面為東三采區(qū)第二個工作面，工作面東側(cè)為3F13-4(H=25 m)、DF40(H=15～30 m)斷層,西側(cè)為SF271(H=15 m)斷層及東三采區(qū)大巷保護(hù)煤柱線,南側(cè)為尚未掘進(jìn)的1531(3)設(shè)計工作面,北側(cè)為5F-72(H=30～88 m)斷層及防水煤柱線。

工作面設(shè)計走向長度1647 m、斜長248.2 m，面內(nèi)煤厚2.7～4.6 m，平均3.5 m，地質(zhì)儲量約206.9萬噸，可采煤量200.9萬噸，1521(3)工作面位置示意圖見圖1。

圖1 1521(3)工作面示意圖

2.2 地質(zhì)構(gòu)造特征

工作面煤層走向南東至北東向，傾向150～223°，傾角12～28°，平均16°。

根據(jù)工作面內(nèi)及周邊鉆孔、巷道實際揭露、三維地震勘探資料綜合分析，面內(nèi)及其附近的主要斷層有3F13-4、DF40、5F-72、SF275、SF271、SF87、3F-44、3F-50等。

2.3 水文地質(zhì)條件

丁集井田與開采相關(guān)的含水層(組)主要為新生界松散層含水層組、煤系砂巖含水層(組)、石炭系太原組與奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層(組)。其中對本工作面開采有影響的主要為煤系砂巖含水層(組)和新生界下部含水層(組)。

2.3.1 煤系砂巖含水層

根據(jù)勘探期間鉆孔抽水試驗成果，煤系地層砂巖含水層單位涌水量q=0.000676～0.0348 L/(s·m)，滲透系數(shù)K=0.00226～0.207 m/d，弱富水性；礦井及礦區(qū)開采實際，煤層頂板砂巖水總體上以靜儲量為主，富水性相對弱，對工作面開采影響小。

2.3.2 新生界松散層含水層

根據(jù)工作面及周邊鉆孔資料，工作面上覆新生界松散層厚324.80 m～603.10 m，按照含隔水層的巖性組合及賦存特征, 自上而下劃分為上部含水層(組)、中部含水層(組)和下部含水層(組)三個含水層(組),以及上隔、中隔和下隔三個隔水層(組)，

(1) 上部含水層(組)：厚82.59～99.36 m，平均92.4 m，巖性主要為砂質(zhì)粘土、粉細(xì)砂、中細(xì)砂、粗砂及粘土質(zhì)砂，據(jù)井田抽水試驗成果，單位涌水量q=0.685～2.768 L/(s.m)，富水性中等～強(qiáng)。

(2) 上部隔水層(組)：厚0～19.4 m，平均厚2.9 m，巖性主要為粘土、砂質(zhì)粘土，隔水性不穩(wěn)定，厚度變薄和尖滅地段，上含下段與中含可產(chǎn)生水力聯(lián)系。

(3) 中部含水層(組)：厚197.82～210.55 m，平均206.7 m，巖性主要為細(xì)砂、中砂，局部為粗砂，夾若干砂質(zhì)粘土層，據(jù)井田抽水試驗成果，單位涌水量q=0.542～0.2564 L/(s.m)，富水性中等。

(4) 中部隔水層(組)：厚92.26～100.51 m，平均96.1 m，巖性主要為砂質(zhì)粘土，厚度大、分布穩(wěn)定，隔水性能好，為區(qū)域性隔水層組。

(5) 下部含水層(組)：厚72.58～90.62 m，平均77.6 m，巖性主要以粉細(xì)砂、砂礫層為主，據(jù)工作面附近補(bǔ)IIKZ2孔抽水資料，單位涌水量q=0.3656 L/(s.m)，滲透系數(shù)K=1.117 m/d，中等富水性。井田東部對下含進(jìn)行抽水試驗鉆孔共計6個，單位涌水量q=0.1262～0.4021 L/(s.m)，均屬于中等富水性。

(6) 下部隔水層

根據(jù)工作面及周邊鉆孔控制，本工作面上方新生界下隔不發(fā)育，下部含水層直接覆蓋于煤系地層之上，與煤系地層之間無穩(wěn)定隔水層，煤層綜合柱狀圖見下圖2。

圖2 煤層綜合柱狀圖

3 提高開采上限可行性研究

3.1 提高開采上限的地段

提高上限區(qū)域位于二十和二十一勘探線之間，周邊控制鉆孔9個，鉆孔控制密度達(dá)到16.5個/km2，其中補(bǔ)IIKZ2鉆孔對下含進(jìn)行了抽水試驗，總體上看，工作面上方及周邊基巖面及下部含水層控制程度較高，符合含水層下提高上限開采要求。

