綜合地質(zhì)保障技術(shù)在崔木煤礦開采中的應(yīng)用

李 亮，田增輝

(陜西省一八六煤田地質(zhì)有限公司，陜西 西安 710065)

0 引言

煤礦地質(zhì)保障技術(shù)作為煤礦安全、高效生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一，列入安全高效礦井的5大保障體系。長期以來，我國煤田地質(zhì)和礦井地質(zhì)工作者在煤礦開采地質(zhì)條件等方面進行了大量探索，地質(zhì)保障技術(shù)的應(yīng)用，取得了豐碩成果。

崔木煤礦于2012年3月建成并投產(chǎn)，目前生產(chǎn)規(guī)模達4.0 Mt/a。隨著礦井的開采，一些地質(zhì)問題逐漸顯現(xiàn)出來，成為影響礦井安全高效開采的主要地質(zhì)因素，通過對這些地質(zhì)因素的分析研究，運用綜合地質(zhì)保障技術(shù)服務(wù)于礦井生產(chǎn)，確保了礦井持續(xù)安全高效生產(chǎn)。

1 煤礦地質(zhì)特征

崔木煤礦位于黃隴侏羅紀煤田永隴礦區(qū)東端，為掩蓋式煤田，地表在溝谷中零星出露有白堊系下統(tǒng)洛河組，其上為新近系及第四系廣泛覆蓋。地層由老到新依次為：中生界三疊系中統(tǒng)銅川組，侏羅系下統(tǒng)富縣組，中統(tǒng)延安組、直羅組、安定組，白堊系下統(tǒng)宜君組、洛河組，新生界新近系、第四系。延安組為本礦唯一含煤地層，含有可采煤層。

崔木煤礦位于麟游褶帶北部邊緣，隱伏構(gòu)造總體為一走向NEE，傾向NW-NNW向的單斜構(gòu)造。受同沉積構(gòu)造作用的影響，煤礦所在區(qū)域發(fā)育有次級褶曲，煤礦構(gòu)造賦存于北部的太峪背斜和南部的遙遠背斜之南北翼的含煤凹陷，如圖1所示。煤系地層由中三疊統(tǒng)銅川組基底繼承而來，傾角平緩，一般3°～5°，局部較大，但不超過17°。

圖1 崔木煤礦構(gòu)造分布圖

延安組3個含煤段自上而下分別含1#煤層及2、3兩個煤組，煤層編號為1、2-1、2-2、2-3、3-1、3#煤。其層位位于延安組各中級旋回的中下部和下部。礦區(qū)范圍內(nèi)主要發(fā)育第二段和第一段，第三段不甚發(fā)育，個別見煤點僅含1#煤層，第二段發(fā)育2煤組，第一段發(fā)育3煤組。3#煤層為大部可采的較穩(wěn)定型煤層，是煤礦唯一主采煤層，其余為不可采煤層。3#煤為特低硫，低磷，富油，中高揮發(fā)分，中等軟化溫度灰，高熱值不粘煤31號(BN31)為主，主要供動力用煤。

2 煤礦生產(chǎn)中主要地質(zhì)問題

2.1 小斷層發(fā)育

煤礦在巷道掘進過程中遇到了一些小斷層，有些是對勘探階段查明斷層的揭露，比如在21305機巷在標志點5P4至5J1之間揭露了DF1斷層，揭露點5處。在其它地段還揭露小斷層9處，均為正斷層，落差一般2～5 m，最大6.5 m。這些小斷層共有的特征是均為正斷層，且斷距較小，無揉皺現(xiàn)象，無明顯破碎帶，煤層層理受力牽引向上，落差向左幫及外側(cè)延伸增大，下盤煤層變薄，如圖2所示。

圖2 斷層DF1揭露點剖面圖

2.2 煤層厚度變化較大

煤層是煤礦開采的工作對象。煤層厚度不同，開采方法也不同，煤層厚度發(fā)生變化，必然要影響礦井的采掘工作。所以，煤層厚度變化是影響煤礦生產(chǎn)的重要地質(zhì)因素之一。

崔木煤礦工作面揭露煤厚與鉆探成果一致，目前開采的區(qū)域是煤層相對穩(wěn)定區(qū)。但在資源量控制程度較低的區(qū)域，煤層厚度變化大，且存在突然由巨厚煤層短距離內(nèi)尖滅消失的情況。特別是最低可采邊界線控制不清，需要進一步補充查明。經(jīng)探采對比分析，煤厚分布情況如圖3所示。

圖3 探采對比煤厚分布情況

煤礦開采5年，采用一次性綜采全放頂采全高，已開采區(qū)煤厚一般為13.5～28.4 m的巨厚煤層，可以看出，未采區(qū)的煤厚分布將以中厚～厚煤層為主，且穩(wěn)定類型屬于較穩(wěn)定，這是本礦將來煤厚變化的主要特征。

