任樓煤礦7240(上)工作面含水層下開采技術可行性分析

摘要:充分利用該礦現有采區生產系統，對7240(上)工作面含水層下開采技術進行可行性分析、研究，盡可能多的回收寶貴的煤炭資源，創造更高的經濟效益，延長礦井服務年限。

關鍵詞:含水層 防砂 防水煤柱 冒落帶 經濟效益

0 引言

任樓煤礦位于安徽省淮北市濉溪縣境內，北距宿州市約30km，西接淮北礦業集團的臨煥礦區，是一個以綜采為主、原設計年產150萬噸的礦井，2006年經改擴建后礦井核定年生產能力280萬t。井田南北長8～11km，東西寬4～7km，面積42.0705km2。主采二迭系上、下石盒子組的72、73、82煤層，平均煤厚分別為2.87m、2.10m和2.04m，截止到2008年12月底保有資源儲量22093.3萬噸，露頭防水煤柱壓煤1634.2萬噸。

礦井初步設計時，依據采厚，中一、中二、中四采區原設計開采上限分別為350m、-320m水平，留設80～100m的防水煤巖柱，壓煤568.7萬噸，資源損失嚴重，經濟技術合理性受到嚴重置疑。由于損失的資源具有勘探程度高、埋藏深度淺、生產系統齊全、開采技術條件好等特點。為充分利用現有采區生產系統，盡可能多的回收寶貴的煤炭資源，延長礦井服務年限。任樓煤礦本著“以人為本、科技興礦，安全高效和減少資源損失、走可持續發展”的宗旨和理念，決定結合中二、中四采區開采工程實踐，對7240(上)工作面含水層下開采技術進行了可行性分析研究。

1 7240(上)工作面含水層下開采技術可行性分析

1.1 地質條件，采礦條件，煤層存賦情況 7240(上)工作面位于中二、中四采區的淺部，原設計上限標高為-300m，現設計上限標高為-275m，工作面走向長1515m，傾斜寬75m，面積113625m2，機巷標高為-300mm，風巷標高為-275m，7240(上)工作面工業儲量39.7萬噸，可采儲量35.7萬噸。可開采的72煤層厚度為0.92～3.17m，平均2.5m，72煤層平均傾角為17°，賦存穩定，結構簡單，屬氣煤。工作面直接頂為泥巖，深灰色，塊狀，較致密，向北部逐漸變成粉砂巖，緩波狀層理，厚0.4～2.39m，富含植物莖葉化石及炭化碎片，抗壓強度33.3MPa。老頂為細砂巖，平均厚5.25m，直接底為細、粉砂巖。本工作面位于F2和F3兩中型斷層之間，工作面總體構造形態為單斜，工作面內煤層有一定起伏，為次生寬緩型向斜構造。根據7242工作面資料共發育有5條斷層及層間滑動構造影響采掘生產。

1.2 水文地質條件、頂板類型 位于中二、中四采區的7240(上)工作面上覆新生界松散層厚度為268.36～280.05m，平均厚273.3m，由淺往深逐漸增厚，北薄南厚，其厚度變化反映了古地貌的形態。古地形起伏較為平緩，略向南傾斜，規律性較為明顯。其中，位于中二、中四采區之間的43-2鉆孔揭露的松散層最大厚度為280.05m。整個采區范圍內的松散層，自上而下劃分為4個含水層組和3個隔水層組。松散層沉積基本特征和含水性見表2-3所示。根據鉆孔資料統計表明，砂層厚度累計占松散層全厚的39%，粘性土層占61%。含水層以平原型河流沖積相為主，隔水層以湖泊相為主。

