阜生煤業(yè)豐堠溝下枯水期采煤可行性分析與實踐

馬 帥

(潞安集團(tuán) 地質(zhì)處，山西 長治 046204)

1 工程背景

阜生煤業(yè)一采區(qū)采區(qū)面積約1.2 km2，開采15號煤層，煤層平均厚度6.5 m。豐堠溝河自西北向東南方向流經(jīng)一采區(qū)1102、1106工作面，豐堠溝河道全長10 km，承擔(dān)流域面積35 km2的排洪任務(wù)[1]。由于1102、1106工作面煤層埋藏淺，采高大，開采沉陷將使地表受到嚴(yán)重破壞，使豐堠溝河成為威脅礦井安全生產(chǎn)的主要隱患。

2 豐堠溝下采煤可行性

根據(jù)豐堠溝最近3年的氣象及河流觀測記錄，每年6、7、8、9月的降水量最大，從11月初至來年5月底為枯水期，期間河道內(nèi)只有少量流水。豐堠溝枯水期幾乎無水，但河床底部的松散巖類孔隙含水層仍對井下安全生產(chǎn)構(gòu)成威脅。根據(jù)豐堠溝水量變化規(guī)律及礦井實際情況，本文將綜合論證在留設(shè)必要煤柱的情況下枯水期采煤可行性。

2.1 豐堠溝保護(hù)煤柱留設(shè)

表1 豐堠溝保護(hù)煤柱設(shè)計邊界角數(shù)值

保護(hù)煤柱設(shè)計采用垂直剖面法，在豐堠溝采煤沉陷影響范圍內(nèi)布置垂直煤層走向A-A′、B-B′剖面。經(jīng)計算，兩剖面之間豐堠溝西側(cè)保護(hù)煤柱寬度為30.93～36.07 m，東側(cè)保護(hù)煤柱寬度為35.24～42.14 m，自南向北煤柱加大約5～7 m，采深增加約19 m。在采厚不變的情況下，考慮到采深增加對減少地表水滲漏是有利的，因此采用A-A′剖面的保護(hù)煤柱(西側(cè)保護(hù)煤柱)尺寸作為煤柱尺寸。

2.2 工作面涌水量預(yù)測

2.2.1 大井法[2]

對于第四系含水層采用地下水動力法中潛水計算公式：

(1)

(2)

式中：r0采用工作面開采引用半徑；k為滲透系數(shù)，取抽水試驗平均值18.05 m/d；H為靜止水位至疏干含水層底板深度的距離，取10.0 m；S為水位降深，數(shù)據(jù)與H相同，計算出涌水量分別為87.97 m3/h、103.41 m3/h。考慮到下部含水層對工作面涌水的影響，計算結(jié)果擴(kuò)大1.2～1.5倍，因此1102、1106工作面涌水量分別按120 m3/h、140 m3/h計。

2.2.2 單位涌水量比擬法[3]

根據(jù)同采區(qū)1101工作面有關(guān)資料求得的單位涌水量q0，可作為預(yù)測類似條件下1102(1106)工作面開采面積F和水位降深S條件下涌水量Q的依據(jù)。當(dāng)回采工作面的涌水量Q0隨開采面積F0和水位降深S0呈直線變化時，單位涌水量q0為：

(3)

則比擬公式為：

所有維度上任務(wù)負(fù)荷的平均值均>50，表明船員在工作中腦力和體力的需求相對較高，時間壓力比較大。較好的工作表現(xiàn)需要付出的努力也更多，受挫程度較大。

(4)

根據(jù)1101工作面涌水量觀測結(jié)果，按最大涌水量26 m3/h，采用單位涌水量比擬法利用式(4)計算出1102、1106工作面礦井涌水量分別為19.59 m3/h，30.58 m3/h。采用大井法和單位涌水量比擬法計算的最大值作為工作面涌水量值，因此1102、1106工作面涌水量取值分別為120 m3/h、140 m3/h，均小于礦井250 m3/h的排水能力，且有一定余量。

2.3 防砂安全煤巖柱計算

采空區(qū)上覆巖層“三帶”的形成主要取決于煤層的賦存條件、采煤方法、頂板管理方法和巖體的物理力學(xué)性質(zhì)等因素[4]。為了充分保證安全生產(chǎn)，綜合考慮支架高度、地質(zhì)條件等因素，煤柱線內(nèi)采厚按4 m控制，煤柱線外按照6 m采厚考慮。

2.3.1 垮落帶計算

根據(jù)阜生煤業(yè)巖石抗壓強(qiáng)度實驗成果，阜生煤業(yè)覆巖巖性為中硬巖，垮落帶高度可按下式計算[5]：

(5)

