多倫協(xié)鑫煤礦一采區(qū)延伸開采可行性分析

許延春，曹旭初，李江華，高玉兵

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京100083)

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多倫協(xié)鑫煤礦一采區(qū)延伸開采可行性分析

許延春，曹旭初，李江華，高玉兵

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京100083)

［摘要］為了安全合理地解放多倫協(xié)鑫煤礦一采區(qū)含水層下壓煤及緩解工作面接續(xù)緊張的狀況，運(yùn)用地質(zhì)勘查、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)以及理論分析等方法論證了二采區(qū)變防水煤巖柱為防砂煤巖柱綜放開采的可行性，從而實(shí)現(xiàn)一采區(qū)向二采區(qū)的延伸開采。通過現(xiàn)場實(shí)測、相似模擬、數(shù)值模擬以及經(jīng)驗(yàn)公式的方法對“兩帶”高度進(jìn)行計(jì)算比較，確定經(jīng)驗(yàn)公式法更為安全合理，最后選擇合理公式反算各區(qū)域的最大采高，為實(shí)現(xiàn)一采區(qū)向二采區(qū)延伸并解放大量含水層壓煤提供了依據(jù)，為煤礦生產(chǎn)帶來顯著經(jīng)濟(jì)效益。

［關(guān)鍵詞］采區(qū)延伸;綜放開采;“兩帶”高度;煤巖柱留設(shè)

［引用格式］許延春，曹旭初，李江華，等.多倫協(xié)鑫煤礦一采區(qū)延伸開采可行性分析［J］.煤礦開采，2015，20 (2) : 20－23.

多倫協(xié)鑫井田煤炭資源儲(chǔ)量140.26Mt，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1.20Mt/a，主采7號(hào)煤層，該煤層平均厚度15.80m，含煤地層賦存于一個(gè)長6000m、寬300～1400m，南北拉伸延展的斷陷向斜盆地中。礦井一水平劃分為3個(gè)采區(qū)，井田中南部基巖(煤層以上、第三系砂礫含水層以下的巖層)厚度較大的區(qū)域以及井田中部“古河道”含水層影響區(qū)和井田北部補(bǔ)勘區(qū)均劃分為一采區(qū);井田南部基巖厚度80～140m的區(qū)域劃分為二采區(qū);井田中部西側(cè)煤層傾角大的區(qū)域劃分為三采區(qū)。一采區(qū)1702－1等工作面已經(jīng)成功變防水安全煤巖柱為防砂安全煤巖柱，進(jìn)行分層綜放開采。二采區(qū)覆巖厚度與一采區(qū)工作面相近，若能留設(shè)防砂安全煤巖柱，與一采區(qū)統(tǒng)一開采方式，即采用分層綜放開采，不僅能大大提高開采強(qiáng)度，降低采煤成本，而且可以通過一采區(qū)向二采區(qū)延伸的方式聯(lián)合開采，從而增加單面推進(jìn)長度，減少工作面搬家次數(shù)，緩解采掘接續(xù)緊張的局面。同時(shí)，可簡化礦井生產(chǎn)管理，優(yōu)化礦井通風(fēng)［1］。

1　礦井水文地質(zhì)概況

井田位于多倫斷陷盆地，低山丘陵與河谷平原的過渡帶，總體為西北高，東南低，無地表水體(河、湖、水庫)分布及地下水出露。主要含水層為第四系粉細(xì)砂潛水，第三系上新統(tǒng)氣孔狀玄武巖孔洞裂隙承壓水，第三系底部砂礫巖孔隙承壓水(以下簡稱:第三系砂礫巖含水層)以及白堊系下統(tǒng)砂巖孔隙、裂隙承壓水。第三系上新統(tǒng)黏土層和玄武巖組成一個(gè)厚層隔水層(組)，基本遍布全區(qū)，可有效阻隔第四系粉細(xì)砂潛水和第三系上新統(tǒng)氣孔狀玄武巖孔洞裂隙承壓水向礦井直接充水。白堊系下統(tǒng)砂巖孔隙、裂隙承壓水由于富水性弱，可采取工作面邊開采邊利用采動(dòng)裂隙疏降的方法，最終疏干該含水層。因此，此3層含水層均不會(huì)對礦井和工作面安全開采構(gòu)成威脅。

第三系砂礫巖含水層厚度為5～50m，平均厚度為30m，頂部局部區(qū)域因黏土層尖滅而與第四系中、下統(tǒng)粉細(xì)砂含水層接觸，可接受其下滲補(bǔ)給，局部具影響范圍廣、連通性較強(qiáng)的特征。該含水層距7煤頂板距離近，下部沒有黏土層存在，采動(dòng)裂隙將可能使工作面與該含水層導(dǎo)通，因此是礦井主要防范的含水層，也是決定二采區(qū)相關(guān)工作面是否能夠進(jìn)行綜放開采的關(guān)鍵地層。

