煤柱優化在解放煤炭資源中的研究應用

2021-04-09 07:37:58劉海哲

煤炭與化工 2021年2期

劉海哲

（冀中能源峰峰集團有限公司新屯礦，河北邯鄲 056200）

1 礦井概況

煤柱不是一成不變的，在保證安全，計算合理的前提下，根據客觀條件，可以通過優化各類煤柱的留設，解放礦井煤炭資源，延長礦井服務年限。目前，新屯礦南部邊界與羊東井田相鄰，兩井田之間無任何采掘活動，井田最小間距190 m；東部邊界與磁西井田相鄰，磁西井田尚無獲得采礦權單位。為充分回收煤炭資源，需對東、南部井田邊界煤柱進行優化。以上有利條件為新屯礦優化礦井東部和南部邊界煤柱奠定基礎。

井田地理坐標為北緯36°31′21″～36°33′16″，東經 114°15′23″～114°18′58″，井田西及西南部以F3 斷層、薛村礦東風井煤柱線和薛村礦邊界為界；南部以F11 斷層帶和F7 斷層與羊東礦相鄰；在西南部邊界F3、F11 兩大斷層相交處，與牛兒莊礦相鄰；北部以F14 斷層與大淑村礦接壤，東部邊界為技術邊界。井田東西長約4.50 km，南北寬1.60～2.60 km，面積8.409 9 km2。

2 水文地質條件概況

2.1 區域水文地質概況

新屯井田位于邯邢水文地質單元南單元（峰峰水文地質單元）鼓山東麓奧灰強徑流帶東區。峰峰水文地質單元西起長亭涉縣斷層，東至礦區東界奧陶系灰巖埋深-500 m 標高，北起北洺河地下分水嶺，南至漳河南地下分水嶺。

2.2 井田邊界及其水力性質

東部邊界為峰集[2005]53 號文批復的技術邊界；南部以F11 斷層和F7 斷層與羊東井田相鄰；井田西及西南部以F3 斷層、大社井田東風井煤柱線與大社井田為界；在西南部邊界F3、F11 兩大斷層相交處，與牛兒莊井田相鄰；北部以2 號煤-300 m 等高線和F14 斷層與大淑村井田接壤。東部技術邊界直觀上為透水邊界，邊界以里為BF2斷層與BF1、F30 斷層形成的地塹構造，隔斷了外圍地下水繼續向井田運移的通道。因此東部技術邊界也可視為隔水邊界。

井田南部F11 斷層落差100～260 m，傾向SE；F7 斷層落差超過250 m，傾向SE，斷層的存在使本井田灰巖巖溶裂隙含水層與斷層上盤煤系地層對接，隔斷與外界補給通路，可視為隔水邊界。井田西及西南部F3 斷層傾向NW，落差70～98 m，可視為弱透水邊界；大社東風井煤柱線可視為透水邊界。西南部F3、F11 兩大斷層相交處與牛兒莊井田相鄰的邊界可視為隔水邊界。北部2 號煤-300 m 等高線技術邊界，可視為透水邊界；與大淑村井田接壤的F14 斷層落差70～710 m，傾向SE，可視為隔水邊界。

2.3 井田邊界與水文地質單元劃分

影響新屯井田地下水賦存、運移的主要因素是斷裂構造，尤其是大中型斷層的存在，削弱了各含水層橫向的水力聯系。因此，根據井田內斷層規模、分布特征、延伸長度等，結合勘探及采掘揭露資料，將新屯井田劃分為4 個水文地質單元，如圖1 所示。

圖1 水文地質單元劃分示意Fig.1 Hydrogeological unit division

2.3.1 第一單元

第一單元構造特征如圖2 所示。北部以F14 斷層為界，位于F11～F13 斷層的塊斷，該斷層走向60°，傾向150°，向西南方向尖滅，落差東北方向逐漸變大；西部以NNE 向的F13 斷層為界，斷層走向在35°～55°變化，落差變化大；東南部以F11 斷層為界，斷層走向60°～70°，落差100～260 m。

受大中型斷層切割影響，該單元內不同塊段大青灰巖含水層橫向水力聯系差，基本屬于封閉環境，水位變化大。如位于該分區三水平西翼的W4大青孔水位是-45.0 m，而位于-190 水平車場附近的W10 孔水位則為-123.2 m，位于-190 水平北翼的W13 孔水位為-61.3 m，位于+41 水平車場施工的W11 孔，水位標高+76 m。

由于斷層的存在阻斷了各含水層橫向之間的水力聯系，該單元基本上屬于一個相對封閉的水文地質單元，與其它含水層之間的水力聯系較弱。該單元主要充水含水層富水性差，得到補給緩慢，說明該單元與外界的水力聯系微弱。

據奧灰放水試驗結果，該單元與第二單元之間斷層破碎帶導水性相對較好，奧灰水主要在F11 斷層西南部接受外部的補給。

2.3.2 第二單元

第二單元構造特征如圖3 所示。該單元平面形態為三角形，西部為F3 斷層，東南部和北部分別以F14 斷層和F13 斷層為界。

該單元主要充水含水層富水性弱，補給條件差，徑流緩慢，F81、F79 和F13 斷層具有較強的阻水能力，基本切斷了該單元與外界的水力聯系，屬于一個相對封閉的水文地質單元。

