煤柱優(yōu)化在解放煤炭資源中的研究應(yīng)用

劉海哲

（冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司 新屯礦，河北 邯鄲 056200）

1 礦井概況

煤柱不是一成不變的，在保證安全，計(jì)算合理的前提下，根據(jù)客觀條件，可以通過優(yōu)化各類煤柱的留設(shè)，解放礦井煤炭資源，延長礦井服務(wù)年限。目前，新屯礦南部邊界與羊東井田相鄰，兩井田之間無任何采掘活動(dòng)，井田最小間距190 m；東部邊界與磁西井田相鄰，磁西井田尚無獲得采礦權(quán)單位。為充分回收煤炭資源，需對(duì)東、南部井田邊界煤柱進(jìn)行優(yōu)化。以上有利條件為新屯礦優(yōu)化礦井東部和南部邊界煤柱奠定基礎(chǔ)。

井田地理坐標(biāo)為北緯36°31′21″～36°33′16″，東經(jīng) 114°15′23″～114°18′58″，井田西及西南部以F3 斷層、薛村礦東風(fēng)井煤柱線和薛村礦邊界為界；南部以F11 斷層帶和F7 斷層與羊東礦相鄰；在西南部邊界F3、F11 兩大斷層相交處，與牛兒莊礦相鄰；北部以F14 斷層與大淑村礦接壤，東部邊界為技術(shù)邊界。井田東西長約4.50 km，南北寬1.60～2.60 km，面積8.409 9 km2。

2 水文地質(zhì)條件概況

2.1 區(qū)域水文地質(zhì)概況

新屯井田位于邯邢水文地質(zhì)單元南單元（峰峰水文地質(zhì)單元） 鼓山東麓奧灰強(qiáng)徑流帶東區(qū)。峰峰水文地質(zhì)單元西起長亭涉縣斷層，東至礦區(qū)東界奧陶系灰?guī)r埋深-500 m 標(biāo)高，北起北洺河地下分水嶺，南至漳河南地下分水嶺。

2.2 井田邊界及其水力性質(zhì)

東部邊界為峰集[2005]53 號(hào)文批復(fù)的技術(shù)邊界；南部以F11 斷層和F7 斷層與羊東井田相鄰；井田西及西南部以F3 斷層、大社井田東風(fēng)井煤柱線與大社井田為界；在西南部邊界F3、F11 兩大斷層相交處，與牛兒莊井田相鄰；北部以2 號(hào)煤-300 m 等高線和F14 斷層與大淑村井田接壤。東部技術(shù)邊界直觀上為透水邊界，邊界以里為BF2斷層與BF1、F30 斷層形成的地塹構(gòu)造，隔斷了外圍地下水繼續(xù)向井田運(yùn)移的通道。因此東部技術(shù)邊界也可視為隔水邊界。

井田南部F11 斷層落差100～260 m，傾向SE；F7 斷層落差超過250 m，傾向SE，斷層的存在使本井田灰?guī)r巖溶裂隙含水層與斷層上盤煤系地層對(duì)接，隔斷與外界補(bǔ)給通路，可視為隔水邊界。井田西及西南部F3 斷層傾向NW，落差70～98 m，可視為弱透水邊界；大社東風(fēng)井煤柱線可視為透水邊界。西南部F3、F11 兩大斷層相交處與牛兒莊井田相鄰的邊界可視為隔水邊界。北部2 號(hào)煤-300 m 等高線技術(shù)邊界，可視為透水邊界；與大淑村井田接壤的F14 斷層落差70～710 m，傾向SE，可視為隔水邊界。

2.3 井田邊界與水文地質(zhì)單元?jiǎng)澐?/h3>

影響新屯井田地下水賦存、運(yùn)移的主要因素是斷裂構(gòu)造，尤其是大中型斷層的存在，削弱了各含水層橫向的水力聯(lián)系。因此，根據(jù)井田內(nèi)斷層規(guī)模、分布特征、延伸長度等，結(jié)合勘探及采掘揭露資料，將新屯井田劃分為4 個(gè)水文地質(zhì)單元，如圖1 所示。

圖1 水文地質(zhì)單元?jiǎng)澐质疽釬ig.1 Hydrogeological unit division

2.3.1 第一單元

第一單元構(gòu)造特征如圖2 所示。北部以F14 斷層為界，位于F11～F13 斷層的塊斷，該斷層走向60°，傾向150°，向西南方向尖滅，落差東北方向逐漸變大；西部以NNE 向的F13 斷層為界，斷層走向在35°～55°變化，落差變化大；東南部以F11 斷層為界，斷層走向60°～70°，落差100～260 m。

