礦井工作面安全開采可行性分析

彭立前

(西山煤電(集團)有限責任公司鎮城底礦，山西 古交 030203)

1 工作面開采條件

1.1 工作面概況

31203工作面為首采區的首采面，南部為三采軌道巷，西部為正在布置的31205工作面，東部為準備區，北部距井田邊界280 m。所采煤層12下煤，均厚1.45 m，開采水平為-490 m，工作面標高-460 m～-530 m。工作面走向長880 m，傾斜長110 m，面積為96 800 m2。

1.2 煤層頂底板

31203綜采工作面12下煤老頂為七灰，直接頂為泥巖、12上煤，直接底為八灰。12下煤頂、底板情況見表1。

表1 煤層頂底板情況表

2 覆巖破壞高度現場實測

2.1 觀測方案設計

經綜合分析，擬計劃在12下煤層31203工作面進行兩帶高度現場實測，掌握上覆導水裂隙帶的發育規律。

1) 觀測孔參數設計

鉆孔傾角：為了便于鉆孔施工和鉆孔維護，同時又能滿足觀測的要求，鉆孔以略偏離豎直方向與其成50°～75°傾角(α)為宜，“兩帶”觀測鉆孔布置如圖1所示。

圖1 兩帶觀測鉆孔布置示意圖

鉆孔方位：采后孔與工作面軌道巷軸線方向分別成45°和60°夾角(β)，且指向31203工作面采空區；采前孔與31203工作面軌道巷軸線方向成45°夾角且指向未采區域[1-3]。

鉆孔直徑：Φ90mm；鉆孔深度：以能夠探測裂隙帶高度為宜，根據目前正在開采工作面的實際情況，確定其鉆孔垂直高度H應不小于預測導水裂隙帶最大高度(32.5 m)，按α=50°～75°傾角計算，故鉆孔斜孔應不小于33.6 m～42.4 m，具體由公式(1)確定[4-5]。

L=H/sinα

(1)

本次觀測共布置3個鉆孔，采前孔傾角取70°，采后孔傾角分別為70°(β=45°)和60°(β=60°)，按預測導水裂隙帶最大高度(32.5 m)計算，得采前孔鉆孔長度L為34.5 m，2個采后孔鉆孔長度L分別為34.5 m(傾角70°孔)、37.5 m(傾角60°孔)。實際觀測鉆孔必須超過這個長度，至少延長5 m孔段的深度，以便測出一定長度的不漏水孔段，作為確定裂隙帶頂界的依據。鉆孔主要技術參數如表2所示。

表2 31203工作面鉆孔技術參數表

2) 測場布置

考慮到煤層賦存條件與現場施工條件，將觀測地點選在31203軌道巷中，巖層賦存穩定的地段，如圖2所示。

圖2 鉆孔位置示意圖

2.2 觀測數據整理及分析

根據觀測數據，得出采前、采后鉆孔注水漏失量變化曲線，如圖3～圖7所示。

1) 采前孔觀測數據分析

從圖3可以看出，由于采前鉆孔未受任何采動影響，數據有所起伏，但變化不大，主要是因為12下煤上覆巖體中含有泥巖層、砂巖層和灰巖等，各個巖層組成成分及物理力學性質的不同，導致覆巖中各巖層的鉆孔漏失量有所不同，測得鉆孔漏失量變化曲線也是高低起伏，規律性較強，沒有異常現象發生。從觀測數據分析，得到泥巖段鉆孔漏失量較小，漏失量數據基本保持一致，而在砂巖段與灰巖段，由于它們自身孔隙度較泥巖段大，所以單位時間內鉆孔漏失量明顯比泥巖段要大，即整個孔段均有大小不等的漏失量，同時也表明采前鉆孔揭露到的上部巖層具有相對完整性，裂隙不發育。

圖3 采前鉆孔(仰角70°)漏失量示意圖

圖4 采后1#鉆孔(仰角70°)漏失量示意圖

圖5 采后2#鉆孔(仰角60°)漏失量示意圖

圖6 采前、采后鉆孔(仰角70°)漏失量

圖7 采前鉆孔、采后(仰角60°)鉆孔漏失量對比示意圖

2) 采后孔觀測數據分析

結合現場實際條件，確定在鉆孔淺部4.4 m以內的孔段沒有進行觀測，原因是，在31203工作面軌道巷實行沿空留巷的留巷方式，在采空區側充填3.0 m的矸石帶，此段鉆孔裂隙發育不充分。考慮到現場的觀測效果和數據的真實性，實際測試是從鉆孔斜長4.4 m處開始的，得到采后孔的鉆孔漏失量變化曲線，見圖4和圖5，進而得到導水裂隙帶的發育高度。

