勝利煤礦14煤回采工作面防水煤柱留設探究

摘 要：勝利煤礦位于牙克石市境內，一采區一水平開采最上部14號煤層，該煤層埋深較淺一般為20.55—104.98m，平均厚度為47.64m，開采過程中存在頂板擾動溝通地表水體的風險，需要留設防水煤柱確保生產安全。本文以礦井以往水文地質資料、專項物探成果報告資料等為基礎，結合近幾年回采工作面生產過程頂板實際觀測數據等相關資料，通過分析研究確定14煤回采工作面防水煤柱留設范圍。

關鍵詞：勝利煤礦;回采工作面;防水煤柱

一采區位于礦區東側，一采區東側界線基本為勘查許可證東側邊界，北側界限基本以F11斷層為邊界，南側界線基本以F13斷層為邊界，西側邊界基本為鉆孔K4-4以東。由北至南沿北東向布置7個綜采工作面（見圖1），其中102至105工作面均順利完成回采，101工作面回采至距離設計停采線119.3m處，由于14煤層頂板上覆地層厚度變薄，煤層頂板出現冒落跡象，工作面淋水量呈現突然增大趨勢，停止回采作業。因此，需在接續106回采工作面預先規劃科學留設防水煤柱，預防上述頂板問題的出現。

一、生產概況

井田范圍發育地層為白堊系下統的大磨拐河組[1]和第四系，白堊系下統的大磨拐河組地層為井田含煤地層。首采區在14煤布置采煤工作面開采，根據14煤首采區煤層賦存條件，14煤工作面采高為2.5m（屬中厚煤層），煤質為長焰煤，煤層賦存條件穩定。14煤頂板直接充水含水層導水性及連續性較弱，補給弱疏干以消耗含水層靜儲量為主。剛開始揭露時，水量較大，102首采面施工時，掘進期間涌水量達到30m3/h，通過地面疏干、井下探放等綜合治理手段，水量逐步降低，至回采時，只有少量涌水。其他綜采工作面，涌水方式以頂板淋水為主，涌水量小于20m3/h。

二、水文地質條件

一采區地形呈南高北底、東高西低，向西南延展開闊，有利于地表水徑流。最高地面高程784m，位于一采區東南角6K-9號鉆孔南部。最低地面高程742m，位于一采區西南角K3-2號鉆孔附近，地面高差42m。礦井資料顯示，14煤層位于侵蝕基準面以下，地表無露頭，可采煤層距地表最淺處20m。一采區一水平最低排泄基準面為14號煤層底板，最低高程706.00m。

依據地質時代，地貌條件及一采區一水平在礦區所處的位置，巖石的含水性能等，將一采區一水平內含水層、隔水層劃分如下：

（一）永凍層隔水層

礦區地理位置為亞寒帶氣候地區的山谷中，根據收集以往水文地質成果資料，一采區第四系永凍層廣泛發育，第四系除上部3.5米季節性凍層外，其余為永凍層。永凍層底界面深度主要受構造、地層裂隙導水差異控制，永凍層底界面埋深不均一，厚度一般都在7.79～19.42m之間，平均厚度為11.23m，局部延伸至大磨拐河組頂部各種巖石中，最深可達34m，巖性主要為砂礫石，永凍層所凍結的巖層起到了良好的隔水作用，它隔絕了地表水與地下水之間的水力聯系，為一采區的主要隔水層。

（二）14煤頂板直接充水含水層

14煤頂板砂巖孔隙含水層為14煤頂板直接充水含水層，該含水層位于永凍層之下，14煤頂板以上，為14煤開采直接充水含水層，該除一采區南部連續分布外，其他區域厚度變化加大，多個鉆孔該含水層缺失，厚度為0.00-39.81m，平均厚度11.58m，總體分布規律為由南向北厚度逐漸減小。

該含水層上覆第四系砂礫層為永凍層，向下是煤系地層，巖性以細粒砂巖為主，據抽水試驗資料，含水層單位涌水量0.475L/s·m，滲透系數1.45m/d，水質類型為HCO3·SO4-Na·Ca型水，礦化度0.26g/L，水位埋深11.60m，靜止水位標高731.68m，含水層富水性中等[2]。

三、防水煤柱留設

（一）一采區一水平頂板“三帶”觀測及規律性研究

勝利煤礦在一采區一水平102工作面進行過頂板“三帶”觀測及規律性專項研究工作，通過在102工作面運順和軌順頂板施工觀測孔，采用孔中電阻率法觀測和總結采動過程中14煤層頂板煤巖體的破壞規律。取得主要成果為確定102工作面垮落帶高度為頂板以上14m，裂隙帶部分已發育至地表，估算裂隙帶高度（頂板距地表高度）不小于37m;按平均采高27m—3.1m計算，對應垮采比為5.18—4.52，采裂比不小于13.7—11.93。102工作面為一采區一水平首采工作面，已完成回采形成采空區，回采過程中未出現井下水文地質問題。