式中：Hk為垮落帶高度，m；∑M為累計采厚，m，計算結(jié)果見表2。

表2 根據(jù)規(guī)范計算垮落帶最大高度值

參照潞安礦區(qū)王莊煤礦綜采放頂煤一次采全厚垮落帶高度觀測成果，工作面中間部分冒高采厚比為3.72、邊界處冒高采厚比為6.26。根據(jù)該成果垮落帶高度計算結(jié)果如表3所示。

表3 參照潞安礦區(qū)觀測成果垮落帶高度估算值

2.3.2 導(dǎo)水裂隙帶計算

中硬巖導(dǎo)水裂縫帶高度按下式計算：

(6)

式中：Hli導(dǎo)水裂縫帶高度，m。

根據(jù)唐山研究院在潞安礦區(qū)的導(dǎo)水裂縫帶觀測成果，采用最小二乘法原理，求取導(dǎo)水裂隙帶最大高度預(yù)測的經(jīng)驗公式為：

Hli=20.22M+10

(7)

式中：M為煤層有效采厚，m；Hli為導(dǎo)水裂隙帶高度，m。

根據(jù)公式(6)、(7)計算的導(dǎo)水裂隙帶最大高度如表4所示。

表4 導(dǎo)水裂隙帶最大高度計算結(jié)果

綜放工作面具有采高大的特點，垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶較發(fā)育，因此采用經(jīng)驗公式計算垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶最大高度較為合適。

防水安全煤巖柱高度按下式計算：

Hs≥Hm+Hb

(8)

式中：Hs為防砂安全煤巖柱高度，m；Hm為垮落帶最大高度，m；Hb為保護(hù)層厚度，m。計算結(jié)果見表5。

表5 一采區(qū)防砂安全煤巖柱高度及最小采深計算 m

1102、1106工作面15煤層豐堠溝下采深為63～122 m，當(dāng)采厚為6 m時，淺部開采區(qū)不滿足防砂安全煤巖柱要求。

3 枯水期水體下開采方案

3.1 枯水期水體下開采可行性分析

1102工作面范圍內(nèi)的第四系沖積層，含水層主要以卵、礫、砂層為主，沖積層厚0～5 m，基底一般為砂泥巖，局部為灰?guī)r，主要接受大氣降水和河水的補(bǔ)給，該含水層是1102工作面開采礦井涌水的主要補(bǔ)給水源。石炭系上統(tǒng)碳酸鹽巖含水層為太原組14號煤層上方含水層。對1102工作面范圍內(nèi)的15號煤層而言，15號煤層頂板砂巖、K2石灰?guī)r為含水層組，都是15號煤層直接和間接充水含水層，富水性較弱，雖然由于1101工作面的采動，已對該含水層起到了一定的疏干作用，但開采15號煤層時，必然向巷道內(nèi)充水。1102工作面除上述含水層外，其余均可視為相對隔水層。

通過上述對充水通道及隔水層的分析可知，影響安全生產(chǎn)的主要水源為雨季洪水，對于各含水層出水，可以利用井下排水設(shè)備進(jìn)行排放，只要避開雨季并及時對導(dǎo)水裂隙及地面塌陷區(qū)域進(jìn)行治理，便能夠有效阻止地表水潰入井下。因此1102在枯水期進(jìn)行采煤是安全可行的。

3.2 安全開采方案

1102工作面利用枯水期進(jìn)行回采，豐堠溝保護(hù)煤柱線外采高設(shè)計為6 m，由于一采區(qū)工作面綜采設(shè)備最小采高為4 m，豐堠溝保護(hù)煤柱線內(nèi)限厚開采，采高為4 m。根據(jù)保護(hù)煤柱留設(shè)情況，1102工作面推進(jìn)長度529 m，其中按設(shè)計采高開采推進(jìn)長度156 m，限厚開采推進(jìn)長度約373 m。同時對地面產(chǎn)生的裂縫進(jìn)行及時回填壓實。

4 阜生礦豐堠溝下枯水期采煤實踐

阜生煤業(yè)于2019年1～6月對1102工作面豐堠溝河下部分進(jìn)行了開采，開采過程中進(jìn)行了涌水量觀測。根據(jù)觀測結(jié)果，工作面回采至151 m時，涌水量為8.5 m3/h，回采至165 m處時涌水量升至14.4 m3/h并開始逐漸增大，回采至260 m處工作面涌水量穩(wěn)定在20～27 m3/h之間，平均涌水量約23 m3/h。最終工作面安全回采至設(shè)計位置。1102工作面開采期間對涌水進(jìn)行了水質(zhì)化驗分析，水質(zhì)分析結(jié)果為頂板裂隙砂巖水，與地表河流水質(zhì)無關(guān)，實現(xiàn)了近豐堠溝河下安全開采。