礦井水文地質(zhì)條件對(duì)礦井開采順序的影響研究

程晉

摘要：本文主要以州景煤礦水文地質(zhì)條件對(duì)礦井開采順序的影響進(jìn)行深入研究，通過分析州景煤礦含水層水文地質(zhì)條件以及煤層巷道掘進(jìn)過程中可能遇到的問題，提出調(diào)整州景煤礦開采順序方案，為礦井水防治工作奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：水文地質(zhì);煤層巷道;開采順序

州景煤礦位于我國(guó)廣西壯族自治區(qū)百色市田東縣郊西，可采煤層頂板埋深在700m以上。眾所周知，瓦斯、頂板、粉塵、水災(zāi)和火災(zāi)是煤礦面臨的主要災(zāi)害問題，尤其是水害問題，對(duì)州景煤礦的自然開采更是造成了極大的威脅。礦井水文地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，是典型的“復(fù)雜型”水文地質(zhì)條件。州景煤礦主采煤層是3號(hào)采煤層，在礦井生產(chǎn)過程中，2號(hào)煤層處設(shè)置一個(gè)薄煤層工作面配合煤礦開采工作。但由于州景煤礦的特殊性，無(wú)法直接進(jìn)行疏放水操作，因此應(yīng)當(dāng)從其他方面人手，尋找解決疏放水問題[1]。筆者建議可借鑒礦井防瓦斯、防沖擊地壓系統(tǒng)中“開采解放層”的理念，總結(jié)出通過3號(hào)煤層采空區(qū)，達(dá)到疏放2號(hào)煤層頂板含水層目的，并調(diào)整煤層開采順序從而保證礦井開采工作的安全、有序進(jìn)行。

1.含水層水文地質(zhì)條件

州景煤礦2號(hào)煤層頂板從上至下，同時(shí)分布著第四系松散層孔隙潛水含水層、侏羅系安定組砂巖孔隙裂隙承壓含水層、侏羅系直羅組砂巖孔隙裂隙承壓含水層以及白堊系砂巖孔隙裂隙承壓含水層。這當(dāng)中白堊系、第四系含水層和煤層頂板之間相距300m，不會(huì)對(duì)煤礦日常開采、生產(chǎn)產(chǎn)生直接的影響，直羅組低層含砂層是礦井水主要來源。

1.1含水層厚度及2號(hào)煤層頂板距離

通過對(duì)現(xiàn)有資料、數(shù)據(jù)的總結(jié)可以看出，州景煤礦首采區(qū)含水層厚度大約在7.40m-88.2lm范圍內(nèi)，平均厚度大約為33.48m。按照鉆孔公布的含水層厚度分布信息可以看出，首采區(qū)煤層含水層基本在18m左右，分布較為均勻[2]。

在首采區(qū)南翼地區(qū)的29個(gè)鉆孔中，2號(hào)煤層頂板含水層的平均厚度大約是5.44m，這當(dāng)中60%的鉆孔隔水層厚度不到5m;30%的鉆孔隔水層厚度在5m-lOm之間;只有3個(gè)鉆孔隔水層厚度在lOm以上。

按照鉆孔隔水層分布來看，只有礦區(qū)北部極少一部分的鉆孔隔水層厚度超過lOm，首采區(qū)2號(hào)煤層頂板隔水層厚度不到6m。這些數(shù)據(jù)證實(shí)在首采區(qū)南翼區(qū)域中，2號(hào)煤層頂板隔水層相對(duì)較淺，錨索孔可直接穿透隔水層，接觸煤層頂板隔水層，造成錨索孔出水的情況，侵蝕煤層頂板對(duì)煤礦安全生產(chǎn)造成一定的影響。

1.2含水層富水性分析

州景煤礦3號(hào)煤層首采區(qū)進(jìn)行正常開采工作前的疏放水過程中表明采煤層頂板存在含水層，而根據(jù)鉆孔揭露，大致掌握了含水層的特點(diǎn)。鉆孔出水點(diǎn)大部分集中在2號(hào)煤層頂板含水層內(nèi)部，且其距離煤層頂板不到5m，2號(hào)煤層頂板隔水層較淺，含水層和頂板距離較小。

