礦井水文地質條件對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條件對礦井開采順序的影響進行深入研究，通過分析州景煤礦含水層水文地質條件以及煤層巷道掘進過程中可能遇到的問題，提出調整州景煤礦開采順序方案，為礦井水防治工作奠定基礎。

關鍵詞：水文地質;煤層巷道;開采順序

州景煤礦位于我國廣西壯族自治區百色市田東縣郊西，可采煤層頂板埋深在700m以上。眾所周知，瓦斯、頂板、粉塵、水災和火災是煤礦面臨的主要災害問題，尤其是水害問題，對州景煤礦的自然開采更是造成了極大的威脅。礦井水文地質構造較為復雜，是典型的“復雜型”水文地質條件。州景煤礦主采煤層是3號采煤層，在礦井生產過程中，2號煤層處設置一個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，無法直接進行疏放水操作，因此應當從其他方面人手，尋找解決疏放水問題[1]。筆者建議可借鑒礦井防瓦斯、防沖擊地壓系統中“開采解放層”的理念，總結出通過3號煤層采空區，達到疏放2號煤層頂板含水層目的，并調整煤層開采順序從而保證礦井開采工作的安全、有序進行。

1.含水層水文地質條件

州景煤礦2號煤層頂板從上至下，同時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。這當中白堊系、第四系含水層和煤層頂板之間相距300m，不會對煤礦日常開采、生產產生直接的影響，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號煤層頂板距離

通過對現有資料、數據的總結可以看出，州景煤礦首采區含水層厚度大約在7.40m-88.2lm范圍內，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，首采區煤層含水層基本在18m左右，分布較為均勻[2]。

在首采區南翼地區的29個鉆孔中，2號煤層頂板含水層的平均厚度大約是5.44m，這當中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，只有礦區北部極少一部分的鉆孔隔水層厚度超過lOm，首采區2號煤層頂板隔水層厚度不到6m。這些數據證實在首采區南翼區域中，2號煤層頂板隔水層相對較淺，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，侵蝕煤層頂板對煤礦安全生產造成一定的影響。

1.2含水層富水性分析

州景煤礦3號煤層首采區進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，而根據鉆孔揭露，大致掌握了含水層的特點。鉆孔出水點大部分集中在2號煤層頂板含水層內部，且其距離煤層頂板不到5m，2號煤層頂板隔水層較淺，含水層和頂板距離較小。

通過對37個鉆孔涌水量信息的總結，發現27個鉆孔涌水量在lOOm3/h以上，其中最大單孔涌水量可達187m3/h;其余鉆孔中有一半數量的鉆孔涌水量可達80m3/h～90m3/h的水平，只有2個鉆孔涌水量不到50m3/h，平均涌水量為118m3/h。這些數據指出，2號煤層頂板富水性水平較高。根據周圍礦井分布情況，煤層含水層較為常見且分布較為均勻，水壓力相對較高，富水性較強。

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

2.煤層巷道掘進過程中可能遇到的問題

2.1 2號煤層工作面頂板水害情況

州景煤礦2號煤層正面回風槽在正常開挖中，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，產生頂板開裂、頂板出水、錨索支護失效等問題，從而對煤礦日常安全開采、生產形成一定不利影響[3]。 按照煤礦現場開采、生產環境信息，巷道頂板嚴重變形并產生深度可達120mm的裂縫，其最大長度2.6m，最大寬度22m;頂板錨索也經常出現托板變形乃至頂板下沉、錨索出水等問題，單個錨索出水量最大是6.9m3/h，百米巷道頂板淋水量可達70m3/h。由于2號煤層頂板含水層較深、富水性較強因素，對工作面回風順槽開掘造成一定的影響，從而為州景煤礦的安全生產、開采，造成了較大威脅。

