灰場下綜采工作面安全開采技術(shù)研究

文/萬 軍

灰場下綜采工作面安全開采技術(shù)研究

文/萬 軍

平頂山天安煤業(yè)股份有限公司一礦位于平頂山市中心北約3Km處，礦井于1957年12月動工興建，1959年12月投產(chǎn)。主采丁、戊組煤層，生產(chǎn)能力400萬噸/年，屬于煤與瓦斯突出礦井。本井田位于平頂山煤田李口向斜軸以南，走向北西、傾角平緩的單斜構(gòu)造，礦區(qū)地面為低山丘陵地形。礦區(qū)年平均降水量740mm，雨季在7～9月，年蒸發(fā)量1490～2825mm，蒸發(fā)量大于降雨量。受地形影響，南北向沖溝較發(fā)育，夏季有少量水流，向南匯入湛河，向北匯入竹園水庫。

程寨溝灰場及灰壩位于一礦丁二下山采區(qū)上方，是電廠粉煤灰渣排放場所，灰場大壩下壓煤可采儲量達(dá)970萬t，制約了礦井可持續(xù)發(fā)展。平煤一礦通過丁6-32060采面開采探索灰場下采煤技術(shù)，為礦井后續(xù)采面回采積累了經(jīng)驗(yàn)。

一、灰場概況

程寨溝灰場三面環(huán)山，在其北部筑有大壩構(gòu)成儲灰?guī)欤牖伊?00萬m3/年。灰場大壩初級壩為透水型堆石壩，后期采用灰渣逐級加高方式，現(xiàn)已建成初期壩和三級子壩。目前壩頂標(biāo)高+245m，壩基標(biāo)高+175m，高度70m，壩頂寬6.75m，主壩長度1km。目前總庫容3360×104m3， 已存儲約 2800× 104m3，灰面標(biāo)高約+236.5m，庫內(nèi)水體標(biāo)高約+235m，壩前有固結(jié)干灘面，積水區(qū)距壩體約390m。

二、丁6-32060采面開采技術(shù)條件

丁6-32060采面位于三水平丁二采區(qū)西翼，該采區(qū)地表為低山丘陵地形，采區(qū)西北部有滑角山，標(biāo)高+333.9m，區(qū)域內(nèi)最低標(biāo)高+ 161m，地表平均標(biāo)高+240m，丁組煤底板等高線-460～-600m，煤層埋深約600～700m，地表第四系覆蓋層較薄，大部分基巖直接出露。井下水文地質(zhì)條件簡單、斷層較少，開采期間主要充水源為煤層頂板砂巖含水層，充水通道為采動裂隙及構(gòu)造破碎帶，多年來開采充水量較小,對生產(chǎn)沒有較大影響。地表水及基巖風(fēng)化帶含水不會對礦井形成充水，但可成為礦井充水的間接補(bǔ)給水源。

丁6-32060采面走向1810m，傾斜200m，可采儲量110萬t，煤層傾角約9°，平均煤厚2.4m。采面頂?shù)装鍨槎嗄鄮r、砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖層。采面相對瓦斯涌出量2.0～6.0m3/t。丁組煤層具有爆炸性，自然發(fā)火期3～6個月。采煤方法為走向長壁后退式綜合機(jī)械化開采，全部垮落法處理頂板。

三、丁6-32060采面灰場下開采可行性

丁6-32060采面在灰場和大壩下采煤有利條件如下：

1.不會發(fā)生積水潰入井下事故

由于粉煤灰采用濕排法入灰?guī)欤恋砗笮纬傻募畢^(qū)對開采構(gòu)成一定威脅，需留設(shè)足夠的防水安全煤巖柱，防止地表積水潰入井下。

（1）巖層導(dǎo)水性能

根據(jù)巖層的變形規(guī)律，開采后上覆巖層將形成彎曲帶、裂縫帶、垮落帶。冒落帶透水砂能力強(qiáng)，若含水層處于冒落帶內(nèi)，含水層水體會直接突入回采空間。

垮落帶和裂縫帶均屬導(dǎo)水裂縫帶，位于導(dǎo)水裂縫帶內(nèi)的含水層水會沿裂隙向采空區(qū)匯流，在采空區(qū)附近形成水位下降漏斗。導(dǎo)水裂縫帶的高度決定了回采空間涌水量的大小，對安全生產(chǎn)影響較大。

