復雜水文地質條件下大采高綜放開采的實踐

金向陽

（1.中國礦業大學 （北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083；2.天地科技股份有限公司國內成套裝備部，北京市朝陽區，100013）

復雜水文地質條件下大采高綜放開采的實踐

金向陽1，2

（1.中國礦業大學 （北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083；2.天地科技股份有限公司國內成套裝備部，北京市朝陽區，100013）

罐子溝煤礦水文地質條件局部復雜，主采6＃煤層為近水平煤層，平均厚度15.85 m。通過采取水文地質分區、地面疏排水和采掘工作面探放水相結合的方法，成功實現了大采高綜放開采。

大采高 綜放工作面 復雜水文地質 水文分區 地面預抽 探放水

1 罐子溝煤礦井田概況

罐子溝煤礦位于準格爾煤田南部區，隸屬鄂爾多斯市準格爾旗龍口鎮管轄，井田面積17.1673 km2，礦井設計生產能力為3.0 Mt／a。井下現布置一個綜放工作面。

井田含煤地層沿走向、傾向產狀變化不大，總體構造形態呈走向近東西，傾向近北，傾角1～5°的單斜，但沿走向、傾向均發育有相應的波狀起伏；未發現較大的褶皺及對煤層具明顯破壞的斷層等構造，黨家陽坡正斷層的北部延伸進入井田的西南部邊緣，該斷層走向近南北，傾向西，傾角70°，進入井田的部分，斷層上下盤斷距為50 m，對區內巖煤層影響破壞較小。本區構造復雜程度屬簡單類型。

井田內主采煤層為6＃煤層，埋藏深度在100～240 m之間，一般埋深在200 m左右。6＃煤層厚度3.36～23.80 m，平均厚度15.85 m，厚度和層位均較穩定。煤層結構復雜，含夾矸0～14層，夾矸巖性大多為粘土巖、泥巖、炭質泥巖。6＃煤層直接頂板為粗砂巖或泥巖，平均厚度5 m；老頂為灰白色砂質泥巖，平均厚度5 m。頂板屬半堅硬巖石。

2 水文地質條件

罐子溝煤礦位于準格爾煤田南部的罐子溝流域，罐子溝流經礦井的北、東部。礦井南為老趙山梁背斜，西為沙溝背斜，東部緊鄰罐子溝向斜軸部，因而礦井主要含水地層具有南高北低、東、西高中間低的空間分布特征，罐子溝煤礦位于上述構造的復合部位。因而節理裂隙較為發育，含水層富水性較好。

（1）含水層及其特征。主要含水層自上而下為第四系松散巖類沖洪積 （Q4al＋pl）孔隙含水層、第四系上更新統 （Q3eol）黃土裂隙孔隙含水層及二疊系下統山西組下段 （P1s1）碎屑巖類裂隙含水層。其中，對6＃煤層開采影響較大的是二疊系下統山西組下段碎屑巖類裂隙含水層，該含水層位于6＃煤層頂板以上，稱為6＃煤層頂板砂巖裂隙含水層。該含水層厚度1.90～47.01 m，平均18.49 m。6＃煤層頂板砂巖裂隙含水層富水性變化大，單位涌水量0.00004～37.889 L／s·m。沿罐子溝分布的鉆孔單井涌水量較大，靠近分水嶺的鉆孔，單井涌水量小。

（2）隔水層及其特征。主要隔水層自上而下為第三系上新統粘土隔水層和6＃煤層頂板泥巖隔水層。第三系上新統粘土隔水層厚度0～61.60 m，在各溝谷中變薄或缺失；6＃煤層頂板泥巖隔水層厚度0.70～15.65 m，隔水性能良好，但6＃煤層的開采將使該隔水層垮落。