依據奧灰放水試驗結果，單元西南部為奧灰弱透水邊界，另外由于F13 斷層的存在造成了奧陶系灰巖與9 號煤層的對接，在開采深部煤層尤其是開采下組煤時，需要加強對奧灰水的重點防范。

圖2 第一單元構造特征Fig.2 Structural features of the first unit

圖3 第二單元構造特征Fig.3 Structural features of the second unit

2.3.3 第三單元

第三單元構造特征如圖4 所示。該區東北部為井田邊界，西部以F3 斷斷層為界，東南部以F14斷層為界。

在開采過程中均未出現明顯的出水，表明該單元主要充水含水層富水性弱，各含水層之間水力聯系差，單元相對獨立。

圖4 第三單元構造特征Fig.4 Structural features of Unit 3

2.3.4 第四單元

第四單元構造特征如圖5 所示。該區位于井田東部，南以F7 正斷層為邊界，北以F14 斷層為界，東部為技術邊界，西以F11 斷層為界。

該單元位于井田東部，地層向NE 方向傾斜，煤層埋深較大，大煤底板標高在-350 m 以下。2019 年地面區域治理注漿過程中，在注漿量為2.1～46.8 m3/h 情況下，奧灰水位觀測孔水位最大漲幅達到11.02 m，表明該單元為一封閉的水文單元，接受外界補給能力差。

圖5 第四單元構造特征Fig.5 Structural features of Unit 4

2.4 含水層

根據井田水文地質勘探以及礦井多年采掘揭露資料，井田內含水層劃分為10 個含水層。在這10 個含水層中，奧陶系灰巖巖溶裂隙含水層富水性強且不均一，是開采深部煤層和下組煤的主要威脅。其余薄層灰巖含水層富水性較弱，對開采不構成威脅。

根據井田地質水文地質勘探資料，在10 個含水層之間均分布有一定厚度的隔水層，巖性多以砂巖、砂質頁巖為主，厚度不一，軟硬組合的隔水層厚度穩定，隔水性能良好。詳見表1。

表1 含水層主要特征Table 1 List of main features of aquifers

3 井田邊界防隔水煤（巖）柱尺寸的確定

井田邊界防隔水煤柱的尺寸與相鄰礦井的地質、水文地質條件、開采方法、地質測量誤差等因素有關。直接與圍巖的性質、地質構造破壞的產狀與性質，煤層的采深、采厚、傾角，開采的層次及覆巖相應的采動破壞參數（導水裂隙帶高度、塌陷角），靜水壓力等有關。同時，《煤礦安全規程》、《煤礦防治水細則》等相關規定中也對各類煤（巖）柱留設作出了明確的要求。

新屯礦水文地質類型為中等，由于井田南部與羊東井田間距較遠（最小間距190 m），東部磁西井田尚無采礦權單位。因此，新屯礦可利用這一優勢，在保證安全的前提下，將東、南部井田邊界煤柱留設至技術邊界外側。根據《煤礦防治水細則》附錄六第八條規定，相鄰礦（井）人為邊界防隔水煤（巖）柱的留設，水文地質類型簡單、中等的礦井，總寬度不得小于40 m。以此為依據，確定新屯礦井田東、南部邊界煤柱。

4 井田邊界防隔水煤（巖）柱尺優化方案

4.1 2 號煤層邊界煤柱調整說明

新屯礦水文地質類型為中等型。根據《煤礦防治水細則》附錄六第八條規定，新屯礦東、南部井田2 號煤層邊界煤柱在礦界外側統一留設40 m。該段煤（巖）柱內緣點為井田技術邊界19～6號拐點，該段煤（巖）柱的外緣點坐標見表2。

表2 2 號煤層邊界煤柱拐點坐標Table 2 Inflection point coordinates of boundary pillar in No.2 coal seam

4.2 4 號煤層邊界煤柱調整說明

以新屯礦井田范圍內最深部做剖面1，按上山煤（巖）層移動角70°，由2 號煤向4 號推算得4號煤層邊界煤柱寬度54.8 m（平距），如圖6 所示。以新屯礦井田淺部做剖面2，按上山煤（巖）層移動角70°，由2 號煤向4 號推算得4 號煤層邊界煤柱寬度53.9 m（平距），如圖7 所示。根據以上計算結果，新屯礦井田4 號煤層邊界煤柱寬度隨煤層埋藏深度增加而遞增，最大寬度54.8 m。新屯礦東、南部井田4 號煤層邊界煤柱寬度取最大值54.8 m。根據以上說明，新屯礦東、南部井田4 號煤層邊界煤柱在礦界外側統一留設54.8 m。該段煤（巖）柱內緣點為井田技術邊界19 至6 號拐點，該段煤（巖）柱的外緣點坐標見表3。