煤層采空區(qū)殘留資源復(fù)采利用可行性分析

牛海升

(沁水縣自然資源局，山西 沁水 048200）

沁水縣位于山西東南部，境內(nèi)煤炭資源儲(chǔ)量豐富。埋藏于東部地區(qū)的3#煤層為國家稀缺優(yōu)質(zhì)煤炭資源，是良好的動(dòng)力用煤和化工用煤，經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高，為當(dāng)?shù)孛旱V的主采煤層。部分煤礦因開采歷史較長，可采煤炭資源面臨枯竭問題，造成礦山企業(yè)無法正常運(yùn)行[1]。受技術(shù)條件限制，該類煤礦初期主要采用倉房式、刀柱式、掘進(jìn)巷道等落后的采煤工藝，回采率極低，大量資源被遺留在采空區(qū)內(nèi)。為提高資源回收利用率，延長礦井生產(chǎn)壽命，現(xiàn)對采空區(qū)內(nèi)殘留煤炭資源的復(fù)采利用進(jìn)行可行性分析。

1 煤層采空區(qū)殘留資源復(fù)采利用可行性分析

1.1 從開采技術(shù)方面分析

復(fù)采工藝雖為特殊開采工藝，但該地區(qū)的永安煤礦、陽城西溝、尹家溝等部分煤礦均有成功復(fù)采開采的經(jīng)驗(yàn)，開采工藝及安全技術(shù)措施已較為成熟。目前，頂板治理技術(shù)應(yīng)用已很成熟，如沿空留巷、充填技術(shù)等均可滿足圍巖加固，安全有保障。在無采動(dòng)影響作用下，煤層采空區(qū)的圍巖處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)[2]。但由于對其內(nèi)部殘留資源復(fù)采的擾動(dòng)，煤層采空區(qū)的圍巖中，拱形壓力的平衡被打破，會(huì)造成失穩(wěn)、塌陷的問題，進(jìn)一步造成對回采工作面支架的嚴(yán)重沖擊。因此，在實(shí)際實(shí)施復(fù)采操作時(shí)，應(yīng)當(dāng)判斷其采空區(qū)的實(shí)際范圍。若范圍不大，則可向其中添加足夠高度以及足夠厚度的無機(jī)材料，從而在達(dá)到正常煤層開采條件下，進(jìn)行復(fù)采，以此可以有效保證復(fù)采過程中工作面能夠安全通過煤層的采空區(qū)[3]。同時(shí)，通過對該地區(qū)煤層采空區(qū)進(jìn)行模擬得出，該區(qū)域由于煤層孔洞影響范圍有限，因此只需要填充足夠高度以及足夠強(qiáng)度的無機(jī)材料，形成再生頂板結(jié)構(gòu)，并保證其作為關(guān)鍵承載層，可以有效減緩由于復(fù)采造成煤層采空區(qū)頂板脫落的問題，并進(jìn)一步避免對采空區(qū)支架的沖擊，關(guān)鍵承載層的位置在冒落矸石層與截割層之間。

1.2 從空區(qū)積水方面分析

研究煤層采空區(qū)主要位于黃河流域當(dāng)中的沁河水系，該水系為晉東南地區(qū)最大的河流流域。該區(qū)域干流全長為485 km，流域面積為13 532 km2。同時(shí)，該煤層采空區(qū)內(nèi)含有充足的水資源，其主要來源為環(huán)境中的大氣降水、老空積水以及煤層當(dāng)中部分含水層供水。井田區(qū)域地形起伏大，地面坡度變化大，溝谷切割強(qiáng)烈，無大的地表水體，地下水的移動(dòng)主要受到大氣降水的影響。該區(qū)域煤層采空區(qū)由于受到殘留資源埋藏條件、富水層等各個(gè)方面因素的影響，使得該煤層3 號采空區(qū)的直接水源逐漸變?yōu)椴煽眨ɡ峡眨┓e水，間接充水水源為大氣降水。利用下述公式，對該地區(qū)煤層采空區(qū)的積水量進(jìn)行估算：

式中：W 表示煤層采空區(qū)積水總量，m3；K 表示采空區(qū)中積水的充水系數(shù)；M 表示采空區(qū)中煤層的具體開采高度，m；S 表示采空區(qū)積水總占地面積，m3；α 表示煤層與地面之間產(chǎn)生的平均傾角大小。

通過上述公式計(jì)算得出，該區(qū)域煤層采空區(qū)并未出現(xiàn)明顯的連續(xù)大面積積水現(xiàn)象。以進(jìn)行采空區(qū)積水調(diào)查的南凹寺煤礦為例，通過探放得出，在該礦采空區(qū)兩處積水區(qū)分別布置鉆孔42 個(gè)，兩處積水區(qū)均未發(fā)現(xiàn)大面積積水，因此說明具有良好的復(fù)采條件。