（2）巖層結(jié)構(gòu)性質(zhì)分析

采區(qū)上覆巖層從上至下軟硬

式中：M—煤層累計(jì)采厚，m；

n—煤層開采分層數(shù)。

經(jīng)計(jì)算導(dǎo)水裂縫帶高度為103m。

防水煤巖柱尺寸。通過留設(shè)足夠的防水煤巖柱防止積水進(jìn)入回采空間，防水安全煤巖柱高度按下式計(jì)算：

式中：Hsh—防水安全煤巖柱垂高（m）；

Hli—煤層采后導(dǎo)水裂縫帶高度（m）；

Hb—保護(hù)層厚度，取3倍采厚；

Hf—基巖風(fēng)化帶厚度，取50m；

丁6-32060采面開采后導(dǎo)水裂縫帶最大高度為103m，經(jīng)計(jì)算度交互特征明顯，層間水力聯(lián)系比較弱，主要是層內(nèi)運(yùn)動，為補(bǔ)給條件差的弱～中等含水裂隙巖組，含水空間以風(fēng)化裂隙和構(gòu)造裂隙為主，煤層采動后向礦井充水有限。由于開采煤層厚度小，頂板基巖厚度大，約600～700m。因此，開采后形成的導(dǎo)水裂縫帶高度有限，頂板以上大部分巖層的原始滲透性不會受到破壞，對開采有利。

（3）灰場下防水煤巖柱尺寸

導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度。采動后的導(dǎo)水裂縫帶最大高度主要受巖層結(jié)構(gòu)、采厚、采煤方法和頂板管理方法、煤層傾角、采空區(qū)面積及推進(jìn)速度等因素影響。

依據(jù)采煤導(dǎo)水裂縫帶規(guī)律研究成果，計(jì)算公式如下：水下開采需要的安全煤巖柱高度為170m，而采場上部巖柱最小高度為660m，安全巖柱上方隔離巖柱達(dá)540m。采用的綜采工藝不會改變礦井充水方式，采面充水仍以頂板基巖裂隙水為主，預(yù)計(jì)采面正常涌水量 0.17m3/min，可通過疏導(dǎo)、排水解決。

2.地表變形有限

煤層賦存深度600～700m，煤厚較薄約2.4m，開采深厚比250～292。根據(jù)開采地表巖移規(guī)律經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)開采深厚比大于50時，回采造成的地表變形是緩慢漸變發(fā)生的，不會出現(xiàn)突然陷落。灰場地表移動時，壩和地基將呈現(xiàn)整體同步移動，不會出現(xiàn)離層。通過及時采取觀測及維修加固措施，可保證壩體安全正常運(yùn)行。同時，由于開采區(qū)域地質(zhì)條件較為簡單，構(gòu)造較少，斷層落差小，破壞程度有限，地表壩體不會產(chǎn)生非連續(xù)性斷裂破壞。

3.實(shí)際開采經(jīng)驗(yàn)

灰場區(qū)域之前已經(jīng)有部分采面開采，均未對灰場及壩體造成嚴(yán)重影響，沒有影響灰場功能，也不影響附屬水工建筑物正常運(yùn)行。

四、監(jiān)測技術(shù)方案及壩體維修加固措施

1.監(jiān)測技術(shù)方案

結(jié)合“三下”開采經(jīng)驗(yàn)，丁 6-32060采面灰場下開采，將對大壩等產(chǎn)生一定程度的采動影響，必須對壩體及附屬水工構(gòu)筑物進(jìn)行變形監(jiān)測，積累經(jīng)驗(yàn)和觀測數(shù)據(jù)，為灰壩維修加固提供科學(xué)的依據(jù)，必要時可對開采方案進(jìn)行調(diào)整。沿壩體縱向設(shè)三組測點(diǎn)，觀測線長度總計(jì)2500m，測點(diǎn)間距25m，控制點(diǎn)設(shè)在不受采動影響地面區(qū)域。并及時分析觀測資料，及時采取維修措施。

2.壩體維修加固原則及措施

壩體采動裂縫的處理。一是對裂縫帶打鉆注漿加固壩體（粘土漿或粘土水泥漿），二是對較大的壩體裂縫或灌漿效果差的裂縫，采用開挖回填的方法處理。或者打鉆注漿與開挖回填兩種方法相結(jié)合進(jìn)行治理。

水工建筑物維修處理。水工建筑物主要包括泄洪洞和排灰水管等剛性建筑物，受采動影響可能導(dǎo)致砼表層脫落、結(jié)構(gòu)縫變形和滲漏等問題，應(yīng)及時觀測并采取措施處理。要及時清理脫落雜物，保證管洞內(nèi)通暢。

五、結(jié)論

經(jīng)過分析論證，丁6-32060采面自2013年開始進(jìn)行回采，回采期間月推進(jìn)度在140m左右，采面涌水量僅0.2m3/min左右，實(shí)現(xiàn)了采面的安全生產(chǎn)。回采期間，對壩體等進(jìn)行了全面監(jiān)測，數(shù)據(jù)表明3年來，回采不影響壩體及附屬水工建筑物的正常運(yùn)行。實(shí)踐證明，平煤一礦儲灰場地表水體下開采安全可行，且積水區(qū)不會對采面產(chǎn)生充水影響，更不會對灰場壩體及附屬水工建筑物產(chǎn)生破壞性影響。

（作者系平頂山天安煤業(yè)股份有限公司一礦礦長）

（責(zé)任編輯：周瓊）