松散層上、中部的第一、第二、第三含水層與隔水層，在全采區分布比較穩定。一含，厚27～33m，平均30m，主要接受大氣降水和地表水垂直滲透補給，據相鄰45-4孔的抽水試驗，涌水量Q=5.25L/S，單位涌水量q=0.4821l/s.m，K=3.09m/d，水位標高為24.12m，為富水性較強的孔隙潛水體，系礦區主要供水水源;二含，厚1.70～31.7m，平均11m，主要接受側向的水平逕流補給;三含，厚22.3～65.6m，平均38m，據525孔的抽水試驗，單位涌水量q=0.546～0.274l/s.m，K=1.6～1.85m/d。7240(上)工作面地表水系不太發育，澥河流經井田南部，屬淮河水系，為中型季節性河流。由于井田內尚有縱橫交錯的人工溝渠，對7240(上)工作面安全開采無影響。工作面主要充水水源為72煤層上覆的新生界松散含水層、頂板砂巖裂隙含水層和底板灰巖含水層，一含、二含和三含雖含水量比較豐富，補給也比較充分，但由于其下部分別有一隔、二隔和三隔的阻隔，對井下開采不發生直接影響。7240(上)工作面上覆的頂板巖性較為簡單，主要由砂質泥巖、泥巖和粉砂巖、細砂巖、中粗砂巖組成，該含水層在7240(上)工作面開采范圍內賦存厚度0～5m，據7242工作面的開采實踐和7240工作面出水特征表明，由于接近新生界底界面，風化裂隙多被充填，富水性較弱，補給來源有限，對含水層下的7240(上)工作面的安全開采影響不大;據432鉆孔揭露，中二、中四采區淺部煤層上方老頂20m內有一層5.4～6.5m的中粗砂巖，原生裂隙也不太發育，應以靜儲量為主，對7240(上)等工作面含水層下淺部煤層的安全開采影響也不大。采區內構造較簡單，北端有F2系列正斷層，走向北東，傾向北西，傾角70°，H=25～125m，屬于采區邊界斷層，已留設50m的斷層防水煤柱。根據38-39-4孔和3914孔對F2斷層破碎帶抽水試驗，q=0.00269～0.0033L/s.m，k=0.004915～0.0059m/d，為富水性較弱的斷層。

依據“三下”采煤規程之規定，中二、中四采區淺部72煤層頂板覆巖類型應屬于軟弱～極軟弱覆巖類型。

直接頂與采高的比值(N=∑M/h，∑M直接頂厚度，h采高)為N=2.36/2.5=0.94。頂板類型為軟弱覆巖類型頂板。

1.3 礦井水文地質類型及水體采動等級 根據中二、中四采區之間的7240(上)工作面淺部開采區域四含、三隔的分布規律、含、隔水特性，按照水體的類型、流態、規模、賦存條件，依照“三下”采煤規程，水體采動等級的劃分，確定中二、中四采區之間的7240(上)工作面上覆松散含水層中的第四含水層的水體類型應屬Ⅱ類水體，可以留設防砂煤巖柱進行開采設計，允許導水裂隙帶頂點波及該含水層，但不允許垮落帶波及四含水體。

即:中二、中四采區之間的西翼7240(上)工作面煤巖柱合理留設高度=冒落帶高度+保護層厚度。

1.4 開采技術方法 7240(上)工作面平均煤厚2.5m，平均傾角17°，直接頂為泥巖，直接底為泥巖，設計采用走向長壁，頂板自然垮落法綜合機械化開采，綜采支架的型號為ZF4000-17/35。

1.5 冒落帶高度預計及防砂煤巖柱高度

按“三下”采煤規程留設

1.5.1 冒落帶高度的預計 根據水21孔和2002-1采前水文檢查孔的巖體力學性能實驗測試資料，結合與其鄰近的童亭煤礦32采區的試驗研究結果可知，主采煤層淺部覆巖屬于軟弱類型型。因此，選用軟弱～中硬類型的覆巖計算公式進行“兩帶”高度預計，預計參數及條件為含水層下的7240(上)工作面內，72煤層最大控制采厚為2.8m。

切眼附近最大控制采厚時冒落帶高度預計為:

覆巖為軟弱時:冒落帶高度

覆巖為軟弱時:冒落帶高度

1.5.2 保護層計算 按“三下”采煤《規程》規定，含水層下的7240(上)工作面可按“松散層底部無粘性土隔水層”的情況選取，工作面覆巖巖性為軟弱～中硬類型情況時，Hb=2A～3A，即

覆巖為中硬時:Hb=3A=3×2.8=8.4m

覆巖為軟弱時:Hb=2A=2×2.8=5.6m

1.5.3 防砂煤巖柱垂高計算

Ⅰ 按軟弱覆巖計算:

Hsb=Hmi+Hb=7.2+5.6=12.8m

Ⅱ 按中硬覆巖計算:

Hsb=Hmi+Hb=10.9+8.4=19.3m

按“相似材料模擬實驗”成果留設

最大冒落帶高度為10.2m，保護層厚度按8.4m選取，由此:確定的中二、中四采區7240(上)工作面需要留設的安全防砂煤巖柱高度為:10.2+8.4=18.6m

按“計算機數值計算”成果留設

確定的中二、中四采區之間的含水層下7240(上)工作面需要留設的安全防砂煤巖柱高度為:9.8+8.4=18.2m

按任樓煤礦中一采區工程實踐成果留設

根據工程類比，確定中二、中四采區淺部7240(上)工作面最大冒落帶高度為10.6m，保護層厚度按8.4m選取，需要留設的保護煤柱高度為:19.0m

按規程和研究成果防砂安全煤巖柱最大為12.8～19.3m，由此可以確定其上限標高為-267.56～-274.06m，因7240(上)工作面為任樓煤礦第一個實行留設防砂開采工作面，為確保含水層下7240(上)工作面開采安全穩妥進行，增大其安全系數，確定其開采上限標高為-275m水平。重新界定后的7240(上)工作面安全煤巖柱厚度為20.24m，較“三下”開采規程計算的煤巖柱多留設0.94m，較7211工作面實測數值所需留設煤巖柱厚度大1.0m。因此，開采是安全可靠的。

2 7240(上)工作面開采經濟評價

根據任樓煤礦財務報表，72煤層噸煤開采成本為200元，噸煤銷售價格420元，噸煤利潤220元;中二、中四采區含水層下7240(上)工作面重新界定開采上限后，可以多回采煤量35.7萬噸，由此可產生的銷售產值為14994萬元，直接經濟效益為7854萬元。經濟效益與社會效益均十分明顯。

3 可行性分析、結論

3.1 7240(上)工作面的基巖面控制程度高，基巖面標高為-243.7～-254.76m，屬緩傾斜煤層，7240(上)工作面留設的最小煤巖柱為20.24m，上限標高為-275m。

3.2 根據采前水21孔查明，該區域四含的厚度為4.5～24.4m，單位涌水量為0.000325～0.058l/s.m，屬富水性小的含水層，且四含的巖性為粘土夾礫石，粗粒含量低，塑性強，采后壓實后易于彌合，因此，在工作面回采時，不易突水潰砂。

3.3 根據“三下”采煤規程，7240(上)工作面開采的采動等級為Ⅱ類，不允許冒落帶波及“四含”，要求留設的安全煤巖柱類型為防砂安全煤巖柱，7240(上)工作面規程要求的最大巖柱高度為19.3m，設計留設最小煤巖柱高度為20.24m，設計上限標高-275m，是安全可行的。

3.4 7240(上)工作面為任樓煤礦中二、中四采區之間的首個留設防砂煤柱開采工作面，將為今后72煤層含水層工作面留設防砂煤巖柱開采積累實踐經驗，獲得大量的可采儲量，有利于煤炭資源的回收。

參考文獻:

[1]煤礦地質學.煤炭工業出版社.

[2]柴登榜.礦井地質工作手冊.1984年3月28日.

[3]煤礦防治水規定釋義.2009年12月第一版.

[4]礦井水害綜合防治水技術研究.中國礦業大學出版社.