將多孔生物明膠微載體3D動態培養的脂肪干細胞和2D培養的脂肪干細胞分別培養1、3、5、7 d后（培養時起始細胞量為50萬），用胰酶消化后計數，得出細胞增殖曲線。取培養3 d的2D、3D細胞，用凋亡試劑盒（FITC/PI）檢測兩種不同培養方式細胞的凋亡情況。

a) 采后1#鉆孔漏失量分析

由圖4可以看出，在鉆孔斜長為4.4 m～14.3 m的前部和中部鉆孔段，鉆孔漏失量較采前孔數值變化不大，但受工作面采動影響，從煤體邊緣越靠近采空區中部，覆巖裂隙張開度越大，漏失量呈整體遞增趨勢。當鉆孔斜長為14.3 m時，鉆孔漏失量達到最大值，為4.9 L/min。對比工作面鉆孔柱狀圖可知，此處細砂巖段主要由石英、長石等組成，垂直裂隙發育，分選、磨圓度較好，導水裂隙發育充分，而且該點位于采空區上覆巖層中，受工作面采動影響，垮落帶完全垮落，所以此處鉆孔漏失量最大。

從峰值點往后漏失量遞減的趨勢符合導水裂隙帶分帶特征的，鉆孔深部遠離工作面，工作面采動影響較小，加之深部巖層自由運動的空間較小，受下部巖層的支撐，導水裂隙逐漸閉合。在垂直高度為27.91 m時，由于泥巖巖性軟，黏結力高，允許的水平拉伸變形較大，能夠抑制導水裂隙帶的發展，此處鉆孔漏失量為2.0 L/min，與采前孔漏失量基本一致，導水裂隙帶停止發育。

b) 采后2#鉆孔漏失量分析

由圖5可以看出，在鉆孔斜長為4.4 m～17.6 m的前部和中部鉆孔段，鉆孔漏失量較采前孔數值變化不大，但受工作面采動影響，從煤體邊緣越靠近采空區中部，覆巖裂隙張開度越大，漏失量呈整體遞增趨勢。當鉆孔斜長為17.6 m時，鉆孔漏失量達到最大值，為5.2 L/min。對比工作面鉆孔柱狀圖可知，此處細砂巖段主要由石英、長石等組成，垂直裂隙發育，分選、磨圓度較好，導水裂隙發育充分，而且該點位于采空區上覆巖層中，受工作面采動影響，垮落帶完全垮落，所以此處鉆孔漏失量最大。

從峰值點往后漏失量遞減的趨勢是符合導水裂隙帶分帶特征的，鉆孔深部遠離工作面，工作面采動影響較小，加之深部巖層自由運動的空間較小，受下部巖層的支撐，導水裂隙逐漸閉合。在垂高為28.58 m時，由于泥巖巖性軟，黏結力高，允許的水平拉伸變形較大，能夠抑制導水裂隙帶的發展，此處鉆孔漏失量為2.1 L/min，與采前孔漏失量基本一致，導水裂隙帶停止發育。

3) 采前采后孔對比分析

通過圖6和圖7可以看出，將采前孔和采后孔的鉆孔漏失量曲線進行對比，受工作面采動影響，在圍巖應力作用下，原始應力狀態被打破，裂隙發育，采后孔鉆孔漏失量明顯大于采前孔漏失量。從曲線中可以看出，采后1#鉆孔漏失量曲線與采前鉆孔漏失量曲線在距煤層頂板垂直距離27.91 m處相交，表明遠離工作面采空區上方，裂隙逐漸趨于閉合，巖層透水性與回采之前趨于一致，27.91 m為采后1#所測得的導水裂隙帶發育頂點；采后2#鉆孔漏失量曲線與采前鉆孔漏失量曲線在距煤層頂板垂直距離28.58 m處相交，表明遠離工作面采空區上方，裂隙逐漸趨于閉合，巖層透水性與回采之前趨于一致，28.58 m為采后2#所測得的導水裂隙帶發育頂點。

綜上所述，通過對兩個采后孔與采前孔注水漏失量的對比分析，確定取兩個采后孔反映出的現場導水裂隙帶發育高度最大者28.58 m為1203工作面導水裂隙帶實測值。

3 工作面安全可行性分析

根據上述理論分析結果可知，12下煤層進行開采時，湖下方所有的開采位置是安全的。但是為了謹慎起見，對31203工作面開采的安全性再進行一次論證，通過“水平分段注水法”得到的現場實測值28.58 m，確定31203工作面防水煤巖柱高度為38 m。通過計算可以求得31203工作面開采時的防水煤巖柱頂部標高為：-460+38=-422 m，而此處工作面第四系下部含水層下限標高為-241.40 m，所以基巖厚度為180.6 m。說明31203工作面開采引起的導水裂隙帶沒有波及到第四系下部含水層，隔水層的隔水性能是完好的，保護層的厚度是滿足安全要求的。

根據礦井實際地質條件，無論從第四系中部隔水層的厚度、所留設的防水安全煤巖柱厚度及保護層厚度還是礦井的排水能力來看，湖下三采區31203工作面開采是安全可靠的。

4 結論

為檢驗湖下開采的安全可行性，在31203工作面進行現場工業性試驗。

1) 通過對31203工作面的地質條件進行分析，確定采用“鉆孔分段注水法”對上覆巖層導水裂隙帶進行現場觀測，對比分析采前采后孔的鉆孔漏失量，得到導水裂隙帶現場實測值為28.58 m，進而確定31203工作面防水煤巖柱高度為38 m，遠小于工作面基巖層厚度。

2) 對31203工作面進行安全可行性分析，提出31203工作面回采安全保障技術，以保證開采安全，驗證了湖下12下煤層開采的安全可行性。