寧夏靈武市靈新煤礦煤層可采性分析及評價

李志興

（寧夏回族自治區煤炭地質調查院，寧夏銀川750000）

1 問題提出

靈新煤礦范圍內賦存17層煤，可采煤層10層。賦存的煤層層數較多，煤層露頭分布廣泛，露頭及淺部煤層的開采范圍、開采深度各異，遺留數量眾多早年開采的古采硐和小煤窯（見圖1），富含老空水，造成二煤層、六煤層和九煤層剩余資源量遭受嚴重破壞，從探放水經濟性分析，形成開采不經濟的問題煤層。

靈新煤礦以五采區、六采區下組十四、十五、十六號煤層為開采對象。十三煤層開采平均厚度1.22m，煤層頂板為泥質巖類，和十四煤層間距小于20m，除受上組煤層開采形成的采空區及其積水的威脅外，當下部煤層開采后，“兩帶”高度穿透上部煤層，常誘發上部煤層局部出現垮塌現象，導致該煤層破壞而無法利用，成為開采不經濟的問題煤層。

靈新煤礦六采區十七煤層為承壓煤層。“寶塔山”砂巖含水層組位于十七號煤底板，六采區開采其范圍內導通十七煤底板含水層的地質鉆孔對下組煤層開采造成水害威脅，十七煤層成為開采的問題煤層。

綜合分析，煤礦范圍內之前煤炭資源開采，形成采空區積水、煤層頂板的不穩定等致使部分煤層損壞，以及煤層開采的經濟性分析，是本次研究的重點。

2 分析思路和方法

圖1 靈新煤礦小煤窯分布及采區劃分示意圖

從礦井的基本情況出發，結合煤層基本特征劃分出問題煤層，從煤層的開采的安全性和經濟性上進行評判。煤層可采性分析方法主要是依據地質勘查規范、礦井地質規程、煤礦防治水規定等，研究煤礦地質勘查資料，分析礦井揭露的煤層及其頂底板特征，確定開采煤層和不可采的問題煤層。在確定問題煤層的基礎上，結合礦井的地質特征和煤層開采經濟性及安全性，評判煤層可采性，最后提出對煤層開采性的建議。

3 煤層可采性分析

靈新煤礦出現煤層損壞的原因是多方面的，主要表現為礦井涌水量大、遺留采硐和小煤礦無序開采的采空區積水、煤層間距偏小出現了下層煤的開采導致上層煤的塌陷。

3.1 主要開采煤層“兩帶”的高度確定

3.1.1 主要開采煤層頂板抗壓強度分析

靈新煤礦主要開采上組煤六煤層和下組煤十四、十五、十六煤層，頂板巖性和力學特征表現為：六煤層頂板大部為粉砂巖，軸部附近為細粒砂巖，單向抗壓強度151kg/cm2；十四煤層頂板為粗粒砂巖、粉砂巖，粉砂巖單向抗壓強度437kg/cm2；十五煤直接頂板泥巖，單向抗壓強度253kg/cm2；十六煤頂板為細粒砂巖、中粒砂巖，細粒砂巖單向抗壓強度473kg/cm2。可以看出，上下組煤頂板均為中硬巖性，但十四、十五、十六煤層頂板巖性較為相近，六頂板巖性相對十四、十五、十六煤層較軟弱。

3.1.2 二煤層“兩帶”高度

根據資料，靈新煤礦二煤層的冒落帶高度值為20～45m，導水裂隙帶高度值為75.80～160.87m。臨近羊場灣煤礦二煤層實際冒落帶高度約30m左右。

3.1.3 主要開采煤層導水裂隙帶高度

六煤層導水裂縫帶最大高度的計算由于缺乏實測資料，采用以下兩種公式進行預計。

公式一：

公式二：

基于偏安全考慮，六煤層頂板導水裂縫帶高度取36.1m。

采用十四煤層裂高采厚比對下組煤的導水裂縫帶高度進行預計。計算公式：

Hli=21×M

式中：Hli——導水裂隙帶高度，m；

M——采厚，m。

通過類比分析選取L3414綜采工作面的裂高采厚比為21，十四煤層煤厚0.67～5.39m，平均2.73m，采厚按2.8m 計算，十五煤煤厚1.32～5.20m，平均3.18m，采厚按3.2m 計算，十六煤煤厚0.14～7.51m，平均4.28m，采厚按4.3m計算，計算結果見表1。

