阜生煤業豐堠溝下枯水期采煤可行性分析與實踐

馬 帥

(潞安集團 地質處，山西 長治 046204)

1 工程背景

阜生煤業一采區采區面積約1.2 km2，開采15號煤層，煤層平均厚度6.5 m。豐堠溝河自西北向東南方向流經一采區1102、1106工作面，豐堠溝河道全長10 km，承擔流域面積35 km2的排洪任務[1]。由于1102、1106工作面煤層埋藏淺，采高大，開采沉陷將使地表受到嚴重破壞，使豐堠溝河成為威脅礦井安全生產的主要隱患。

2 豐堠溝下采煤可行性

根據豐堠溝最近3年的氣象及河流觀測記錄，每年6、7、8、9月的降水量最大，從11月初至來年5月底為枯水期，期間河道內只有少量流水。豐堠溝枯水期幾乎無水，但河床底部的松散巖類孔隙含水層仍對井下安全生產構成威脅。根據豐堠溝水量變化規律及礦井實際情況，本文將綜合論證在留設必要煤柱的情況下枯水期采煤可行性。

2.1 豐堠溝保護煤柱留設

表1 豐堠溝保護煤柱設計邊界角數值

保護煤柱設計采用垂直剖面法，在豐堠溝采煤沉陷影響范圍內布置垂直煤層走向A-A′、B-B′剖面。經計算，兩剖面之間豐堠溝西側保護煤柱寬度為30.93～36.07 m，東側保護煤柱寬度為35.24～42.14 m，自南向北煤柱加大約5～7 m，采深增加約19 m。在采厚不變的情況下，考慮到采深增加對減少地表水滲漏是有利的，因此采用A-A′剖面的保護煤柱(西側保護煤柱)尺寸作為煤柱尺寸。

2.2 工作面涌水量預測

2.2.1 大井法[2]

對于第四系含水層采用地下水動力法中潛水計算公式：

(1)

(2)

式中：r0采用工作面開采引用半徑；k為滲透系數，取抽水試驗平均值18.05 m/d；H為靜止水位至疏干含水層底板深度的距離，取10.0 m；S為水位降深，數據與H相同，計算出涌水量分別為87.97 m3/h、103.41 m3/h。考慮到下部含水層對工作面涌水的影響，計算結果擴大1.2～1.5倍，因此1102、1106工作面涌水量分別按120 m3/h、140 m3/h計。

2.2.2 單位涌水量比擬法[3]

根據同采區1101工作面有關資料求得的單位涌水量q0，可作為預測類似條件下1102(1106)工作面開采面積F和水位降深S條件下涌水量Q的依據。當回采工作面的涌水量Q0隨開采面積F0和水位降深S0呈直線變化時，單位涌水量q0為：

(3)

則比擬公式為：

所有維度上任務負荷的平均值均>50，表明船員在工作中腦力和體力的需求相對較高，時間壓力比較大。較好的工作表現需要付出的努力也更多，受挫程度較大。

(4)

根據1101工作面涌水量觀測結果，按最大涌水量26 m3/h，采用單位涌水量比擬法利用式(4)計算出1102、1106工作面礦井涌水量分別為19.59 m3/h，30.58 m3/h。采用大井法和單位涌水量比擬法計算的最大值作為工作面涌水量值，因此1102、1106工作面涌水量取值分別為120 m3/h、140 m3/h，均小于礦井250 m3/h的排水能力，且有一定余量。

2.3 防砂安全煤巖柱計算

采空區上覆巖層“三帶”的形成主要取決于煤層的賦存條件、采煤方法、頂板管理方法和巖體的物理力學性質等因素[4]。為了充分保證安全生產，綜合考慮支架高度、地質條件等因素，煤柱線內采厚按4 m控制，煤柱線外按照6 m采厚考慮。

2.3.1 垮落帶計算

根據阜生煤業巖石抗壓強度實驗成果，阜生煤業覆巖巖性為中硬巖，垮落帶高度可按下式計算[5]：

(5)