受大中型斷層切割影響，該單元內(nèi)不同塊段大青灰?guī)r含水層橫向水力聯(lián)系差，基本屬于封閉環(huán)境，水位變化大。如位于該分區(qū)三水平西翼的W4大青孔水位是-45.0 m，而位于-190 水平車場附近的W10 孔水位則為-123.2 m，位于-190 水平北翼的W13 孔水位為-61.3 m，位于+41 水平車場施工的W11 孔，水位標(biāo)高+76 m。

由于斷層的存在阻斷了各含水層橫向之間的水力聯(lián)系，該單元基本上屬于一個(gè)相對(duì)封閉的水文地質(zhì)單元，與其它含水層之間的水力聯(lián)系較弱。該單元主要充水含水層富水性差，得到補(bǔ)給緩慢，說明該單元與外界的水力聯(lián)系微弱。

據(jù)奧灰放水試驗(yàn)結(jié)果，該單元與第二單元之間斷層破碎帶導(dǎo)水性相對(duì)較好，奧灰水主要在F11 斷層西南部接受外部的補(bǔ)給。

2.3.2 第二單元

第二單元構(gòu)造特征如圖3 所示。該單元平面形態(tài)為三角形，西部為F3 斷層，東南部和北部分別以F14 斷層和F13 斷層為界。

該單元主要充水含水層富水性弱，補(bǔ)給條件差，徑流緩慢，F(xiàn)81、F79 和F13 斷層具有較強(qiáng)的阻水能力，基本切斷了該單元與外界的水力聯(lián)系，屬于一個(gè)相對(duì)封閉的水文地質(zhì)單元。

依據(jù)奧灰放水試驗(yàn)結(jié)果，單元西南部為奧灰弱透水邊界，另外由于F13 斷層的存在造成了奧陶系灰?guī)r與9 號(hào)煤層的對(duì)接，在開采深部煤層尤其是開采下組煤時(shí)，需要加強(qiáng)對(duì)奧灰水的重點(diǎn)防范。

圖2 第一單元構(gòu)造特征Fig.2 Structural features of the first unit

圖3 第二單元構(gòu)造特征Fig.3 Structural features of the second unit

2.3.3 第三單元

第三單元構(gòu)造特征如圖4 所示。該區(qū)東北部為井田邊界，西部以F3 斷斷層為界，東南部以F14斷層為界。

在開采過程中均未出現(xiàn)明顯的出水，表明該單元主要充水含水層富水性弱，各含水層之間水力聯(lián)系差，單元相對(duì)獨(dú)立。

圖4 第三單元構(gòu)造特征Fig.4 Structural features of Unit 3

2.3.4 第四單元

第四單元構(gòu)造特征如圖5 所示。該區(qū)位于井田東部，南以F7 正斷層為邊界，北以F14 斷層為界，東部為技術(shù)邊界，西以F11 斷層為界。

該單元位于井田東部，地層向NE 方向傾斜，煤層埋深較大，大煤底板標(biāo)高在-350 m 以下。2019 年地面區(qū)域治理注漿過程中，在注漿量為2.1～46.8 m3/h 情況下，奧灰水位觀測孔水位最大漲幅達(dá)到11.02 m，表明該單元為一封閉的水文單元，接受外界補(bǔ)給能力差。

圖5 第四單元構(gòu)造特征Fig.5 Structural features of Unit 4

2.4 含水層

根據(jù)井田水文地質(zhì)勘探以及礦井多年采掘揭露資料，井田內(nèi)含水層劃分為10 個(gè)含水層。在這10 個(gè)含水層中，奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層富水性強(qiáng)且不均一，是開采深部煤層和下組煤的主要威脅。其余薄層灰?guī)r含水層富水性較弱，對(duì)開采不構(gòu)成威脅。

根據(jù)井田地質(zhì)水文地質(zhì)勘探資料，在10 個(gè)含水層之間均分布有一定厚度的隔水層，巖性多以砂巖、砂質(zhì)頁巖為主，厚度不一，軟硬組合的隔水層厚度穩(wěn)定，隔水性能良好。詳見表1。