該區(qū)域煤層采空區(qū)含水層環(huán)境是一種不均勻的巖溶裂隙含水層結(jié)構(gòu)，在這樣的環(huán)境條件下，水資源通常隱伏于煤層的地層當(dāng)中，并且其含水層主要存儲(chǔ)在井田當(dāng)中[4]。大部分含水空間均以巖溶裂隙作為主體，這種類型的含水空間發(fā)育特點(diǎn)與其具體深度之間有著十分密切的聯(lián)系，會(huì)隨著其深度的不斷增加而逐漸變強(qiáng)，并表現(xiàn)出上層弱、下層強(qiáng)的特點(diǎn)。通過研究該煤層采空區(qū)以往的勘查資料得出，該煤層采空區(qū)的鉆孔單位涌水量高達(dá)1.50 L 以上，滲透系數(shù)平均在0.250 0～0.275 0 m/d 范圍以內(nèi)，表現(xiàn)出明顯的強(qiáng)浮水性，并且水位的具體標(biāo)高均在450.00 m 以上。利用如下公式對該采空區(qū)的突水系數(shù)進(jìn)行計(jì)算：

式中：T 表示采空區(qū)突水系數(shù)，MPa/m；L 表示采空區(qū)底板隔水層結(jié)構(gòu)實(shí)際厚度，m；p 表示采空區(qū)底板隔水層結(jié)構(gòu)承受水頭壓力大小，MPa。

通常情況下，底板結(jié)構(gòu)在受到破壞后，其突水系數(shù)不應(yīng)當(dāng)超過0.06 MPa/m，而在未受到破壞時(shí)，其突水系數(shù)不應(yīng)當(dāng)超過0.15 MPa/m。根據(jù)公式（2）對該區(qū)域煤層采空區(qū)進(jìn)行計(jì)算得出，在3 號煤層采空區(qū)結(jié)構(gòu)未受到破壞時(shí)，對其殘留資源進(jìn)行復(fù)采不會(huì)發(fā)生突水危險(xiǎn)問題，屬于非突水危險(xiǎn)區(qū)，具備一定的復(fù)采可行性。

1.3 從技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面分析

以進(jìn)行過采空區(qū)儲(chǔ)量核查的南凹寺煤業(yè)為例，通過對該礦煤層采空區(qū)的資源與儲(chǔ)量進(jìn)行勘查得出，當(dāng)前煤層采空區(qū)當(dāng)中保有（殘存）資源/儲(chǔ)量為520.3 萬t。其中，現(xiàn)已探明的煤層采空區(qū)資源的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)儲(chǔ)備量為285.4 萬t，這一部分占其總體資源與儲(chǔ)量的50%以上。該區(qū)域煤層采空區(qū)的資源與存儲(chǔ)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 煤層采空區(qū)資源/儲(chǔ)量估算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

通過表1 分析得出，該區(qū)域3 號煤層采空區(qū)的補(bǔ)勘區(qū)已經(jīng)達(dá)到了勘探的程度。因此，根據(jù)復(fù)采標(biāo)準(zhǔn)的提出，3 號煤層采空區(qū)具備經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)儲(chǔ)量條件。

除此之外，殘留資源復(fù)采利用可行性還可從安全技術(shù)實(shí)施方面分析。對煤層采空區(qū)的殘留資源進(jìn)行復(fù)采過程中，施工企業(yè)應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照腰線及允許掘進(jìn)長度條件進(jìn)行施工，并且在施工過程中應(yīng)當(dāng)經(jīng)常獲取該區(qū)域以往歷史勘查資料，必須提前探測空區(qū)、空巷、冒落區(qū)的位置及形狀，以此可以有效防止在復(fù)采的過程中出現(xiàn)誤揭露采空區(qū)的問題。施工企業(yè)在復(fù)采過程中若發(fā)現(xiàn)異常情況，則應(yīng)當(dāng)立即停止掘進(jìn)，并通知相關(guān)地測部分人員。若復(fù)采過程中，采空區(qū)的圍巖特別破碎、巖柱壓出或崩落等異狀產(chǎn)生時(shí)，則應(yīng)當(dāng)立即停止鉆進(jìn)工作，并向有關(guān)部門及時(shí)匯報(bào)，并采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施對其進(jìn)行處理[5]。綜上所述，該區(qū)域煤層采空區(qū)工程地質(zhì)及其他開采技術(shù)條件為中等型，具備較高的復(fù)采利用可行性，可對煤層采空區(qū)進(jìn)行安全復(fù)采。

2 結(jié)束語

通過對煤層采空區(qū)殘留資源復(fù)采利用可行性分析得出，該區(qū)域3 號煤層采空區(qū)具有一定的殘留資源復(fù)采利用可行性，殘采區(qū)內(nèi)煤層頂板局部存有破裂、變形現(xiàn)象，局部裂隙發(fā)育。建議今后開采時(shí)加強(qiáng)支護(hù)力度，合理管理煤層采空區(qū)頂板。同時(shí)，該煤層采空區(qū)當(dāng)中出現(xiàn)了不同程度的積水問題，因此，在實(shí)際復(fù)采過程中應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵循“預(yù)測預(yù)報(bào)、探掘分離、有掘必探、先探后掘、先治后采”的原則，防止透水事故發(fā)生，從而可以有效保證復(fù)采工作實(shí)施的安全。