表1 靈新煤礦主要開采煤層的導水裂隙帶高度計算結果

靈新煤礦主要開采煤層的導水裂隙帶高度計算結果表明，煤層賦存層位越低，導水裂隙帶高度越大。

3.2 礦井涌水量問題

靈新煤礦富水性較強的含水層為基巖風化裂隙帶、侏羅系中統直羅組砂巖和上組煤的砂巖層。由于本礦井生產時間較長，含水層和采空區積水存在水力聯系。

根據靈新煤礦近幾年礦井涌水量監測成果，礦井正常涌水量平均值為369m3/h，礦井最大涌水量為516m3/h。礦井充水通道為頂板導水裂隙帶，充水水源主要為頂板砂巖水及上部老空區水。

按照《煤礦防治水規定》要求，綜合考慮礦井受采掘破壞或者影響的含水層及水體、礦井及周邊老空水分布狀況、礦井涌水量或者突水量分布規律、礦井開采受水害影響程度以及防治水工作難易程度等多種因素，靈新煤礦水文地質類型劃分為“復雜”類型。

3.3 古采硐和小煤礦采空區

3.3.1 古采硐

古采硐主要分布煤礦北部和中西部，以北部最為集中，北部主要開采下組煤各煤層；中西部主要開采上組煤之二煤層和六煤層。開采方式一般是沿煤層露頭下掘斜井，也有少數豎井，一般深度40m，最大深度80m。古小窯采空區多有積水，積水量不明，靜水位標高較高。僅磁礦古小窯采空區已知靜水位標高為+1243.0m，積水范圍不清，預計積水量不小于100×104m3。據靈新礦四采區探放水及探巷揭露，古小窯為房柱式開采，頂板多數冒落。在四采區建井時在+1234m 水平開拓時探測到六號煤層古小窯老空區，老空區內有大量積水，最大涌水量160m3/h，抽排水歷時一年積水未疏干，經礦方決定將+1234m 水平封閉，在采區L4306、L4406 均探測到了二、六煤層老空區并疏放積水150m3/h。四采區出水最大采空區相互獨立，采場走向長34～52m。2002 年12 月北側永寧縣煤礦開采二煤層時，曾發生過掘通小窯發生突水事故，造成人員傷亡和財產損失。

古采硐開采的煤層與靈新煤礦開采的煤層基本一致，區別只是分布范圍不同。古采硐內聚集著大量積水，對礦井采區和工作面的布置帶來一定的影響，尤其是未探明的古采硐，直接威脅到礦井的安全生產。

3.3.2 小煤礦無序開采

靈新煤礦范圍內分布的小煤礦有靈武縣煤礦、磁窯堡鎮煤礦，永寧縣煤礦、寧夏億中煤業公司煤礦，杜木橋鄉煤礦、服務公司煤礦開采對象為本區上組煤，即為二煤層、六煤層、七煤層。在+1250m水平以上，開采下組煤的小煤礦從北向南依次為淺一、淺二、淺三、淺四、淺五和淺六小井，淺五是靈新煤礦的最后一個淺部小井，淺六為石溝驛煤礦的一個采區。五采區佳能煤炭公司開采的九煤層與靈新煤礦五采區北翼工作面存在壓茬關系。

由于技術落后和制度不健全等因素，在煤炭市場繁榮期多表現為超負荷開采。盡管小煤礦目前已經關閉，靈新煤礦上部直羅組砂巖富水性強，無規劃的開采形成的采空區內積水量大，尤其小煤礦開采范圍不詳地段，對靈新煤礦正規化開采形成威脅。除五采區和六采區外，其余4個采區剩余煤炭資源開采難度增大，或者存在開采的安全性和經濟性。

3.4 煤層間距問題

從表2中可以看出，靈新煤礦煤層間距分布表現為不均勻性。六煤層距二煤層最小間距25.11m，最大間距95.85m，平均間距為51.89m。根據六煤層導水裂隙帶發育高度，六煤層的開采，在局部地段會影響上部二煤層的完整性。

靈新煤礦下組煤的煤層平均間距小于20m，最小間距為十四煤層和十五煤層，煤層間距僅1.37m，最大間距為十三煤層和十四煤層，煤層間距為32.74m。從各煤層導水裂隙帶計算結果來看，導水裂隙帶高度遠大于煤層間距，這充分表明下部煤層的開采，將直接影響到上部煤層完好性。

表2 靈新煤礦煤層間距統計表

4 煤層可采性評價

靈新煤礦范圍內存在問題煤層。問題煤層最關鍵的表現就是煤層是否可采以及可采的因素。靈新煤礦問題煤層有7層，分別為二煤層、六煤層、七煤層、九煤層、十一煤層、十三煤層、十七煤層，主要分布于一、二、三、四采區，十三煤層和十七煤層尚在五采區和六采區有所表現。本次綜合諸多因素，對本區具有問題煤層進行可采性評價。

