牛兒莊礦試采下組煤開采技術(shù)研究

汪志東

（邯鄲市牛兒莊采礦有限公司，河北 邯鄲 056300）

1 概 況

邯鄲市牛兒莊采礦有限公司是一個(gè)開采60 a的礦井，礦井采用立井、多水平開拓方式，牛兒莊采礦公司投產(chǎn)至今，2、4、6 號(hào)煤已基本采完，井田內(nèi)尚有大量的超突水系數(shù)的下組煤資源，能否開采成為當(dāng)前急需解決的一個(gè)重大技術(shù)課題。

煤層底板突水是隔水層條件、含水層、礦壓和地質(zhì)構(gòu)造相互作用和影響而發(fā)生，要治理水害，就要分析水害的成因和發(fā)生條件，針對(duì)導(dǎo)致突水的4個(gè)條件制定符合牛兒莊井田開采下組煤的方案。

1.1 礦井底板隔水層條件

根據(jù)牛兒莊礦井田地質(zhì)勘探和水文地質(zhì)勘探揭露，下組煤與奧灰含水層之間分布有一定厚度的隔水層，巖性多以粉砂巖、細(xì)砂巖和泥巖為主，7、8、9 號(hào)隔水層垂向分布特征見表1。

礦井淺部分布有眾多小煤窯，下組煤已被小煤窯破壞殆盡，開采不確定因素較大，危險(xiǎn)性高，因此再統(tǒng)計(jì)礦井深部鉆孔，其中泥巖占比較高，這種巖性阻隔水性能較好，尤其是鋁質(zhì)泥巖，結(jié)構(gòu)致密又有可塑性，有利于下組煤開采。

1.2 礦井含水層條件

礦井奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層是開采深部山青煤的主要威脅，奧陶系灰?guī)r為巖溶裂隙承壓含水層，為煤系地層基底，根據(jù)巖性變化和沉積特征可劃分為三組八段，厚度420～668 m，平均厚度552 m，分布穩(wěn)定。根據(jù)勘探和觀測(cè)資料，已揭露到奧灰的鉆孔單孔涌水量0.8～5.0 m3/min，平均為2.9 m3/min。依據(jù)鉆探資料，奧灰頂部峰峰組八段灰?guī)r泥質(zhì)含量很高，富水性較弱，該段厚度在30～40 m，可以將此段進(jìn)行改造治理，增加隔水層厚度；峰峰組七段巖溶、裂隙發(fā)育，富水性強(qiáng)，該段是要防治的主要對(duì)象。

1.3 礦井地質(zhì)構(gòu)造條件

此次下組煤開采選取地質(zhì)情況簡(jiǎn)單的區(qū)域，礦井八、九盤區(qū)西部以F19 斷層和F7 斷層為界（圖1），東部以F20 和F20’為界，中間為寬緩單斜構(gòu)造，此區(qū)域2 號(hào)、4 號(hào)和6 號(hào)煤均已安全回采且極少揭露斷層，無大型斷層，不會(huì)因斷層引起兩盤巖層的相對(duì)較大位移，產(chǎn)生煤層底板與含水層的距離縮短的情況，同時(shí)，該區(qū)域斷層少，應(yīng)力小，巖層穩(wěn)定且完整，地層抗壓能力增強(qiáng)，十分有利于下組煤開采。

圖1 礦井八、九盤區(qū)分布Fig.1 Distribution of the eighth and ninth panels of the mine

1.4 礦井采動(dòng)礦山壓力情況

自然狀態(tài)下，下組煤煤層底板與奧灰含水層之間存在厚度不等的隔水層，在沒有導(dǎo)水構(gòu)造存在時(shí)具有較強(qiáng)的阻水性能，然而，在采動(dòng)條件下，會(huì)引起回采空間周圍巖層應(yīng)力的重新分布，造成煤層底板一定深度范圍內(nèi)的巖層產(chǎn)生一定程度的破壞，從而降低煤層底板隔水層的阻水能力。因此，采動(dòng)條件下煤層底板的變形破壞程度直接反映了底板隔水層阻水能力的大小，對(duì)實(shí)現(xiàn)安全開采具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

為此牛兒莊礦在深部山青進(jìn)行了底板變形破壞深度的探測(cè)實(shí)驗(yàn)。由于底板破壞深度受眾多影響因素的制約，既有外部因素，又有內(nèi)部因素，但其作用的結(jié)果必然引起底板應(yīng)變和底板破壞范圍裂隙的張開或新裂隙的形成，因此該實(shí)驗(yàn)是用底板注水試驗(yàn)的方法直接確定底板變形破壞深度。

實(shí)驗(yàn)表明，薄煤層500 m 以上采深底板的最大破壞深度在16.86 m 左右，在同等條件下采用大型通用有限元分析軟件ANSYS 對(duì)采動(dòng)條件下工作面底板進(jìn)行應(yīng)力和位移變化特征的數(shù)值模擬計(jì)算（圖2），煤層底板最大破壞深度在20 m 左右。需要注意的是，該數(shù)據(jù)只是一個(gè)參考，具體到下組煤開采深度及工作面布置時(shí)，還應(yīng)具體情況具體分析。

圖2 數(shù)值模擬計(jì)算Fig.2 Numerical simulation calculation

2 開采方案研究

根據(jù)牛兒莊礦多年開采情況綜合分析，以礦井八、九盤區(qū)為研究對(duì)象，確定開采具體范圍。地面區(qū)域治理工程是“探查、治理、驗(yàn)證”三位一體的綜合防治水技術(shù)措施，并在全國多個(gè)礦區(qū)實(shí)踐驗(yàn)證，因此此次地面治理方法采用地面區(qū)域治理技術(shù)，對(duì)奧灰頂面進(jìn)行加固和改造。