2.2 2號煤層工作面頂板水害原因分析

根據對砂巖含水層水文地質特征的分析，以及對2號煤層位置關系的研究發現，州景煤礦首采區南翼大部分地區的巷道頂板錨索存在砂巖含水層。其水壓力水平相對較高，煤層頂板無法承受水壓力，造成錨索孔含水層出水的情況;而高壓頂板因為頂板水的侵蝕，出現膨脹、軟化、巖層強度較低的情況[4]。根據對該煤礦頂板巖力學性質的監測報告可以看出，其工作面回風巷頂圍巖基本為軟化巖。砂巖軟化系數是0.75-1，沙質泥巖軟化系數是0.21-0.46。2號煤層頂板砂質泥巖在飽和、自然風干的情況下，其單軸抗壓能力有著極大差別。在水質飽和的情況下，對強度影響最為顯著，表明州景煤礦首采區南翼區域，砂巖分布范圍較廣，頂板錨索也表明因為該區域缺少隔水層，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結構特點，決定了2號煤層巷道開掘中因為淋水因素，圍巖將不斷軟化，直接影響到巷道穩定性，導致水害事故的發生，從而對礦井安全生產造成較大影響。

3.礦井開采順序調整方案

通過對州景煤礦首采區南翼水文地質條件的勘測和頂板巖石力學研究發現，2號煤層巷道開挖過程中，可能同時受到頂板問題、水害問題的威脅，出于礦井安全開采、安全生產所需，當前2號煤層不適合進行開采。為保證礦區煤礦資源的安全開采，要調整礦區開采順序。

按照州景煤礦開采工作計劃安排和實際開采所需，3號煤層應當首先進行開采，并通過3號煤層采空區的作用，進行2號煤層頂板含水層的疏放，當含水層被疏放到一定程度并符合工程安全生產要求后，再進行2號煤層的開采。開采方案科學性的判定重點在于3號煤層能否對2號煤層含水層疏放產生實際效用。在剖面上，3號煤層開采將對2號煤層含水層產生積極的意義，也就是3號煤層開采后出現裂痕，并發育到這一含水層上;或者3號煤層采空區出水區域，直接影響2號煤層工作平面。

根據我國煤炭科工集團唐山院給出的水體下綜放開采導水裂縫帶寬度計算公式：

H1i= 20M+IO

公式中：H1i指的是預測的裂縫帶發育高度;M指的是采高。

在州景煤礦南翼地區，3號煤層頂板厚度在3m-5m，通過上述公式，可得出其導水裂縫發育高度大約是80m-llOm。剖面上，3號煤層的開采對含水層有著極大的疏放效果。平面上，3號煤層首采區和2號煤層首采區之間的間距大約是1700m，按照煤礦井下放水實驗，疏放半徑最大可達2500m，所以3號煤層投產后，采空區將對2號煤層含水層產生疏放作用。這表明，先對3號煤層進行開采，并通過其采空區疏放2號煤層頂板含水層的計劃，是科學有效的。

4.結論

首先，州景煤礦南翼地區含水層水壓水平較高，富水性相對較強，和2號煤層頂板間距不到5m。在2號煤層巷道開挖過程中，水害等安全事故發生概率較大，因此為保證礦井開采工作的安全進行，不建議開采2號煤層。其次，因為3號煤層和2號煤層之間的含水層大多數是砂巖含水層，因此先對3號煤層進行開采，并通過采空區對2號煤層砂巖含水層進行提前疏放，直到含水層水壓力水平下降到一定程度或達到安全條件后，再進行2號煤層開采工作。通過系統的分析、研究發現，這一方案有一定的可行性、科學性。最后，這一方案和礦井預防瓦斯毒氣、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，有一定的科學意義。

參考文獻：

[1]張立其，劉洋，方剛.陜北淺埋煤層采空區積水下安全開采技術研究[J]煤田地質與勘探，2015，43（06）：60-64.

[2]趙占義.開采解放層綜采工作面瓦斯綜合治理技術[J].煤炭技術，2017，26（11）：77-78.

[3]劉英鋒，王世東，王曉蕾.深埋特厚煤層綜放開采覆巖導水裂縫帶發育特征[J].煤炭學報，2014，39（10）：1970-1976.

[4]鄭綱，何淵.深坦礦井超大工作面頂板砂巖含水層涌水量預測方法[J]煤礦安全，2015，46（03）：76-80.

[5]張盼，任金武，高家平.豫西郭村井田深部水文地質特征及涌水量預算[J]。西部資源，2018（04）：91-93.