（3）礦井充水因素分析。該礦曾發生兩次突水，最大突水量達15598 m3／h，突水層位為6＃煤層頂板砂巖裂隙含水層。根據水文地質條件、礦井采掘中突水情況分析，罐子溝煤礦采掘6＃煤層的充水水源主要為該煤層頂板砂巖裂隙水。在采掘過程中必將大面積揭露頂板砂巖，并產生直接涌水。從礦井以往生產情況看，初期揭露涌水量大，隨后涌水量減少，常在228～310 m3／h之間；大氣降水和第四系沖洪積砂礫石層潛水可通過裂隙直接補給6＃煤層頂板砂巖裂隙含水層，成為開采6＃煤層的間接充水水源；溝谷地表水在砂巖裸露地段可直接補給砂巖裂隙含水層。

（4）井田水文地質勘查類型及復雜程度評價。井田開采6＃煤層，受采掘破壞和影響的含水層主要為山西組下段砂巖 （6＃煤層煤頂板砂巖）含水層，其下距6＃煤層0.7～15.65 m，以裂隙水為主。含水層厚度1.9～47.10 m，地面單孔涌水量為0.0002～132.984 m3／h，井下開采涌水量一般在228 ～310 m3／h，單位涌水量 0.0002 ～37.89 L／s·m，富水性極不均一。地下水的補給主要為大氣降水和地表水及沖洪積層孔隙水的補給，含水層補給條件一般，地下水以靜儲量為主。煤層上覆巖層相對薄，采動后冒落帶高度和裂隙帶高度穿透含水層，地面沉陷量相對較大，由于地處干旱缺水地區，防治水工作易于進行。根據上述分析，本礦井水文地質條件為簡單～復雜類型。

3 采煤方法

6＃煤層可選擇的采煤方法有分層綜采、分層綜放、大采高綜放。本礦井6＃煤層厚度變化大、無明顯標志層，因此，分層綜放上分層厚度不容易控制，管理難度大，實施困難，設計不予采用；大采高綜放具有對煤層厚度變化適用性強、工作面生產能力大、系統簡單、煤炭回采率高等優點，是特厚煤層開采的發展方向，因此，推薦本礦井6＃煤層采用大采高綜放開采。但由于6＃煤層水文地質條件局部為復雜，根據 《煤礦安全規程》68條規定，水文地質條件復雜的礦井，不能采用放頂煤開采。因此，對于6＃煤層的開采，設計采取防治水綜合措施，將礦井水文地質條件復雜程度降至中等后，采用大采高綜放開采。

4 防治水措施

設計采用補充勘探、水文地質分區、地面疏排水與井下探放水相結合的綜合防治水措施。

4.1 水文地質補充勘探

根據對礦井水文地質條件的分析研究，認為6＃煤頂板砂巖裂隙含水層是本礦井的主要充水含水層，因此為查清其水文地質條件、富水性特征，進行補充勘探。水文地質補勘采用水文地質調查、水文地質鉆探、電測井、物探、單孔和群孔抽水試驗、水樣和巖樣化驗、動態觀測、工程測量等綜合勘查手段，勘探成果可靠。水文地質補充勘探時，鉆孔盡可能一孔多用。如排水孔兼作供水孔，大口徑鉆孔兼作探水疏干孔。補堪共布置鉆孔18個，其中大口徑抽水孔7個，編號為水1～水6和中觀；小口徑抽水觀測孔7個，編號為觀1～觀7；探水疏干孔4個，編號為水7～水9和疏9，見圖1。

4.2 水文地質分區

根據水文地質勘查資料，根據突水危險性大小及水力聯系，將6＃煤頂板砂巖裂隙水劃分為4個區，如圖1所示。

Ⅰ區突水危險性較小，該區富水性較強，補給量較大，但煤層頂板砂巖裂隙含水層動水位已接近含水層底板，因此，只要在采掘生產中提前疏放頂板水，就不會誘發大的突水災害；Ⅱ區突水危險性小，該區富水性較差，且煤層頂板砂巖裂隙含水層動水位已接近含水層底板，因此，不會誘發大的突水災害；Ⅲ區突水危險性較大，該區富水性較強，且煤層頂板砂巖裂隙含水層動水位高于含水層底板；Ⅳ區遠離罐子溝，群孔抽水試驗發現該區與Ⅰ區、Ⅱ區、Ⅲ區沒有水力聯系，突水危險性小。突水危險性為：Ⅳ區＜Ⅱ區＜Ⅰ區＜Ⅲ區。