2.1 開采標(biāo)高范圍及突水系數(shù)的計(jì)算

目前牛兒莊礦山青開采最低標(biāo)高為-337.2 m左右，按此推算7 號(hào)煤開采最低標(biāo)高-359.6 m，8號(hào)煤開采最低標(biāo)高-390.1 m，9 號(hào)煤開采最低標(biāo)高-396.8 m；依據(jù)地質(zhì)孔統(tǒng)計(jì)資料，7 號(hào)煤隔水層厚度取值62.2 m，8 號(hào)煤隔水層厚度取值31.7 m，9 號(hào)煤隔水層厚度取值25 m。奧灰水水位最高+143.16 m。根據(jù)上述數(shù)據(jù)，分別計(jì)算突水系數(shù)，公式：

式中：T 為突水系數(shù)；P 為底板隔水層承受的水頭壓力；M 為底板隔水層厚度。帶入數(shù)據(jù)計(jì)算得到，7 號(hào)煤突水系數(shù)0.091，8 號(hào)煤突水系數(shù)0.179，9號(hào)煤突水系數(shù)0.226。

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，底板受構(gòu)造破壞的地段突水系數(shù)一般不得大于0.06 MPa/m，隔水層完整無斷裂構(gòu)造破壞的地段不得大于0.1 MPa/m。因此，如果要滿足9 號(hào)煤安全開采，需要隔水層厚度為60 m，即治理奧灰頂面35 m 范圍。

2.2 開采下組煤地面區(qū)域治理設(shè)計(jì)

區(qū)域治理范圍為可采區(qū)域，根據(jù)礦井奧灰含水層條件分析，目標(biāo)層選擇為奧灰頂面下35 m，如圖3 所示。

圖3 區(qū)域治理范圍Fig.3 Regional control scope

此次方案共設(shè)計(jì)2 個(gè)主孔、54 個(gè)水平分支孔，預(yù)計(jì)鉆探總工程量55 093 m。預(yù)計(jì)注水泥539 530 t（水泥、粉煤灰各半）。工程分2 個(gè)鉆孔同時(shí)施工，均位于工業(yè)廣場(chǎng)西部停車場(chǎng)內(nèi)。6 號(hào)鉆孔設(shè)計(jì)主孔1 個(gè)，水平分支孔24 個(gè)，預(yù)計(jì)鉆探工程量31 564 m，其中主孔工程量70 m，造斜段工程量500 m，水平段工程量30 994 m，預(yù)計(jì)注水泥309 940 t；7號(hào)鉆孔設(shè)計(jì)主孔1 個(gè)，水平分支孔30 個(gè)，預(yù)計(jì)鉆探工程量23 529 m，其中主孔工程量70 m，造斜段工程量500 m，水平段工程量22 959 m，預(yù)計(jì)注水泥229 590 t。

2.3 開采下組煤地面區(qū)域治理設(shè)計(jì)井下技術(shù)措施

（1） 井下采取建立分煤層、分水平、分區(qū)域的隔離開采措施。開采下組煤很難完全杜絕突發(fā)性災(zāi)害淹井事故的發(fā)生，排水能力也是有限的，因此一旦礦井發(fā)生災(zāi)害性突水，在大于礦井排水能力的情況下，必須關(guān)閉該區(qū)域水閘門，與其他煤層、水平、區(qū)域隔離，使水害限制在最小影響范圍內(nèi)，以保證礦井安全，此外增建治水抗災(zāi)泵房，增加礦井排水能力。

（2） 利用綜合物探手段查清開采工作面的水文地質(zhì)條件，即查清工作面底板巖層發(fā)育的導(dǎo)水裂隙、導(dǎo)水構(gòu)造，下伏含水層的富水地段，層底板隔水層變薄地段。目前采用的主要手段有井下瞬變電磁法、音頻電透視、直流電測(cè)深、高密度電法、坑透、鉆孔無線電波透視法等。

對(duì)經(jīng)綜合物探查明的工作面底板巖層含水、導(dǎo)水裂隙發(fā)育地段，含水、導(dǎo)水構(gòu)造發(fā)育地段，裂隙或不充水裂隙、下伏含水層的富水地段、煤層底板隔水層變薄地段和陷落柱等地層薄弱地段，再進(jìn)行局部注漿加固，強(qiáng)化煤層底板隔水層的強(qiáng)度和完整性，增加其抵抗水壓的能力。

（3） 開采過程中利用水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和微震監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)整個(gè)回采區(qū)域進(jìn)行全范圍、實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測(cè)，及時(shí)對(duì)異常事件做出水害預(yù)警。

3 結(jié) 語

牛兒莊礦下組煤開采應(yīng)是系統(tǒng)性的開采，地面采取區(qū)域治理技術(shù)對(duì)奧灰頂面進(jìn)行大范圍的系統(tǒng)改造，井下分煤層、分區(qū)域隔離開采，以綜合物探為先導(dǎo)，鉆探驗(yàn)證為基礎(chǔ)，由淺到深、先簡(jiǎn)單后復(fù)雜，先開采埋深較淺隔水層較厚的7 號(hào)煤，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，再開采8 號(hào)和9 號(hào)煤，堅(jiān)持一面一策，具體條件具體分析，高度重視構(gòu)造帶，加強(qiáng)工作面回采管理，最大限度地減小礦壓作用以及底板破壞深度，確保下組煤的安全開采。