豫西 “三軟”煤層水體下采煤工程技術實踐

李紅行 楊成軼 劉志鴻 婁 鵬

（1.鄭州煤炭工業 （集團）有限責任公司，河南省鄭州市，450042；2.中國礦業大學 （北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083）

豫西 “三軟”煤層水體下采煤工程技術實踐

李紅行1楊成軼2劉志鴻1婁 鵬2

（1.鄭州煤炭工業 （集團）有限責任公司，河南省鄭州市，450042；2.中國礦業大學 （北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083）

針對鄭州礦區 “三軟”煤層地質采礦條件，結合 “三下”采煤技術，提出了楊河煤業魔洞王水庫下隔離開采的開采方案，確定了水庫下采煤工作面的推進方向和速度，并給出了水庫和堤壩保護煤柱范圍內合理的開采厚度。通過導水裂隙帶高度計算，分析了水庫下采煤的安全性。工作面采用綜采放頂煤一次采全高，工作面大致為由東向西推進，與水庫大壩長軸走向基本一致，經首采工作面試采實踐證明開采方案安全可行。

三軟煤層 水體下采煤 導水裂隙帶 推進方向 推進速度 鄭州礦區

水體下采煤的主要問題是水體一旦遭受破壞，將會威脅整個礦井的生產和人身安全。而三軟煤層的采煤特點給水下采煤帶來了很大的困難。

本文在現場調研、收集地質采礦資料的基礎上，根據水體下采煤的技術理論，結合具體的地質采礦條件，通過上覆巖層破壞高度的計算、地表移動和變形的分析對魔洞王水庫水體下采煤的安全性進行了研究和論證。

1 礦井概況

楊河煤業31采區位于滎密大背斜南翼，為一較平緩的單斜構造，以近東西向之高角度南升北降之斷裂為其特征，采區水文地質條件復雜，煤層結構簡單，屬較穩定緩傾斜煤層，煤層上覆厚200 m以上基巖。魔洞王水庫位于楊河煤業31采區中部，堤壩位于31采區的中下部。水庫底面北部、中部和南部下距二1煤層頂板分別為204 m、394 m和452 m。水庫估算壓煤面積約30萬m2，壓煤量預計達6.84 Mt。若為水庫及堤壩留設保護煤柱，將對31采區的開采布局造成影響，楊河井田的多個工作面將不能開采。

2 “三軟”煤層水體下采煤方案及開采工藝

2.1 魔洞王水庫下采煤方案

楊河煤業31采區煤層結構簡單，屬穩定緩傾斜煤層，頂板以上含水層對開采影響不大，且有200 m以上的上覆基巖，適合采用隔離法進行開采，結合礦井生產的實際情況，楊河煤業31采區水庫下采煤采用留煤巖柱頂水開采，回采工作面采用走向長壁后退式綜采放頂煤采煤法，全部陷落法管理頂板。

2.2 水下開采厚度

為了保證堤壩及水庫的安全，防止上覆水體和泥砂潰入井下，在堤壩及水庫的保護煤柱范圍內必須要有合理的開采高度。為最大限度減小開采對堤壩的影響，確保堤壩的整體性和穩定性，同時結合該礦實際情況，在堤壩保護煤柱范圍內只采不放，在水庫保護煤柱開采范圍內采用限厚開采。

2.3 導水裂縫帶最大高度

根據 “三下”采煤規程中給出的緩傾斜條件下厚煤層分層開采時的垮落帶和導水裂縫帶高度的計算公式進行計算，確定31采區水庫保護煤柱范圍內限厚開采時的垮落帶和導水裂縫帶高度。經計算保護煤柱范圍內限厚開采時的垮落帶和導水裂縫帶高度如表1所示。

表1 保護煤柱范圍內限厚開采時的垮落帶和導水裂縫帶高度計算表

2.4 安全性分析

水庫保護煤柱范圍內鉆孔資料所示各功能巖層厚度見表2，同時結合表1參數，得出導水裂縫帶發育的最大標高與基巖頂部邊界之間的基巖巖柱厚度均在167.72 m以上，再加上18 m厚的第四系砂質粘土的隔水作用，導水裂縫帶不會波及地表上的水體魔洞王水庫，31采區水體下開采方案是安全可行的。

表2 魔洞王水庫附近鉆孔資料所示各功能巖層厚度統計表 m

2.5 工作面推進方向和推進速度

為了確保堤壩的安全，在堤壩保護煤柱下采煤，必須保證工作面的推進方向與水庫堤壩的軸向一致，并確定合理的推進速度。

2.5.1 工作面推進方向

楊河煤業31采區為單翼采區，根據采區布置各工作面的推進方向大致為由東向西推進，魔洞王水庫大壩長軸為東西走向，各個工作面推進方向與魔洞王水庫大壩長軸走向基本一致，因此工作面推進方面對堤壩的影響不大，有利于堤壩的穩定下沉。

2.5.2 工作面推進速度

工作面的推進速度直接影響著地表最大下沉速度與地表最大下沉值，為了保證水庫下采煤的安全，采煤工作面必須要有合理的推進速度，確定其關系的常用經驗公式如下：

式中 ：V——工作面推進速度，m／d；

vmax——地表下沉最大速度；m／d

H0——平均開采深度，m

wmax——地表最大下沉值，m；

K——下沉速度系數。

表3 堤壩沉降速度與工作面推進速度對應表

楊河煤業31采區上覆巖層為軟～中硬巖層，根據該礦埋深相近的區域開采地表深陷觀測，下沉速度系數K約為1.3～1.45，地表最大下沉值為3.8 m。平均開采深度H0為375 m，土堤壩允許的最大下沉速度為0.040 m／d。根據以上數據可計算出堤壩附近工作面適當的推進速度，計算結果如表3所示。根據式 （1）可知，地表最大下沉速度與工作面的推進速度成正比，因此，在開采過程中要確定適當的開采推進速度，以確保堤壩的安全。如果推進速度過慢，容易使工作面前方出現邊界效應，不利于堤壩的保護；如果推進速度過快，容易加劇堤壩的變形速度，也不利于堤壩的保護?；谝陨戏治?，在31采區堤壩保護煤柱范圍內進行回采時，應采用合理的開采速度，以避開開采速度的危險區，堤壩附近工作面的平均開采速度盡量保持在1.5～2.7 m／d。