式中：Hk為垮落帶高度，m；∑M為累計采厚，m，計算結果見表2。

表2 根據規范計算垮落帶最大高度值

參照潞安礦區王莊煤礦綜采放頂煤一次采全厚垮落帶高度觀測成果，工作面中間部分冒高采厚比為3.72、邊界處冒高采厚比為6.26。根據該成果垮落帶高度計算結果如表3所示。

表3 參照潞安礦區觀測成果垮落帶高度估算值

2.3.2 導水裂隙帶計算

中硬巖導水裂縫帶高度按下式計算：

(6)

式中：Hli導水裂縫帶高度，m。

根據唐山研究院在潞安礦區的導水裂縫帶觀測成果，采用最小二乘法原理，求取導水裂隙帶最大高度預測的經驗公式為：

Hli=20.22M+10

(7)

式中：M為煤層有效采厚，m；Hli為導水裂隙帶高度，m。

根據公式(6)、(7)計算的導水裂隙帶最大高度如表4所示。

表4 導水裂隙帶最大高度計算結果

綜放工作面具有采高大的特點，垮落帶、導水裂隙帶較發育，因此采用經驗公式計算垮落帶、導水裂隙帶最大高度較為合適。

防水安全煤巖柱高度按下式計算：

Hs≥Hm+Hb

(8)

式中：Hs為防砂安全煤巖柱高度，m；Hm為垮落帶最大高度，m；Hb為保護層厚度，m。計算結果見表5。

表5 一采區防砂安全煤巖柱高度及最小采深計算 m

1102、1106工作面15煤層豐堠溝下采深為63～122 m，當采厚為6 m時，淺部開采區不滿足防砂安全煤巖柱要求。

3 枯水期水體下開采方案

3.1 枯水期水體下開采可行性分析

1102工作面范圍內的第四系沖積層，含水層主要以卵、礫、砂層為主，沖積層厚0～5 m，基底一般為砂泥巖，局部為灰巖，主要接受大氣降水和河水的補給，該含水層是1102工作面開采礦井涌水的主要補給水源。石炭系上統碳酸鹽巖含水層為太原組14號煤層上方含水層。對1102工作面范圍內的15號煤層而言，15號煤層頂板砂巖、K2石灰巖為含水層組，都是15號煤層直接和間接充水含水層，富水性較弱，雖然由于1101工作面的采動，已對該含水層起到了一定的疏干作用，但開采15號煤層時，必然向巷道內充水。1102工作面除上述含水層外，其余均可視為相對隔水層。

通過上述對充水通道及隔水層的分析可知，影響安全生產的主要水源為雨季洪水，對于各含水層出水，可以利用井下排水設備進行排放，只要避開雨季并及時對導水裂隙及地面塌陷區域進行治理，便能夠有效阻止地表水潰入井下。因此1102在枯水期進行采煤是安全可行的。

3.2 安全開采方案

1102工作面利用枯水期進行回采，豐堠溝保護煤柱線外采高設計為6 m，由于一采區工作面綜采設備最小采高為4 m，豐堠溝保護煤柱線內限厚開采，采高為4 m。根據保護煤柱留設情況，1102工作面推進長度529 m，其中按設計采高開采推進長度156 m，限厚開采推進長度約373 m。同時對地面產生的裂縫進行及時回填壓實。

4 阜生礦豐堠溝下枯水期采煤實踐

阜生煤業于2019年1～6月對1102工作面豐堠溝河下部分進行了開采，開采過程中進行了涌水量觀測。根據觀測結果，工作面回采至151 m時，涌水量為8.5 m3/h，回采至165 m處時涌水量升至14.4 m3/h并開始逐漸增大，回采至260 m處工作面涌水量穩定在20～27 m3/h之間，平均涌水量約23 m3/h。最終工作面安全回采至設計位置。1102工作面開采期間對涌水進行了水質化驗分析，水質分析結果為頂板裂隙砂巖水，與地表河流水質無關，實現了近豐堠溝河下安全開采。