通過對(duì)37個(gè)鉆孔涌水量信息的總結(jié)，發(fā)現(xiàn)27個(gè)鉆孔涌水量在lOOm3/h以上，其中最大單孔涌水量可達(dá)187m3/h;其余鉆孔中有一半數(shù)量的鉆孔涌水量可達(dá)80m3/h～90m3/h的水平，只有2個(gè)鉆孔涌水量不到50m3/h，平均涌水量為118m3/h。這些數(shù)據(jù)指出，2號(hào)煤層頂板富水性水平較高。根據(jù)周圍礦井分布情況，煤層含水層較為常見且分布較為均勻，水壓力相對(duì)較高，富水性較強(qiáng)。

綜合前文所述，砂巖含水層分布范圍較廣，富水性水平較強(qiáng)，尤其在州景煤礦首采區(qū)南翼地區(qū)，含水層較深，和2號(hào)煤層頂板間距較小。

2.煤層巷道掘進(jìn)過程中可能遇到的問題

2.1 2號(hào)煤層工作面頂板水害情況

州景煤礦2號(hào)煤層正面回風(fēng)槽在正常開挖中，由于頂板隔水層深度不斷減少，從開口處20m到巷道處不到5m，并由于隔水層厚度減少以及水壓因素的直接影響，產(chǎn)生頂板開裂、頂板出水、錨索支護(hù)失效等問題，從而對(duì)煤礦日常安全開采、生產(chǎn)形成一定不利影響[3]。 按照煤礦現(xiàn)場(chǎng)開采、生產(chǎn)環(huán)境信息，巷道頂板嚴(yán)重變形并產(chǎn)生深度可達(dá)120mm的裂縫，其最大長(zhǎng)度2.6m，最大寬度22m;頂板錨索也經(jīng)常出現(xiàn)托板變形乃至頂板下沉、錨索出水等問題，單個(gè)錨索出水量最大是6.9m3/h，百米巷道頂板淋水量可達(dá)70m3/h。由于2號(hào)煤層頂板含水層較深、富水性較強(qiáng)因素，對(duì)工作面回風(fēng)順槽開掘造成一定的影響，從而為州景煤礦的安全生產(chǎn)、開采，造成了較大威脅。

2.2 2號(hào)煤層工作面頂板水害原因分析

根據(jù)對(duì)砂巖含水層水文地質(zhì)特征的分析，以及對(duì)2號(hào)煤層位置關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn)，州景煤礦首采區(qū)南翼大部分地區(qū)的巷道頂板錨索存在砂巖含水層。其水壓力水平相對(duì)較高，煤層頂板無(wú)法承受水壓力，造成錨索孔含水層出水的情況;而高壓頂板因?yàn)轫敯逅那治g，出現(xiàn)膨脹、軟化、巖層強(qiáng)度較低的情況[4]。根據(jù)對(duì)該煤礦頂板巖力學(xué)性質(zhì)的監(jiān)測(cè)報(bào)告可以看出，其工作面回風(fēng)巷頂圍巖基本為軟化巖。砂巖軟化系數(shù)是0.75-1，沙質(zhì)泥巖軟化系數(shù)是0.21-0.46。2號(hào)煤層頂板砂質(zhì)泥巖在飽和、自然風(fēng)干的情況下，其單軸抗壓能力有著極大差別。在水質(zhì)飽和的情況下，對(duì)強(qiáng)度影響最為顯著，表明州景煤礦首采區(qū)南翼區(qū)域，砂巖分布范圍較廣，頂板錨索也表明因?yàn)樵搮^(qū)域缺少隔水層，煤層頂板就是含水層，在巷道開挖過程中，可能直接接觸到含水層，且其圍巖大多是軟化巖。州景煤礦特殊性的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，決定了2號(hào)煤層巷道開掘中因?yàn)榱芩蛩?，圍巖將不斷軟化，直接影響到巷道穩(wěn)定性，導(dǎo)致水害事故的發(fā)生，從而對(duì)礦井安全生產(chǎn)造成較大影響。