表1 含水層主要特征Table 1 List of main features of aquifers

3 井田邊界防隔水煤（巖） 柱尺寸的確定

井田邊界防隔水煤柱的尺寸與相鄰礦井的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、開采方法、地質(zhì)測量誤差等因素有關(guān)。直接與圍巖的性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造破壞的產(chǎn)狀與性質(zhì)，煤層的采深、采厚、傾角，開采的層次及覆巖相應(yīng)的采動(dòng)破壞參數(shù)（導(dǎo)水裂隙帶高度、塌陷角），靜水壓力等有關(guān)。同時(shí)，《煤礦安全規(guī)程》、《煤礦防治水細(xì)則》 等相關(guān)規(guī)定中也對(duì)各類煤（巖） 柱留設(shè)作出了明確的要求。

新屯礦水文地質(zhì)類型為中等，由于井田南部與羊東井田間距較遠(yuǎn)（最小間距190 m），東部磁西井田尚無采礦權(quán)單位。因此，新屯礦可利用這一優(yōu)勢，在保證安全的前提下，將東、南部井田邊界煤柱留設(shè)至技術(shù)邊界外側(cè)。根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》附錄六第八條規(guī)定，相鄰礦（井） 人為邊界防隔水煤（巖） 柱的留設(shè)，水文地質(zhì)類型簡單、中等的礦井，總寬度不得小于40 m。以此為依據(jù)，確定新屯礦井田東、南部邊界煤柱。

4 井田邊界防隔水煤（巖） 柱尺優(yōu)化方案

4.1 2 號(hào)煤層邊界煤柱調(diào)整說明

新屯礦水文地質(zhì)類型為中等型。根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》附錄六第八條規(guī)定，新屯礦東、南部井田2 號(hào)煤層邊界煤柱在礦界外側(cè)統(tǒng)一留設(shè)40 m。該段煤（巖） 柱內(nèi)緣點(diǎn)為井田技術(shù)邊界19～6號(hào)拐點(diǎn)，該段煤（巖） 柱的外緣點(diǎn)坐標(biāo)見表2。

表2 2 號(hào)煤層邊界煤柱拐點(diǎn)坐標(biāo)Table 2 Inflection point coordinates of boundary pillar in No.2 coal seam

4.2 4 號(hào)煤層邊界煤柱調(diào)整說明

以新屯礦井田范圍內(nèi)最深部做剖面1，按上山煤（巖） 層移動(dòng)角70°，由2 號(hào)煤向4 號(hào)推算得4號(hào)煤層邊界煤柱寬度54.8 m（平距），如圖6 所示。以新屯礦井田淺部做剖面2，按上山煤（巖） 層移動(dòng)角70°，由2 號(hào)煤向4 號(hào)推算得4 號(hào)煤層邊界煤柱寬度53.9 m（平距），如圖7 所示。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，新屯礦井田4 號(hào)煤層邊界煤柱寬度隨煤層埋藏深度增加而遞增，最大寬度54.8 m。新屯礦東、南部井田4 號(hào)煤層邊界煤柱寬度取最大值54.8 m。根據(jù)以上說明，新屯礦東、南部井田4 號(hào)煤層邊界煤柱在礦界外側(cè)統(tǒng)一留設(shè)54.8 m。該段煤（巖） 柱內(nèi)緣點(diǎn)為井田技術(shù)邊界19 至6 號(hào)拐點(diǎn)，該段煤（巖） 柱的外緣點(diǎn)坐標(biāo)見表3。

圖6 井田深部剖面Fig.6 Deep section of minefield

圖7 井田淺部剖面Fig.7 Section of shallowminefield

表3 4 號(hào)煤層邊界煤柱拐點(diǎn)坐標(biāo)Table 3 Coordinate inflection point of boundary pillar in No.4 coal seam

5 結(jié) 論

（1） 新屯礦井田東、南部邊界煤柱采用“直接法”留設(shè)2 號(hào)煤層邊界煤柱，然后通過巖層塌陷角來確定下部4 號(hào)煤層邊界煤柱。

（2） 針對(duì)水文地質(zhì)類型中等及簡單的礦井，通過優(yōu)化各類防隔水煤（巖） 柱，可以起到解放煤炭資源的作用。

（3） 此方法成功應(yīng)用于新屯礦，使新屯礦解放煤炭資源約70 萬t，避免了煤炭資源的浪費(fèi)。