厚煤層近水體下綜放安全開采技術(shù)

王 劍，張彩翔

(1.潞安環(huán)能股份公司 生產(chǎn)辦，山西 長(zhǎng)治 046204；2.潞安環(huán)能股份公司 設(shè)備租賃站，山西 長(zhǎng)治 046024)

潞安集團(tuán)小南村煤業(yè)3306工作面位于礦井井田東南部，東部緊鄰漳澤水庫(kù)。由于該工作面距離水庫(kù)較近且工作面的埋藏較淺，面臨較大的突水危險(xiǎn)。本文通過3306工作面近水體下安全開采可行性論證，制定合理的開采技術(shù)方案和防治水技術(shù)措施，保證工作面薄基巖區(qū)近水體下安全開采，并最大限度地提高煤炭資源回收率，促進(jìn)礦井可持續(xù)發(fā)展。

1 工作面概況

3306工作面設(shè)計(jì)寬度約136 m，初始設(shè)計(jì)工作面長(zhǎng)度約340 m，工作面距離水庫(kù)最近距離310 m。工作面煤層厚度平均約7 m，傾角約3～10°，煤層底板標(biāo)高+640～+660 m。3號(hào)煤層底板自工作面西向東逐漸走高，工作面自東向西俯斜推進(jìn)。根據(jù)地質(zhì)勘探資料，3306工作面開采區(qū)域附近未發(fā)現(xiàn)構(gòu)造，地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。

2 3306工作面開采安全可行性分析

為了更好地分析3306工作面近水體開采的安全可行性，重點(diǎn)參考本礦鄰近的王莊煤礦6206工作面近水體下采煤實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)小南村3306工作面近水體下采煤安全可行性進(jìn)行論證。王莊礦6206工作面與小南村3306工作面最短直線距離約500 m，該工作面2007年8月至2008年6月進(jìn)行回采，開采煤層厚度6.9 m，設(shè)計(jì)工作面寬度230 m，切眼距離漳澤水庫(kù)最近距離254 m，第四系表土層厚度為130～200 m，基巖厚度為100～120 m，回采前通過井下鉆孔預(yù)先疏放基巖風(fēng)化帶及第四系底部含水層水體，降低含水層水位，該工作面回采過程中正常涌水量30 m3/h，最大涌水量80 m3/h,回采未受水害影響，實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn)。

2.1 漳澤水庫(kù)保護(hù)煤柱留設(shè)寬度可行性分析

由于3306工作面東部為漳澤水庫(kù)，鑒于此水庫(kù)對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生產(chǎn)生活及環(huán)境調(diào)節(jié)的重要作用，屬于不可波及水體，3306開采過程中必須留設(shè)足夠的水庫(kù)保護(hù)煤柱。由于本礦井未開展地面沉陷觀測(cè)，水庫(kù)留設(shè)保護(hù)煤柱尺寸計(jì)算需要的基礎(chǔ)參數(shù)如巖層移動(dòng)角、表土層移動(dòng)角等數(shù)據(jù)缺失。經(jīng)收集鄰近王莊礦6202工作面的沉陷觀測(cè)成果資料，確定松散表土層移動(dòng)角φ取45°，基巖移動(dòng)角γ取70°，根據(jù)規(guī)范要求水庫(kù)圍護(hù)帶寬度取20 m，確保工作面對(duì)水庫(kù)水體的安全距離，同時(shí)保證工作面采后水庫(kù)水體不能倒灌至塌陷區(qū)。同時(shí)根據(jù)地面物探資料及鉆孔柱狀圖分析，該工作面上覆表土層厚度平均150 m，基巖厚度約85 m。根據(jù)以上各種參數(shù)，根據(jù)國(guó)家能源局下發(fā)的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，水體下開采留設(shè)防水煤巖柱的寬度按公式計(jì)算如下：

L=l+h×cotφ+H×cotγ

=20+150×cot45°+85×cot70°

=200 m

式中：l為圍護(hù)帶寬度，m;h為表土層厚度，m；φ為表土層移動(dòng)角，°；H為3號(hào)煤上覆巖層厚度，m；γ為基巖移動(dòng)角，°。水庫(kù)保護(hù)煤柱留設(shè)如圖1所示。

圖1 水庫(kù)保護(hù)煤柱尺寸設(shè)計(jì)

經(jīng)過計(jì)算，得到3306工作面水庫(kù)保護(hù)煤柱尺寸約需200 m。3306工作面初步設(shè)計(jì)的切眼位置處于漳澤水庫(kù)外側(cè)約310 m，距離水庫(kù)邊界尚有約110 m安全隔離間距。可保障工作面安全可采。

2.2 工作面導(dǎo)通上覆表土層及基巖風(fēng)化帶富水區(qū)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

由于該工作面埋藏較淺，工作面開采過程中產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙有導(dǎo)通表土層富水區(qū)或者基巖風(fēng)化帶富水區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)。因此需要對(duì)3306工作面導(dǎo)通上覆表土層及基巖風(fēng)化帶富水區(qū)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。首先對(duì)工作面開采產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行分析，因本礦無(wú)實(shí)測(cè)資料，收集附近王莊煤綜放開采導(dǎo)水裂縫帶現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料[1]，獲取本區(qū)域?qū)芽p帶最大高度計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式如下：