圖1 6＃煤層開采頂板涌 （突）水條件綜合分區及地面疏排水鉆孔布置圖

4.3 地面疏排水

（1）地面水防治。礦井四周修排水溝渠、清理河道、取消堤壩，防止地面水補給砂巖裂隙含水層。

（2）地面預抽頂板砂巖裂隙含水層水。根據前面分析，Ⅲ區距離罐子溝近，水文地質條件復雜，突水危險性大，必須將工作面砂巖裂隙含水層水位降至含水層底板。因此，設計采取地面鉆孔預抽水的方法降低水位。在Ⅲ區6103工作面附近，沿裂隙發育帶、富水地段結合地形等施工條件布置8口疏排水井，編號為疏10～疏17，見圖1，孔深105～150 m，每孔排水量100 m3／h，加上井下探放水孔130 m3／h、水3孔280 m3／h和疏9孔 180 m3／h，Ⅲ區附近總排水量為1390 m3／h，294 d可疏干該區靜儲量。

4.4 井下探放水

單純依靠地面疏排水或井下排水很難解決礦井水患問題，井下探放水鉆探工程彌補了地面鉆探工程量的不足，采取地面預抽與井下排水相結合。

掘進工作面采取超前物探和鉆探，確保施工安全。在掘進工作面后方的巷道內每隔50 m布設兩組鉆場，分布在巷道兩側。每個鉆場內按不同角度布置5個鉆孔，穿透頂板含水層，使工作面頂部形成35 m×50 m的鉆孔密度，安設壓力表或控制閥門。

5 綜放開采的實踐

采取上述的防治水措施后，礦井疏干井在疏干前涌水量68～106 m3／h，疏干后涌水量8.1～9.8 m3／h。目前，井下正常涌水量90 m3／h左右。經過地質公司重新評價，水文地質條件為中等類型，可采用綜放開采。

礦井先期開采突水危險較小的Ⅱ區6101、6102工作面。6101工作面煤層厚度12 m，采高3 m，放煤高度9 m，于2008年6月開始試采，至2008年11月開采結束，最大日產量1.5萬t。6102工作面煤層厚度12 m，采高3 m，放煤高度9 m，于2009年2月初采，至2009年12月開采結束，最大日產量1.6萬t。平均月產量25萬t；6105工作面層厚度15 m，采高4 m，放煤高度11 m，于2009年12月初采，至2010年12月開采結束，最大日產量2.5萬t。平均月產量35萬t。上述3個回采工作面涌水量在3～10 m3／h。

6 結語

實踐證明，對于水文地質條件復雜、開采特厚煤層的礦井，在采取補充水文地質勘探、水文地質分區、地面疏排水與井下探放水相結合的措施后，重新評價水文地質條件，在滿足規程規范要求的情況下，采用大采高綜放開采是能夠取得成功的，對類似條件的礦井，有一定的指導意義。

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Practice of fully-mechanized cavingwith large mining height in complex hydro-geological condition

Jin Xiangyang1，2
（1.Faculty of Resourcesand Safety Engineering，China University of Mining＆Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China；2.Domestic Equipment Department，Tiandi Science and Technology Co.，Ltd.，Chaoyang，Beijing 100013，China）

The hydro-geological condition of Guanzigou Mine is very complex，and the average thickness of main mining No.6 coal seam is 15.85m，which is a nearly horizontal seam.Through the combined method of hydro-geological partition，ground drainage，and water detection ＆drainage in mining face，the fully-mechanized caving with large mining height has been achieved.

large mining height，fully-mechanized caving face，complex hydro-geology，hydrological partition，ground pre-drainage，water detection and drainage

TD 823.97

A

金向陽 （1980-），男，吉林榆樹人，高級工程師，中國礦業大學 （北京）在讀工程碩士，在天地科技股份有限公司國內成套裝備部從事技術工作。

（責任編輯 張毅玲）