厚煤層近水體下綜放安全開采技術

王 劍，張彩翔

(1.潞安環能股份公司 生產辦，山西 長治 046204；2.潞安環能股份公司 設備租賃站，山西 長治 046024)

潞安集團小南村煤業3306工作面位于礦井井田東南部，東部緊鄰漳澤水庫。由于該工作面距離水庫較近且工作面的埋藏較淺，面臨較大的突水危險。本文通過3306工作面近水體下安全開采可行性論證，制定合理的開采技術方案和防治水技術措施，保證工作面薄基巖區近水體下安全開采，并最大限度地提高煤炭資源回收率，促進礦井可持續發展。

1 工作面概況

3306工作面設計寬度約136 m，初始設計工作面長度約340 m，工作面距離水庫最近距離310 m。工作面煤層厚度平均約7 m，傾角約3～10°，煤層底板標高+640～+660 m。3號煤層底板自工作面西向東逐漸走高，工作面自東向西俯斜推進。根據地質勘探資料，3306工作面開采區域附近未發現構造，地質條件簡單。

2 3306工作面開采安全可行性分析

為了更好地分析3306工作面近水體開采的安全可行性，重點參考本礦鄰近的王莊煤礦6206工作面近水體下采煤實踐經驗，對小南村3306工作面近水體下采煤安全可行性進行論證。王莊礦6206工作面與小南村3306工作面最短直線距離約500 m，該工作面2007年8月至2008年6月進行回采，開采煤層厚度6.9 m，設計工作面寬度230 m，切眼距離漳澤水庫最近距離254 m，第四系表土層厚度為130～200 m，基巖厚度為100～120 m，回采前通過井下鉆孔預先疏放基巖風化帶及第四系底部含水層水體，降低含水層水位，該工作面回采過程中正常涌水量30 m3/h，最大涌水量80 m3/h,回采未受水害影響，實現了安全生產。

2.1 漳澤水庫保護煤柱留設寬度可行性分析

由于3306工作面東部為漳澤水庫，鑒于此水庫對區域經濟發展、生產生活及環境調節的重要作用，屬于不可波及水體，3306開采過程中必須留設足夠的水庫保護煤柱。由于本礦井未開展地面沉陷觀測，水庫留設保護煤柱尺寸計算需要的基礎參數如巖層移動角、表土層移動角等數據缺失。經收集鄰近王莊礦6202工作面的沉陷觀測成果資料，確定松散表土層移動角φ取45°，基巖移動角γ取70°，根據規范要求水庫圍護帶寬度取20 m，確保工作面對水庫水體的安全距離，同時保證工作面采后水庫水體不能倒灌至塌陷區。同時根據地面物探資料及鉆孔柱狀圖分析，該工作面上覆表土層厚度平均150 m，基巖厚度約85 m。根據以上各種參數，根據國家能源局下發的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》相關規定，水體下開采留設防水煤巖柱的寬度按公式計算如下：

L=l+h×cotφ+H×cotγ

=20+150×cot45°+85×cot70°

=200 m

式中：l為圍護帶寬度，m;h為表土層厚度，m；φ為表土層移動角，°；H為3號煤上覆巖層厚度，m；γ為基巖移動角，°。水庫保護煤柱留設如圖1所示。

圖1 水庫保護煤柱尺寸設計

經過計算，得到3306工作面水庫保護煤柱尺寸約需200 m。3306工作面初步設計的切眼位置處于漳澤水庫外側約310 m，距離水庫邊界尚有約110 m安全隔離間距。可保障工作面安全可采。

2.2 工作面導通上覆表土層及基巖風化帶富水區危險性評價

由于該工作面埋藏較淺，工作面開采過程中產生的導水裂隙有導通表土層富水區或者基巖風化帶富水區的風險。因此需要對3306工作面導通上覆表土層及基巖風化帶富水區危險性評價。首先對工作面開采產生的導水裂隙帶高度進行分析，因本礦無實測資料，收集附近王莊煤綜放開采導水裂縫帶現場實測資料[1]，獲取本區域導水裂縫帶最大高度計算經驗公式如下：