2　二采區(qū)綜放開采可行性分析

2.1二采區(qū)概況

二采區(qū)總面積892264m2，南北走向長897m，東西傾向?qū)?000m左右，成近似四邊形，7煤上分層?xùn)|西邊界露頭為采區(qū)邊界。煤層底板標(biāo)高950～1100m，埋藏深度為0～250m，采區(qū)北部中間煤層埋藏最深，向南向東西兩側(cè)逐漸變淺，煤層隨之變薄，呈盆地狀分布。二采區(qū)上部地表鉆孔揭露地層巖性與參數(shù)見表1。

表1　二采區(qū)上覆地層巖性與參數(shù)

根據(jù)鉆孔資料可知，7號(hào)煤頂分層平均厚度6.68m，屬較厚煤層，能夠滿足綜放開采要求。第三系黏土層厚度為13.85～40.02m，厚度較大，全區(qū)均勻分布，鉆孔取樣并進(jìn)行土工實(shí)驗(yàn)，得出第三系黏土層孔隙比平均為0.507，天然含水率在15.8 ～19.5之間，表明土樣的天然含水率較低，孔隙比較小，滲透性不強(qiáng)，土樣在自然狀態(tài)下吸水性差。土樣的塑性指數(shù)為17%～26.7%，液性指數(shù)－0.7～－0.3，表明該黏土為堅(jiān)硬半固結(jié)狀態(tài)，具有良好的隔水性和比較差的流動(dòng)性。同時(shí)，根據(jù)有效隔水厚度的概念，最小厚度3m以上的黏土層足可以阻隔上覆水體下泄［2］。綜合分析認(rèn)為，該黏土層滿足隔水防砂要求。

底部第三系砂礫含水層，厚度為0～30.61m，部分地區(qū)該含水層缺失，此含水層富水性強(qiáng)弱是決定二采區(qū)煤巖柱留設(shè)類型的關(guān)鍵因素。該含水層下方基巖厚度40.87～208.89m，且在砂礫含水層厚度較大的區(qū)域基巖厚度也較大，一般在120m以上，這種巖層特征減小了在厚度較大的第三系砂礫含水層下采煤的安全威脅。

2.2第三系砂礫含水層富水性評價(jià)

為準(zhǔn)確分析二采區(qū)上覆含水層富水性特別是第三系砂礫含水層富水性，施工09－S1和09－S2水文補(bǔ)勘孔進(jìn)行觀測，結(jié)果表明第三系砂礫巖含水層滲透系數(shù)為0.052～0.340m/d，單位涌水量為0.0146～0.0517L/ (s·m)。根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》，第三系砂礫含水層屬弱富水性含水層［3］。

為進(jìn)一步驗(yàn)證該含水層富水性，施工09－Y1井下仰上孔進(jìn)行探放水試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。探放水期間地面09－S1和09－S2水文孔的水位變化見表3。

表2　09－Y1仰上孔試驗(yàn)結(jié)果

表3　探放水期間水文孔水位觀測結(jié)果

井下探放水鉆孔09－Y1的探測結(jié)果表明，白堊系頂部砂巖含水層涌水量為0.30m3/h，富水性弱，利用采動(dòng)裂隙疏降的方法能夠疏干該含水層，因此不會(huì)對工作面安全開采構(gòu)成威脅。第三系砂礫巖含水層涌水量為1.90～2.79 m3/h，為弱富水性，與水文孔的探測結(jié)果一致。同時(shí)，井下探放水期間，兩水文孔水位明顯下降，表明該砂礫含水層連通性較強(qiáng)，井下探放水對疏放底部砂礫巖含水層具有一定的可操作性。

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》第50條，有疏降條件的松散層和基巖弱含水層，允許導(dǎo)水裂縫帶波及松散層的弱含水層水體，但不允許垮落帶波及該水體，要求留設(shè)的安全煤巖柱類型為頂板防砂安全煤巖柱［4］。第三系砂礫含水層富水性弱，并且具有疏降條件，因此可以留設(shè)防砂安全煤巖柱進(jìn)行開采。根據(jù)水文防治工作經(jīng)驗(yàn)，厚度大于20m的第三系含水層富水性一般為中等，為確保安全開采，仍留設(shè)防水安全煤巖柱。

綜上所述，二采區(qū)大部分區(qū)域具備變防水煤巖柱為防砂煤巖柱分層綜放開采的條件，部分第三系砂礫含水層厚度大于20m的區(qū)域，為了統(tǒng)一開采方式，保證安全開采，可以留設(shè)防水煤巖柱限厚綜放開采。

3　延伸區(qū)域煤巖柱計(jì)算

3.1“兩帶”高度預(yù)計(jì)