4.1 二煤層開采性評價

二煤層是本區主要可采煤層之一，屬于上組煤，賦存層位較高。小煤礦及部分古采硐分布于該煤層，形成了大面積采空區段。二煤層幾乎開采完畢，所剩為古采硐和小煤礦破壞殘留的資源量，屬不能進行開采地段。

4.2 六煤層開采性評價

六煤層是本區主要開采煤層之一，所剩余資源儲量分布于四采區和五采區。經過多年開采，四采區西部受煤層露頭附近古小窯空區破壞、積水影響，部分資源無法開采。

在2012年的采掘過程中，四采區040605工作面機巷掘進至開口向前686m 處揭露一條走向南北向的逆斷層，傾向79°，平均傾角25°，落差5.4m，最大落差14.12m，影響延伸長度692m。同時，040605 工作面整體煤層厚度變化較大，煤層平均厚度為1.2m，影響導致工作面無法布置。

4.3 七煤層和十一煤層開采性評價

礦井地質資料表明，七煤層和十一煤層分布不均勻，可采厚度較薄，不利于綜采技術開采，形成呆滯資源量。

4.4 九煤層開采性評價

九煤層屬于不穩定的局部可采中厚煤層，可采厚度1.42m，大部分已被靈武佳能公司開采，剩余資源已被破壞不能開采。

4.5 十三煤層開采性評價

十三煤層屬于穩定的全區可采薄煤層。一、三、五采區中厚度為0.59～2.16m，平均厚度1.33m，煤層中含有一層厚度在0.29～0.72m 之間的夾矸；在+1050m 水平以下的六采區，十三煤煤層厚度為0.56～1.61m，平均厚度1.18m。頂底板為砂質泥巖及泥巖，厚度為小于1m，遇水變軟且易破碎。根據礦井揭露，在一、三、五采區中，出現頂板垮落現象。在+1050m 水平以下，十三煤層頂板壓力及老頂發育的含水層，工作面形成后頂板容易破碎冒落，對安全回采造成影響極大。

十三煤層原煤灰分在4.57%～16.04%之間，平均值7.26%，屬特低灰煤。礦井1311工作面開采表明，垮落的0.25m 厚的頂板巖石混入原煤中，導致原煤灰分達到33.44%，嚴重影響原煤的質量。

六采區共有地質資源/儲量1850×104t，可采儲量1136×104t。在六采區十四、十五、十六煤開采系統的基礎上延長區段石門至十三煤后施工十三煤繞道及順槽等，共發生井巷工程量6300m，投資約4200萬元。采用GH9.34VE/4.7薄煤層刨煤機技術，順槽輔以國產設備配套，投入約1000萬元。從經濟分析上來看，為開采六采區的十三煤共需投資約1.5億元，按照目前的開采方式，每年產出量約30×104t，投資利潤率小于4%，投資利稅率小于5%，遠遠低于行業標準，投資回收期在40 年以上，其經濟性不可行。同時，六采區屬于接續期，十三煤層的開采將直接影響到整個六采區的生產進度，更主要的是影響整個礦井的年產量，因此綜合考慮認為：六采區十三煤儲量為非經濟可采儲量，不予開采。

4.6 十七煤層開采性評價

靈新煤礦整體為向斜含水構造區，含水層邊界東部、西部、北部以煤層露頭為界，南部以F2斷層為界。采區處于單斜構造，東陡西緩，地形總的趨勢南高北低，四周高，中間低，受水面積大。“寶塔山”砂巖含水層組位于十七號煤底板，富水性中等，屬于承壓含水層。

一采區在建井施工中，揭露該含水層最大涌水量231～287m3/h，當前涌水量仍保持在80m3/h。根據1989年一采區電水1抽水試驗單位涌水量為0.293L/（s·m），電水2抽水試驗單位涌水量為0.415L/（s·m）及六采區水文地質報告顯示，該砂巖含水層厚度60.45～76.95m、平均厚度67.81m，單位涌水量在0.097L/（s·m），寶塔砂巖裂隙為主孔隙次之屬承壓含水層，十六煤底板距十七煤底板含水層厚度為7.3～15.51m，平均厚度11.78m。

“寶塔山”砂巖平均突水系數0.215MPa/m，大于《煤礦防治水規定》底板正常塊段礦段突水系數大于0.1MPa/m；因此，對十七煤層的開采，需對底部“寶塔山”砂巖含水層進行降壓疏放，確保生產安全。