H=20.2M+1

式中：M為煤層有效采厚，m。

3306工作面采厚約7 m，計算3306工作面綜放開采導水裂縫帶高度約151.4 m，工作面東部開采區域基巖厚度僅為85 m，導水裂縫帶將波及基巖風化帶及第四系松散含水層。經對地面物探資料進行分析，該區域第四系含水層富水性弱至中等，基巖風化帶富水性弱至中等，含水層水體類型屬于“三下”開采規范[2]中Ⅱ類水體，即“允許采動導水裂縫帶波及松散含水層及基巖風化帶水體，但不允許垮落帶波及此水體”。因此對于在此類水體下開采，必須留設足夠的防砂保護煤柱，保證工作面開采產生的垮落帶不波及到基巖風化帶水體。查詢規范要求，留設防砂安全煤巖柱垂高(Hs)應大于或等于垮落帶的最大高度(Hm)加上保護層厚度(Hb)。

Hs≥Hm+Hb

式中：Hm為垮落帶高度，m；Hb為保護層厚度，m。

本礦井缺乏垮落帶發育高度觀測數據，參考相鄰王莊煤礦6206工作面“兩帶”高度實測結果，綜放一次采全高垮落帶高度Hm=6×M(M為有效采厚)，保護層厚度Hb=4×M，則防砂安全煤巖柱Hs=10×M。取3306工作面綜放開采有效采厚M=7 m，則防砂保護煤柱尺寸為70 m，而基巖厚度為80 m，大于防砂煤柱尺寸，滿足防水安全要求。且根據物探資料本區域附近沒有連接水庫水體的貫通性構造，因此3306工作面現在切眼位置后退綜放開采是安全可行的。

2.3 綜合防治水措施

經分析3306工作面上覆基巖較薄，上覆各含水層容易受地面降水補給影響，工作面預測開采過程中涌水量較大，必須采用多種防治水措施保障工作面安全開采。

由于切眼位置處于工作面最低處，在開采前在切眼附近設計22個探放水鉆孔，預先將開采范圍內3號煤層頂板含水層及基巖風化帶含水層的水進行疏放，降低含水層對工作面的涌水影響。

在排水系統設計方面，參考鄰近的王莊煤礦6206工作面開采時最大涌水量約80 m3/h，同時考慮到3306工作面位于6206工作面上山區域，工作面上覆基巖更薄，切割含水層數多，因此考慮1.5倍的動態系數，工作面預測最大涌水量Qmax=1.5×80=120 m3/h，設計工作面鋪設2趟6寸排水管路加強工作面排水。

為防止地面降水滲漏對工作面的影響，加強工作面上方地表裂縫巡察，遇有較大地表裂縫采用粘土或粘土漿回填加固，減少水的滲漏。

3 延長開采長度技術方案

33306工作面目前切眼位置距離水庫保護煤柱邊界尚有110 m安全距離，且物探結果顯示該區域范圍內未發現大型貫通性構造(導水斷層和陷落柱)，因此正常條件下3306工作面切眼向東延伸至水庫保護煤柱邊界開采均是安全可行的。但是考慮漳澤水庫邊有一條環湖公路，需要保障環湖公路的安全使用，回采不得引起環湖公路的下沉。利用中煤科工集團唐山研究院開發的多煤層、多工作面開采沉陷預計軟件，進行延長工作面開采長度后的地面沉陷預測。當切眼位置向東延長40 m時，此時工作面距離環湖公路最近約100 m，環湖公路預計最大下沉量小于8 mm，不影響環湖公路的使用，同時可增加可采儲量約5.3萬t，因此工作面巷道長度比原設計長度向東延長40 m形成新切眼進行回采。

圖2 3306工作面擴大開采技術方案示意

4 現場實施情況

3306工作面回采過程中，通過有效的防治水措施，工作面正常涌水量30～40 m3/h，最大涌水量90 m3/h，實現了安全回采。回采后漳澤水庫環湖路的路面僅輕微下沉，未發生擠壓破壞，不影響行車安全。工作面比原方案多回采煤炭資源約5.3萬t，按500元/t計算，增加收入2 650萬元，實現了安全效益最大化。

5 結 語

通過小南村煤業3306工作面近水體開采安全論證，提出了擴大開采長度的技術方案，保障了工作面回采安全的同時，有效提高了煤炭資源回收率，為今后類似條件的礦井安全生產提供了有效的探索途徑。