“兩帶”高度預(yù)計(jì)方法一般有兩種:一種是現(xiàn)場實(shí)測、數(shù)值模擬、相似模擬等方法，其中數(shù)值模擬與相似模擬方法作為驗(yàn)證實(shí)測值的一種輔助手段;另一種是經(jīng)驗(yàn)公式法，這種方法根據(jù)各個(gè)礦區(qū)的實(shí)測“兩帶”高度，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出的經(jīng)驗(yàn)算法，具有普遍的適用性。為了準(zhǔn)確地預(yù)計(jì)二采區(qū)綜放開采條件下的“兩帶”高度，決定兩種方法均采用，最后進(jìn)行比較，選擇更加安全合理的方法。

現(xiàn)場在多倫協(xié)鑫礦1703－1工作面采空區(qū)地表布置2個(gè)“兩帶”觀測鉆孔，編號(hào)09－SD1和09－SD2，并根據(jù)該礦區(qū)地質(zhì)特征進(jìn)行了“兩帶”高度的相似模擬實(shí)驗(yàn)(圖1)和數(shù)值模擬分析(圖2)，計(jì)算結(jié)果見表4。

圖1　“兩帶”高度相似模擬實(shí)驗(yàn)

圖2　數(shù)值模擬分析表4 1703－1工作面垮采比與裂采比計(jì)算結(jié)果

觀測方法　采高/m　垮落帶高度/m垮采比導(dǎo)水裂縫帶高度/m裂采比實(shí)測09－SD1　9.58　54.00　5.60　112.00　11.69 09－SD2　9.09　51.00　5.61　111.00　12.21相似模擬　8.00　40.00　5.00　110.00　13.75數(shù)值模擬　8.00　42.00　5.25　108.00　13.50

由表4可以看出，相似模擬和數(shù)值模擬計(jì)算出的垮采比、裂采比與實(shí)測值相近，偏差不大，驗(yàn)證了實(shí)測值的準(zhǔn)確性，綜合分析選取09－SD2孔實(shí)測得到的垮采比5.61和裂采比12.21作為預(yù)計(jì)“兩帶”高度的標(biāo)準(zhǔn)。

《煤礦防治水手冊》中總結(jié)了適用于中硬和軟弱覆巖的綜放開采條件下的“兩帶”高度經(jīng)驗(yàn)公式［5－9］。二采區(qū)上覆巖層屬軟弱巖層，因此計(jì)算公式可選:

軟弱覆巖條件垮落帶高度:

軟弱覆巖條件導(dǎo)水裂縫帶高度:

式中，Hm為垮落帶高度，m; Hli為導(dǎo)水裂縫帶高度，m; M為采放厚度，m。

以煤層厚度作為采高，分別利用確定的垮采比和裂采比以及經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行“兩帶”高度預(yù)計(jì)，計(jì)算結(jié)果見表5。

表5　二采區(qū)內(nèi)鉆孔“兩帶”高度預(yù)測　m

由表5可以看出，經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值相近，略大于實(shí)測值，且一采區(qū)部分工作面利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算安全煤巖柱已經(jīng)成功回采，對二采區(qū)開采具有重要的借鑒意義，因此選用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行兩帶高度預(yù)計(jì)更加安全。

3.2延伸區(qū)域煤巖柱計(jì)算

一采區(qū)內(nèi)可以向二采區(qū)延伸的工作面有1700工作面、1701工作面、1703工作面和1705工作面，延伸區(qū)域可以根據(jù)上覆第三系砂礫含水層富水性強(qiáng)弱以及相應(yīng)位置基巖厚度進(jìn)行分區(qū)。延伸區(qū)域可以分為4部分: (1)砂礫含水層厚度大于20m，基巖厚度120～140m區(qū)域; (2)砂礫含水層厚度大于20m，基巖厚度大于140m區(qū)域; (3)砂礫含水層厚度小于20m，基巖厚度80～100m; (4)砂礫含水層厚度小于20m，基巖厚度大于100m。

福祿公司在超高壓水刀技術(shù)發(fā)展及制造方面處于世界領(lǐng)導(dǎo)地位，是機(jī)器人和組裝設(shè)備的領(lǐng)先供貨商。福祿公司為制造業(yè)及工業(yè)清洗市場提供先進(jìn)技術(shù)和環(huán)保的解決方案。自1974年以來，福祿公司已生產(chǎn)8 500多套純水水刀及加砂水刀系統(tǒng)，擁有超過45個(gè)國家的客戶，占有近60%的國際市場。公司在美國、加拿大、巴西、德國、英國、瑞典、西班牙、意大利、法國、日本和中國均設(shè)有辦事處。