3.礦井開采順序調(diào)整方案

通過對(duì)州景煤礦首采區(qū)南翼水文地質(zhì)條件的勘測(cè)和頂板巖石力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，2號(hào)煤層巷道開挖過程中，可能同時(shí)受到頂板問題、水害問題的威脅，出于礦井安全開采、安全生產(chǎn)所需，當(dāng)前2號(hào)煤層不適合進(jìn)行開采。為保證礦區(qū)煤礦資源的安全開采，要調(diào)整礦區(qū)開采順序。

按照州景煤礦開采工作計(jì)劃安排和實(shí)際開采所需，3號(hào)煤層應(yīng)當(dāng)首先進(jìn)行開采，并通過3號(hào)煤層采空區(qū)的作用，進(jìn)行2號(hào)煤層頂板含水層的疏放，當(dāng)含水層被疏放到一定程度并符合工程安全生產(chǎn)要求后，再進(jìn)行2號(hào)煤層的開采。開采方案科學(xué)性的判定重點(diǎn)在于3號(hào)煤層能否對(duì)2號(hào)煤層含水層疏放產(chǎn)生實(shí)際效用。在剖面上，3號(hào)煤層開采將對(duì)2號(hào)煤層含水層產(chǎn)生積極的意義，也就是3號(hào)煤層開采后出現(xiàn)裂痕，并發(fā)育到這一含水層上;或者3號(hào)煤層采空區(qū)出水區(qū)域，直接影響2號(hào)煤層工作平面。

根據(jù)我國(guó)煤炭科工集團(tuán)唐山院給出的水體下綜放開采導(dǎo)水裂縫帶寬度計(jì)算公式：

H1i= 20M+IO

公式中：H1i指的是預(yù)測(cè)的裂縫帶發(fā)育高度;M指的是采高。

在州景煤礦南翼地區(qū)，3號(hào)煤層頂板厚度在3m-5m，通過上述公式，可得出其導(dǎo)水裂縫發(fā)育高度大約是80m-llOm。剖面上，3號(hào)煤層的開采對(duì)含水層有著極大的疏放效果。平面上，3號(hào)煤層首采區(qū)和2號(hào)煤層首采區(qū)之間的間距大約是1700m，按照煤礦井下放水實(shí)驗(yàn)，疏放半徑最大可達(dá)2500m，所以3號(hào)煤層投產(chǎn)后，采空區(qū)將對(duì)2號(hào)煤層含水層產(chǎn)生疏放作用。這表明，先對(duì)3號(hào)煤層進(jìn)行開采，并通過其采空區(qū)疏放2號(hào)煤層頂板含水層的計(jì)劃，是科學(xué)有效的。

4.結(jié)論

首先，州景煤礦南翼地區(qū)含水層水壓水平較高，富水性相對(duì)較強(qiáng)，和2號(hào)煤層頂板間距不到5m。在2號(hào)煤層巷道開挖過程中，水害等安全事故發(fā)生概率較大，因此為保證礦井開采工作的安全進(jìn)行，不建議開采2號(hào)煤層。其次，因?yàn)?號(hào)煤層和2號(hào)煤層之間的含水層大多數(shù)是砂巖含水層，因此先對(duì)3號(hào)煤層進(jìn)行開采，并通過采空區(qū)對(duì)2號(hào)煤層砂巖含水層進(jìn)行提前疏放，直到含水層水壓力水平下降到一定程度或達(dá)到安全條件后，再進(jìn)行2號(hào)煤層開采工作。通過系統(tǒng)的分析、研究發(fā)現(xiàn)，這一方案有一定的可行性、科學(xué)性。最后，這一方案和礦井預(yù)防瓦斯毒氣、沖擊地壓中的“開采解放層”的開采方式有著同等原理，能夠有效解決煤礦開采過程中的水害問題，有一定的科學(xué)意義。

參考文獻(xiàn)：

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