3 開采方案安全可行性驗證

3.1 試采工作面概況

楊河煤業31071工作面位于31采區中部，水庫位于工作面中部相對應的地面上，堤壩位于工作面南部200 m左右，工作面走向長1220 m，切巷長130 m，煤層底板標高為-170～-59 m，地面標高+180～+202 m，平均埋深282.3 m，平均煤厚6 m，工作面采用綜采放頂煤一次采全高，全部陷落法管理頂板，采用ZFZ-6000／19／28LT型放頂煤液壓支架支護，綜采工作面兩端使用ZFZ-6000／21／30LT型端頭液壓支架。工作面由東往西推進，工作面推進速度2.4 m／d，在堤壩保護煤柱范圍內采高2.8 m，在水庫保護煤柱圍內采高5 m，采高2.8 m，放頂煤2.2 m。

3.2 試采試驗觀測

（1）地表巖移觀測。在31071工作面中部相對應的地表建立地表巖移觀測站，在工作面內地表布置了一條走向觀測線和一條傾斜觀測線，走向觀測線布設19個觀測點，傾向觀測線布置15個觀測點。根據31071工作面地表巖移觀測，地面受工作面采動影響范圍為上副巷以北140 m，下副巷以南220 m。地面受采動影響，超前影響距為60 m，超前影響角為78°，最大下沉速度滯后距離為120 m，最大下沉速度滯后角為67°，地表最大下沉值位置為下副巷以南30～50 m之間，最大下沉量為2.3 m，小于埋深相近區域開采后地表最大下沉值3.8 m，該開采方案能保證堤壩及水庫下開采的安全。

（2）水位觀測。在31軌道下山建立了測水站，每月觀測不少于3次，觀測涌水量基本穩定在70 m3／h左右。地面在31071工作面附近觀測6個水井水位，井深度不超過50 m，水源為淺部水，水位隨著季節雨水增加有所變化，但水位變化不超過1.5 m。

（3）采空區導通試驗。在31071工作面采空區地表充分采動范圍內7個地點進行了導通試驗，1＃、5＃、6＃注水點位于工作面上副巷附近，2＃、3＃注水地點基本位于工作面中部，4＃、7＃注水點位于工作面下副巷南部40 m附近，在每個注水點位置選擇較大的裂縫，用排水能力不小于50 m3／h排水泵抽水直接注入裂縫內，每個點連續注水量不小于500 m3，累計注水量3650 m3，地表裂縫注水后工作面采空區內無異常。

4 結論

（1）結合 “三軟”煤層特點， 楊河煤業31采區水庫下采煤采用留煤巖柱頂水開采，回采工作面采用走向長壁后退式綜采放頂煤采煤法，全部陷落法管理頂板。通過31采區上覆巖層特性選取合理的巖層下沉系數，結合經驗公式確定了工作面推進方向及速度。

（2）根據 “三下”采煤規程中給出的緩傾斜條件下厚煤層分層開采時的垮落帶和導水裂縫帶高度的計算公式預測開采裂高，根據水體下采煤技術理論，結合具體的地質采礦條件，通過上覆巖層破壞高度、地表移動和變形分析，計算水庫下保護煤柱范圍內限厚開采時的垮落帶和導水裂縫帶高度，確定垮落帶和導水裂縫帶不會波及地表上的魔洞王水庫。

（3）通過首采工作面試采，進行了包括地表巖移觀測、采空區導通試驗和水位觀測等，確定了地面受工作面采動影響范圍及地表水位波動范圍，并在地表裂縫注水后確定工作面采空區內無異常，確保楊河煤業31采區水體下開采方案安全可行。

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Practice of under-water mining engineering technology in"three soft"coal seam in Western Henan

Li Hongxing1，Yang Chengyi2，Liu Zhihong1，Lou Peng2
（1.Zhengzhou Coal Industry（Group）Co.，Ltd.，Zhengzhou，Henan 450042，China；2.Faculty of Resources and Safety Engineering，China University of Mining ＆ Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China）

Aiming at the geological mining conditions of"three soft"seam in Zhengzhou mining，combining with the"three-under"mining technology，the paper put forwards the mining scheme of isolating mining under the Mowangdong reservoir for Yanghe Coal Mine.It determines the advancing direction and speed of the working face during mining under the reservoir and presents rational mining thickness within the range of protective coal pillars of reservoir and dam.Through calculating the height of the water flowing fractured belt，this paper analyzes the security of mining under Mowangdong reservoir.Fully-mechanized and full-seam cutting is adopted in the working face，and the advancing direction is from east to west generally and the trend is basically same with the long axis of the Mowangdong reservoir.The mining practice of the first working face proves that the mining scheme is safe and feasible.

three soft coal seam，under-water coal mining，water flowing fractured zone，advancing direction，advancing speed，Zhengzhou mining area

TD823.83

A

李紅行 （1979-），男，河南靈寶人，工程師，碩士研究生，2002年參加工作，從事生產技術管理工作。

（責任編輯 張毅玲）