經(jīng)論證，第三系砂礫含水層整體呈弱富水性，為安全起見，對于砂礫含水層厚度大于20m的區(qū)域以中等富水性處理。因此，根據(jù)《三下采煤規(guī)程》，(1)，(2)區(qū)留設(shè)防水安全煤巖柱，(3)，(4)區(qū)留設(shè)防砂安全煤巖柱。下面根據(jù)公式及安全煤巖柱的留設(shè)要求，反求各分區(qū)最大安全采高，對于煤層較厚的區(qū)域進(jìn)行限厚開采。

3.2.1(1) (2)區(qū)最大安全采高計(jì)算

防水安全煤巖柱垂高Hsh應(yīng)大于或等于導(dǎo)水裂縫帶的最大高度Hli加上保護(hù)層厚度Hb，即:

Hsh≥Hli+ Hb

根據(jù)最小安全厚度法的規(guī)定，對于含水層富水性中等覆巖軟弱的煤層，保護(hù)層厚度選取2.7M (M為采高)［10］。令Hsh等于煤層上覆巖柱厚度，即:

當(dāng)Hsh=120m時(shí)，M=7.65m，即(1)區(qū)的安全采高為7.65m。

3.2.2(3)，(4)區(qū)最大安全采高計(jì)算

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，即:

Hs≥Hm+ Hb

根據(jù)最小安全厚度法的規(guī)定，對于含水層富水性弱覆巖軟弱的煤層，保護(hù)層厚度選取2.1M (M為采高)［10］，令Hs等于煤層上覆巖柱厚度，即:

當(dāng)Hs= 80m時(shí)，M = 9.52m，即(3)區(qū)的安全采高為9.52m;

當(dāng)Hs=100m時(shí)，M=11.05m，即(4)區(qū)的安全采高為11.05m。

二采區(qū)延伸范圍分區(qū)及相應(yīng)的安全采高如圖3所示。

4　結(jié)論

(1)通過現(xiàn)場勘測與實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，二采區(qū)上覆含水巖層大部分區(qū)域富水性弱，具有變防水煤柱為防砂煤柱綜放開采的可能，對于部分第三系砂礫含水層厚度大于20m的區(qū)域，可以留設(shè)防水煤柱限厚綜放開采。

(2)利用現(xiàn)場實(shí)測、數(shù)值模擬以及相似模擬的方法對二采區(qū)“兩帶”高度進(jìn)行預(yù)測，并與經(jīng)驗(yàn)公式法相比較，最終確定經(jīng)驗(yàn)公式法更為安全合理。

(3)根據(jù)二采區(qū)的巖層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將其劃分為4個(gè)區(qū)域，反算出每個(gè)區(qū)域可采煤厚，并繪制出一采區(qū)延伸工作面可采煤厚的區(qū)域圖。

圖3　延伸工作面范圍分區(qū)及相應(yīng)的安全采高示意

(4)二采區(qū)變防水煤巖柱為防砂煤巖柱綜放開采，不僅直接減少了煤柱損失，而且實(shí)現(xiàn)一、二采區(qū)聯(lián)合開采，增加了工作面連續(xù)推進(jìn)長度，減少搬家的成本損失;減少采區(qū)開拓、準(zhǔn)備的工程量，緩解采掘接續(xù)緊張的局面;簡化礦井生產(chǎn)管理，優(yōu)化礦井通風(fēng)系統(tǒng)，給礦井帶來顯著經(jīng)濟(jì)效益。

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［責(zé)任編輯:周景林］

Feasibility Analysis of Extending Mining of 1stMining Zone in Duolun Xiexin Colliery

XU Yan-chun，CAO Xu-chu，LI Jiang-hua，GAO Yu-bing

(Resources＆Safety Engineering School，China University of Mining＆Technology (Beijing)，Beijing 100083，China)

Abstract:In order to free coal resource of 1stmining zone under aquifer and remit mining and driving tense state in Duolun Xiexin Colliery，applying geological survey，laboratory experiment and theoretical analysis，the feasibility of full-mechanized caving mining by transferring waterproof pillar to sandproof pillar was proved and extending mining from 1stmining zone to 2ndmining zone was realized.By comparison of " two-zone" height with site survey，analogue simulation，numerical simulation and empirical formula calculation，it was believed that empirical formula was most rational method.Selecting rational formula to repeatedly calculate largest mining height of every section，reference was provided for extending mining from1stmining zone to 2ndmining zone and freeing large amount coal resource under aquifer and prominent economic profit was made.

Keywords:mining zone extending; full-mechanized caving mining;“two-zone”height; coal and rock pillar design

［作者簡介］許延春(1963－)，男，河北樂亭人，博士生導(dǎo)師，研究員，從事近水體安全采煤的研究與教學(xué)工作。

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11－3677/td.2015.02.006

［收稿日期］2014－08－25

［中圖分類號(hào)］TD822.3

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A

［文章編號(hào)］1006-6225 (2015) 02-0020-04