3.2 導(dǎo)水裂隙帶高度及保護(hù)層厚度預(yù)計

3.2.1 導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計

根據(jù)1521(3)工作面周邊鉆孔揭露13-1煤層頂板巖性及組合特征分析，本工作面為Ⅰ類水體下、中硬覆巖頂板類型[9]，需留設(shè)防水安全煤巖柱。根據(jù)礦井水文地質(zhì)規(guī)程，“三下”開采規(guī)程、潘集礦區(qū)擬合經(jīng)驗公式、潘謝礦區(qū)經(jīng)驗公式，預(yù)計本工作面采后導(dǎo)水裂隙帶高度。

(1) 礦井水文地質(zhì)規(guī)程計算公式

Hf=100M/(3.3n+3.8) +5.1

注： M—開采采高，M取2.7；n—煤層分層層數(shù)，n取1。

(2) “三下”開采規(guī)程計算公式

Hf=100∑M /(1.6∑M+3.6) ±5.6

注：∑M—累計采厚，取2.7。

(3) 潘集礦區(qū)擬合經(jīng)驗公式

Hf=41.77M(1-e-0.004H防)

注：Hf—導(dǎo)高 (m)；M—采厚(m)，取2.7；H防—防水煤巖柱高度 (m)，取60；

(4) 潘謝礦區(qū)經(jīng)驗公式

本工作面為Ⅰ類水體下、中硬覆巖頂板類型，取公式：

Hf/M=3.0239ln(H防)-5.092

注：Hf-導(dǎo)高 (m)；M—采厚(m)，取2.7；H防—防水煤巖柱高度 (m)，取60；

1521(3)工作面提高了開采上限后預(yù)留60 m防水煤柱，防水煤柱內(nèi)按采高2.7 m，中硬覆巖類型預(yù)計，導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計結(jié)果見表1。

表1 1521(3)工作面導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計結(jié)果表

3.2.2 保護(hù)層厚度預(yù)計

本工作面為Ⅰ類水體下、中硬覆巖頂板類型，按照規(guī)程規(guī)定取6倍的采厚作為保護(hù)層厚度：Hb=6M=16.2 m

3.3 安全煤柱的計算及可行性分析

安全煤柱一般為：H防=Hf+Hb

Hf:當(dāng)采高為2.7 m時,Hf為24.06～43.13 m，取最大裂隙發(fā)育43.13 m。

H防=Hf+Hb=43.13+16.2=59.33 m.

根據(jù)“三下”開采規(guī)程、潘謝礦區(qū)經(jīng)驗公式擬提高上限開采段按采厚2.7 m、中硬頂板覆巖類型預(yù)計，采后導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育高度為43.13 m，取6倍采厚作為保護(hù)層厚度為16.2 m,本面應(yīng)留設(shè)的最小防水安全煤巖柱59.33 m，小于設(shè)計留設(shè)的最小防水安全煤巖柱60 m，采后導(dǎo)水裂隙帶仍發(fā)育在二疊系地層中，因此，1521(3)工作面提高上限開采是可行的。

4 結(jié)論

(1) 通過對1521(3)工作面煤層賦存情況、地質(zhì)構(gòu)造特征分析以及借鑒同一地質(zhì)條件相鄰礦井潘三礦縮小防水煤柱，提高開采上限的成功經(jīng)驗，經(jīng)驗公式算結(jié)果表明，1521(3)工作面開采后導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育最大高度43.13 m,取保護(hù)層厚度16.2 m,得到1521(3)工作面留設(shè)60 m安全煤柱可行的結(jié)論，故理論上該工作面可實現(xiàn)安全開采。

(2) 該工作面縮小防水煤柱，提高開采上限理論上的可行性，對該工作面提高資源回收量，延長礦井服務(wù)年限具有重要意義，而且對未來其他工作面縮小防水煤柱，提高開采上限具有重要的指導(dǎo)意義。

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Feasibility Study on Improving Mining Upper Limit of 1521(3) WorkingFace in Dingji Coal Mine

SHAO Xiao-peng, ZHU Qing-wei, LI Bo

(CollegeofSafetyEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao, 101601,China)

Dingji coal mine originally set coal mine safety pillar of 80m, by referring to the successful experience of improving mining upper limit and reducing waterproof coal pillars in adjacent Pansan Coal Mine, which is under the same geological conditions, this paper studies how to improve the feasibility of mining upper limit on 1521 (3) working face. The empirical formula calculation results show that the maximum height of water flowing fractured zone in 1521 (3) working face is 43.13m after raising the upper limit of mining, taking the protective layer thickness of 16.2m, the conclusion is get that to keep the safe coal pillar of 60m is feasible, compared with the original design of 80m coal pillar, the mining area expands, which is expected to be more than 196,000 tons of coal available for mining.

Dingji Coal Mine; Safety coal pillar; the upper limit of mining; Water flowing fractured zone

2017-02-05

邵小朋(1990-)，男，河南商丘人，華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向：安全工程。E-mail：2225762318@qq.com

TD823

A

1672-7169(2017)01-0061-04