H=20.2M+1

式中：M為煤層有效采厚，m。

3306工作面采厚約7 m，計(jì)算3306工作面綜放開采導(dǎo)水裂縫帶高度約151.4 m，工作面東部開采區(qū)域基巖厚度僅為85 m，導(dǎo)水裂縫帶將波及基巖風(fēng)化帶及第四系松散含水層。經(jīng)對(duì)地面物探資料進(jìn)行分析，該區(qū)域第四系含水層富水性弱至中等，基巖風(fēng)化帶富水性弱至中等，含水層水體類型屬于“三下”開采規(guī)范[2]中Ⅱ類水體，即“允許采動(dòng)導(dǎo)水裂縫帶波及松散含水層及基巖風(fēng)化帶水體，但不允許垮落帶波及此水體”。因此對(duì)于在此類水體下開采，必須留設(shè)足夠的防砂保護(hù)煤柱，保證工作面開采產(chǎn)生的垮落帶不波及到基巖風(fēng)化帶水體。查詢規(guī)范要求，留設(shè)防砂安全煤巖柱垂高(Hs)應(yīng)大于或等于垮落帶的最大高度(Hm)加上保護(hù)層厚度(Hb)。

Hs≥Hm+Hb

式中：Hm為垮落帶高度，m；Hb為保護(hù)層厚度，m。

本礦井缺乏垮落帶發(fā)育高度觀測(cè)數(shù)據(jù)，參考相鄰?fù)跚f煤礦6206工作面“兩帶”高度實(shí)測(cè)結(jié)果，綜放一次采全高垮落帶高度Hm=6×M(M為有效采厚)，保護(hù)層厚度Hb=4×M，則防砂安全煤巖柱Hs=10×M。取3306工作面綜放開采有效采厚M=7 m，則防砂保護(hù)煤柱尺寸為70 m，而基巖厚度為80 m，大于防砂煤柱尺寸，滿足防水安全要求。且根據(jù)物探資料本區(qū)域附近沒有連接水庫(kù)水體的貫通性構(gòu)造，因此3306工作面現(xiàn)在切眼位置后退綜放開采是安全可行的。

2.3 綜合防治水措施

經(jīng)分析3306工作面上覆基巖較薄，上覆各含水層容易受地面降水補(bǔ)給影響，工作面預(yù)測(cè)開采過程中涌水量較大，必須采用多種防治水措施保障工作面安全開采。

由于切眼位置處于工作面最低處，在開采前在切眼附近設(shè)計(jì)22個(gè)探放水鉆孔，預(yù)先將開采范圍內(nèi)3號(hào)煤層頂板含水層及基巖風(fēng)化帶含水層的水進(jìn)行疏放，降低含水層對(duì)工作面的涌水影響。

在排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，參考鄰近的王莊煤礦6206工作面開采時(shí)最大涌水量約80 m3/h，同時(shí)考慮到3306工作面位于6206工作面上山區(qū)域，工作面上覆基巖更薄，切割含水層數(shù)多，因此考慮1.5倍的動(dòng)態(tài)系數(shù)，工作面預(yù)測(cè)最大涌水量Qmax=1.5×80=120 m3/h，設(shè)計(jì)工作面鋪設(shè)2趟6寸排水管路加強(qiáng)工作面排水。

為防止地面降水滲漏對(duì)工作面的影響，加強(qiáng)工作面上方地表裂縫巡察，遇有較大地表裂縫采用粘土或粘土漿回填加固，減少水的滲漏。

3 延長(zhǎng)開采長(zhǎng)度技術(shù)方案

33306工作面目前切眼位置距離水庫(kù)保護(hù)煤柱邊界尚有110 m安全距離，且物探結(jié)果顯示該區(qū)域范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)大型貫通性構(gòu)造(導(dǎo)水?dāng)鄬雍拖萋渲?，因此正常條件下3306工作面切眼向東延伸至水庫(kù)保護(hù)煤柱邊界開采均是安全可行的。但是考慮漳澤水庫(kù)邊有一條環(huán)湖公路，需要保障環(huán)湖公路的安全使用，回采不得引起環(huán)湖公路的下沉。利用中煤科工集團(tuán)唐山研究院開發(fā)的多煤層、多工作面開采沉陷預(yù)計(jì)軟件，進(jìn)行延長(zhǎng)工作面開采長(zhǎng)度后的地面沉陷預(yù)測(cè)。當(dāng)切眼位置向東延長(zhǎng)40 m時(shí)，此時(shí)工作面距離環(huán)湖公路最近約100 m，環(huán)湖公路預(yù)計(jì)最大下沉量小于8 mm，不影響環(huán)湖公路的使用，同時(shí)可增加可采儲(chǔ)量約5.3萬(wàn)t，因此工作面巷道長(zhǎng)度比原設(shè)計(jì)長(zhǎng)度向東延長(zhǎng)40 m形成新切眼進(jìn)行回采。

圖2 3306工作面擴(kuò)大開采技術(shù)方案示意

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況

3306工作面回采過程中，通過有效的防治水措施，工作面正常涌水量30～40 m3/h，最大涌水量90 m3/h，實(shí)現(xiàn)了安全回采。回采后漳澤水庫(kù)環(huán)湖路的路面僅輕微下沉，未發(fā)生擠壓破壞，不影響行車安全。工作面比原方案多回采煤炭資源約5.3萬(wàn)t，按500元/t計(jì)算，增加收入2 650萬(wàn)元，實(shí)現(xiàn)了安全效益最大化。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過小南村煤業(yè)3306工作面近水體開采安全論證，提出了擴(kuò)大開采長(zhǎng)度的技術(shù)方案，保障了工作面回采安全的同時(shí)，有效提高了煤炭資源回收率，為今后類似條件的礦井安全生產(chǎn)提供了有效的探索途徑。