2.3 礦井瓦斯

礦井開采工作面監(jiān)測結(jié)果表明，瓦斯含量為0.49～12.40 m3/t，屬于復(fù)雜地質(zhì)類型的高瓦斯礦井，需結(jié)合采掘資料進一步論證瓦斯抽放及利用的可行性。

2.4 水文地質(zhì)

崔木煤礦受采掘破壞或影響的含水層為侏羅系延安組和直羅組含水層，以及白堊系洛河組砂巖含水層。延安組和直羅組屬弱富水性含水層，埋藏深而裂隙不甚發(fā)育，補給來源單一，導(dǎo)水性差，逕流滯緩，富水性弱，易于疏干，對礦井開采威協(xié)不大。白堊系洛河組砂巖孔隙裂隙含水層亦屬弱富水性含水層，但因其含水層厚度大，分布廣，富水性較延安組和直羅組含水層強，對礦井開采構(gòu)成一定威脅。

崔木煤礦突水事件時有發(fā)生，最大突水量在40～1 100 m3/h之間，其中大于600 m3/h的突水事件主要有2次；3#煤層正常涌水量為Q1=248 m3/h，最大涌水量為Q2=322 m3/h，目前開采地段觀測涌水量為77.9～223.8 m3/h；礦井還存在少量積水，位置、范圍、積水量清楚。主要防治水工作集中在防治離層積水對工作面安全生產(chǎn)的影響上，防治水工程量較大，難度較高，難易程度屬復(fù)雜類型。為了防治煤礦水害，需預(yù)先防治或井上下疏放。

3 綜合地質(zhì)保障技術(shù)

3.1 技術(shù)手段及成果

崔木煤礦綜合保障技術(shù)手段及取得的成果見表1。

表1 地質(zhì)技術(shù)方法及應(yīng)用成果匯總表

3.2 三維地震技術(shù)

地震勘探技術(shù)在煤礦采區(qū)應(yīng)用已近50年，現(xiàn)已成為煤礦安全高效開采前構(gòu)造勘探的首選技術(shù)之一，是煤礦地質(zhì)保障系統(tǒng)的核心技術(shù)，其勘探成果已成為采區(qū)設(shè)計和綜采工作面布置的重要依據(jù)。地面采用高分辨率三維地震勘探，可基本查明落差5 m以上的斷層和波幅大于5 m的褶曲，解釋3～5 m的斷點，圈定直徑大于20 m的地質(zhì)異常體，在條件較好地區(qū)精度更高。

崔木煤礦三維地震解釋預(yù)測區(qū)內(nèi)10個小型褶曲，分別為：花園陽坡向斜、北旺背斜、湯家向斜、桐樹坪-薛家坪背斜、B1背斜、X1向斜、B2背斜、X2向斜、B3背斜、X3向斜。

首采區(qū)及22盤區(qū)內(nèi)共解釋斷層25條，其中首采區(qū)三維地震勘探共解釋斷層5條，22盤區(qū)補充勘探三維地震勘探共解釋斷層20條，典型地震波剖面如圖4所示。

圖4 22DF3斷層在時間剖面及水平切片上的反映

褶曲對煤層開采的影響：首采區(qū)及22盤區(qū)煤系地層構(gòu)造總體為NNW向展布的背向斜交替構(gòu)造，在桐樹坪-薛家坪背斜和北旺背斜軸部存在無煤區(qū)。褶曲的形成對于埋藏在地底下的煤礦產(chǎn)生了諸多影響，對煤礦的采區(qū)及階段劃分、煤礦產(chǎn)量、進尺、成本、利潤等主要經(jīng)濟指標和企業(yè)的經(jīng)濟效益有一定的影響。①采區(qū)及階段劃分困難，21盤區(qū)的301和302工作面在北部與湯家向斜軸部斜交，在此區(qū)域煤層走向、傾向、傾角變化大，而采區(qū)及階段劃分時只能按照條條塊塊劃定，這就給主要運輸巷和采區(qū)上山等巖石巷道的布置帶來很大困難；②工作面回采難度加大，在向斜兩翼，由于煤層起伏變化大，使工作量增大，開采困難。

斷層對煤層開采的影響：①在采掘工作面，煤層比巖層的硬度小，受到斷層的牽扯力后，容易產(chǎn)生塑性流動，聚集增厚形成煤包，煤層結(jié)構(gòu)受到破壞，煤巖質(zhì)變松。當在該煤巖層開采時，原來的平衡受到破壞，易造成了煤巖層垮落事故；②在斷層上、下兩盤，由于受斷層牽扯影響，經(jīng)常會產(chǎn)生次一級的向背斜構(gòu)造，在背斜的軸部，煤巖層受到拉伸，煤巖層之間的粘合力降低。在向斜軸部，煤巖層的頂板受到擠壓，結(jié)構(gòu)受到嚴重的破壞，裂隙極為發(fā)育。在開采以后將其之間的平衡點破壞，極易造成垮落。