（二）實際開采確定防水煤柱

根據對一采區49個鉆孔的統計結果，一采區一水平14煤頂板上覆地層總體厚度為20.55-104.98m，平均厚度為4764m，厚度總體分布規律為由南向北、由東向西逐漸變薄（詳見圖2）。自下往上以泥巖為主，成巖作用不完全，膠結程度差，夾薄煤層且分布不連續，頂部第四系地層為松散的沖積和洪積的砂礫層，受低溫凍脹作用明顯。

101工作面煤層頂板出現冒落跡象位置14煤頂板上覆地層厚度為24.72m，為除106工作面上鉆孔K4-5（20.55m）外上覆地層厚度最薄處，工作面淋水突然變大原因為采動塌陷影響破壞永凍層隔水層，永凍層上部季節性第四系含水層被導通。由圖2可知，101工作面以外其他已采工作面，14煤頂板上覆地層厚度最小為7K-3（30.48m），因此，建議在此最小安全厚度的基礎上增大5m，即將14煤頂板上覆地層厚度35m等值線作為14106工作面防水煤柱的留設邊界，接續106工作面預留防水煤柱長188.52m，寬184.15m，面積34828m2。

（三）依據經驗公式確定防水煤柱

采用《煤礦床水文地質、工程地質及環境地質勘查評價標準》（MT/T1091-2008）中冒落帶、導水裂隙帶最大高度經驗公式[3]：

計算公式：Hf=100M5.1n+5.2+5.1

式中：Hf—導水裂隙帶高度（m）;m—煤層累計采厚（m）;n—煤層分層層數（按采高為2.5m）。

應用上述公式對一采區一水平開采14煤時的導水裂隙帶高度進行了計算：14煤層導水裂隙帶一般高度8.98—4539m，平均高度為23.99m，14煤層頂板距第四系砂礫層底板的距離一般為5.65—97.19m，平均距離為34.42m。總體按平均厚度看，14煤層頂板距第四系砂礫層底板的距離（3442m）大于14煤層導水裂隙帶厚度（23.99m），開采14煤層一般不會擾動第四系永凍層，但個別位置存在14煤層頂板距第四系砂礫層底板的距離小于14煤層導水裂隙帶厚度的情況，需要采取留設防水煤柱及加強疏放水等措施，確保不發生安全事故。

防水煤柱高度（H防）計算公式采用《煤礦防水細則》中煤層露頭被松散富水性強的含水層覆蓋時的計算公式[4]：

H防=H裂+H保

式中：H防—防水煤（巖）柱高度（m），大于20m;H裂—垂直煤層的導水裂隙帶最大高度（m）;H保—保護層厚度（m）。

比較14煤層頂板距第四系砂礫層底板的距離與防水煤柱高度（H防），將其差值為負值的鉆孔劃歸為應該預留防水煤柱的區域，考慮依據實際開采經驗確定的防水煤柱范圍，將差值負值區與實際開采經驗確定的防水煤柱邊界之間的區域定為危險區域（詳見圖3），接續106工作面回采危險區域長277.30m，寬184.15m，面積51202m2，該區域開采需要高度注意，采取必要的疏放水等措施防止安全事故的發生。將差值正值區為采取必要的安全措施，可以正常開采區域。

四、結論

本文通過以往水文地質資料的整理、分析研究，詳細總結敘述一采區一水平水文地質條件;根據實際開采經驗確定將14煤頂板上覆地層厚度35m等值線作為14煤回采工作面防水煤柱的留設邊界;依據導水裂隙帶經驗公式確定14煤回采工作面回采危險區域界線。礦方可根據14煤106回采工作面劃定的不同區域，有針對性采取針相應措施，確保開采不受頂板水害的威脅，實現安全開采。

參考文獻：

[1]李文國.內蒙古自治區巖石地層[M].中國地質大學出版社，1996.

[2]遲景硯，等.礦區水文地質工程地質勘探規范[M].煤炭工業出版社，1991.

[3]孫玉臣，等.煤礦床水文地質、工程地質及環境地質勘查評價標準[M].煤炭工業出版社，2010.

[4]國家煤礦安全監察局.煤礦防治水細則[M].煤炭工業出版社，2018.

作者簡介：姚忠嶺（1979— ），男，漢族，內蒙古呼倫貝爾人，碩士研究生，高級工程師，研究方向：水工環。