3.3 補充勘探對煤層厚度變化規(guī)律的揭示

隨著礦井的不斷開采，原有的勘探程度已經(jīng)不能滿足礦井的生產(chǎn)需要，因此及時進行補充勘探工作，須精細查明煤層的厚度及變化規(guī)律、可采范圍以及受構(gòu)造影響對盤區(qū)的劃分、巷道的布置，有著非常重要的作用。

崔木煤礦于2014年在22盤區(qū)進行了補充勘探工作，利用機械巖心鉆探、地球物理測井、采樣測試化驗等手段進一步查明了煤層可采范圍和厚度變化規(guī)律，同時精確控制了主采煤層的最低可采邊界線。

結(jié)合沉積分析得出其沉積規(guī)律是：隆起部位沉積薄或缺失，凹陷部位沉積厚，西部近河道區(qū)沉積薄，遠河道區(qū)沉積厚。煤礦中部為富煤區(qū)，厚度25～30 m以上。

3.4 “兩帶”觀測、疏放水對水害的治理

崔木礦井井巷開拓過程中，礦井直接充水含水層(侏羅系中統(tǒng)延安組煤系裂隙含水層及直羅組砂巖裂隙含水層)富水性較弱且裂隙不甚發(fā)育，充水方式以頂板出水為主，出水水量小，表現(xiàn)為頂板淋滴水。隨時間推移，直接充水含水層水易于疏干因而對煤礦生產(chǎn)影響相對較小。隨著工作面的回采，冒落帶的發(fā)育以及導(dǎo)水裂縫帶的形成與擴展，部分地段導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育至煤礦間接充水含水層(白堊系洛河組砂礫巖含水層)時，由于洛河組砂礫巖含水層分布廣泛且厚度大，富水性強，洛河組含水層水會進入井下，對礦井生產(chǎn)影響較大。如21301工作面回采時于2013年2月26日開始的突水事故，瞬時最大涌水量已達1 100 m3/h左右，期間G3號水文觀測孔觀測到洛河組含水層水位下降了26.05 m，后經(jīng)水質(zhì)化驗也證實此次突水水源主要為洛河組含水層水?？梢娒旱V局部地區(qū)導(dǎo)水裂縫帶已經(jīng)發(fā)育至洛河組含水層。

按照工作面平均采厚10.8 m，裂高采厚比取實測平均值21.49時，計算得出的3#煤層覆巖保護層厚度，統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：導(dǎo)水裂隙帶高度大部分進入白堊系洛河組，最大進入洛河組77.65 m，平均進入洛河組25.63 m。

自2014年開始，崔木煤礦施工了大量的“兩帶”觀測鉆孔，也證實了局部地區(qū)導(dǎo)水裂縫已經(jīng)與上部白堊系洛河組砂礫巖含水層連通，引起洛河組含水層水進入礦井，對煤礦充水影響較大。

3.5 頂板離層水的防治措施

依據(jù)巖層移動理論，崔木煤礦工作面頂部覆巖結(jié)構(gòu)是典型的上強下弱型，上部白堊系地層，即洛河砂巖、宜君礫巖的巖性比較堅硬，整體性強，下部侏羅系泥巖巖石力學(xué)強度小，易風(fēng)化，很容易產(chǎn)生大量的離層空間。3#煤層采動后，導(dǎo)水裂縫帶開始向地表發(fā)育，初期貫通了上部離層空間會導(dǎo)致離層積水瞬時大量涌入礦井，對煤礦安全生產(chǎn)影響較大。一旦導(dǎo)水裂縫帶擴展到離層空間，大量離層水瞬時涌入礦井，造成涌(突)水事件。如在21301工作面生產(chǎn)期間，多次發(fā)生突水，突水來源已經(jīng)有洛河組含水層水參與，這也說明，隨著導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育，上部離層水開始進入礦井。

對于離層積水的治理，已經(jīng)及時組織施工了地面直通式導(dǎo)流泄水孔，有效預(yù)防工作面離層積水涌突事故，保證了煤礦正常的開采進度，避免了水害事故的發(fā)生。

4 結(jié)語

煤礦生產(chǎn)是一個龐大的地下系統(tǒng)工程，正是由于綜合地質(zhì)保障技術(shù)的應(yīng)用，現(xiàn)代化煤礦的生產(chǎn)發(fā)展才能夠做到安全高效。崔木煤礦作為陜西寶雞地區(qū)的大型煤礦，在建設(shè)安全高效、現(xiàn)代化礦山的道路上一直走在全省前列。通過三維地震勘探，盤區(qū)補充勘探，“兩帶”觀測孔，井上、下疏放水等地質(zhì)技術(shù)逐漸解決了煤礦開采過程中遇到的小構(gòu)造發(fā)育、煤層可采邊界不清、頂板離層水害等問題，保障了煤礦安全高效開采。隨著煤礦的進一步開采生產(chǎn)，采空區(qū)回填技術(shù)的研究及應(yīng)用將是崔木煤礦地質(zhì)工作的重要任務(wù)。