孟加拉國Barapukuria礦厚煤層分層協調減災開采模式

余學義，穆 馳，王 皓，竇林名，文 虎

(1.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710054；3.中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州 221116)

孟加拉國Barapukuria煤礦(以下簡稱“孟巴礦”)是我國在孟加拉國承建的第1個煤礦，也是目前唯一的井工開采煤礦，礦井生產能力1.0 Mt/a，為立井單水平下山開拓。礦井地質采礦條件復雜特殊，礦井屬于水害、沖擊礦壓、采空區遺煤自然發火等多種災害并存的井工開采類型。在近地表賦存新近系Upper DupiTila組(簡稱UDT)承壓含水砂層，被譽為孟加拉國的地下水庫，孟巴礦煤層開采一旦破壞主要隔水層古近系Lower DupiTila組(簡稱LDT)，導通UDT含水層，其形成的水害對于礦井是致命的，因此保護LDT隔水層的完整性，提高UDT強含水層下的安全開采可靠性，降低沖擊礦壓威脅程度和減少采空區遺煤自然發火次數已經成為孟巴礦安全生產亟待解決的工程技術問題。

孟巴礦水文地質條件復雜、多種災害交織、開采難度極大，嚴重制約了孟巴礦安全開采，因此尋求一種能夠有效減輕災害強度的開采模式，對于孟巴礦安全經濟開采具有重要意義。筆者在分析孟巴礦特殊的地質開采條件的基礎上，研究厚煤層分層協調減災開采模式，即通過分層開采布局、開采順序，應用限高開采、分層錯距布置、覆巖整體沉降和避免鄰面互擾減災原理，從源頭上降低或減輕災害強度。同時針對性地制定災害防治措施，實現礦井安全開采，形成孟巴礦強含水層下厚煤層多分層協調減災開采模式。

1 礦井開采條件特殊性分析

1.1 水文地質特殊性

孟巴井田構造位置位于印度板塊的東北部，為岡瓦納古陸的一部分，地層特征與歐亞大陸明顯不同。石炭二疊紀煤系地層下部無奧灰，直接沉積在古老的巖漿巖和變質巖基底上，煤系地層上部直接覆蓋巨厚的新近系、第四系地層。礦井主要水害來自頂板新近系含水層。孟巴井田主要含水層為新近紀松散含水層(UDT)和煤系含水層(圖1)。

圖1 井田地質剖面示意

其中UDT松散含水層滲透系數可達40 m/d且補給充沛，可通過LDT“天窗區”直接補給煤系含水層，是威脅礦井水害安全的最主要含水層；UDT含水層下部的LDT隔水層對松散含水層具有一定的阻隔作用，但其在礦井北部存在大范圍“天窗”，該隔水層的穩定性對礦井安全開采具有重要的作用。

孟巴礦地質條件特殊性表現為近地表覆蓋90.70～110.00 m的松散砂巖強含水層(UDT)，分布邊界廣，補給充沛，具有不可疏排性，開采煤層屬于石炭二疊紀岡瓦納含煤地段，含煤地層為富—弱含水砂巖層組類型，基本沒有泥質巖層，開采煤層埋深280～450 m，煤層厚度29.00～41.52 m，煤層傾角8°～12°，開采煤層頂板為平均厚度105.8 m的堅硬砂巖、砂礫巖組成。LDT隔水層厚度0～65 m，呈現南厚北薄分布特征，在井田北部部分缺失形成透水“天窗”。岡瓦納砂巖地層受UDT補給，嚴重影響礦井安全開采。

1.2 覆巖結構特殊性

孟巴礦覆巖結構特殊性主要表現為3個方面：① 礦井覆巖整體呈現為上軟下硬的結構特征，軟是指厚度較大的新近紀松散層，是礦井的主要含水層，其力學表現為對覆巖的加載作用，也使覆巖受到較大的靜載荷，受到高應力作用下，煤層開采時會增加覆巖破壞范圍，有利于水體的流動，增大了礦井受水害的威脅程度。② 礦井巖體的完整性較好，是覆巖內工程地質條件穩定性較好的巖組，主采煤層Ⅵ煤砂巖頂板厚度大，盡管其抗壓強度不是很大，但是分層厚度大，整體性強，在覆巖變形破壞中表現出較高的強度特征，煤層初次開采頂板破壞為大塊形狀垮落，是典型的岡瓦納地層硬巖破壞特征。③ 煤層堅硬頂板容易聚積大量的勢能，會以應力波的形式對煤巖體施加動力載荷，從而導致處于應力極限狀態的煤巖體產生強烈震動，Ⅵ煤厚硬頂板中結構關鍵層結構斷裂失穩的強沖擊性和分層開采特厚遺煤多次氧化的強自燃性，形成多災源疊加致災的復雜礦井開采條件。

綜上分析，孟巴礦地質條件特殊、多種災害并存，針對礦井災害類型的特點，在分析礦井特殊地質采礦條件基礎上，需要對礦井致災條件和災害形成機理進行分析，探究控災條件和災害防治技術，分析厚煤層分層協調減災開采科學含義和原理，研究厚煤層分層開采覆巖導水裂縫帶發育規律，結合主采煤層上覆巖層特點，分析覆巖結構斷裂失穩演化過程，確定孟巴礦協調減災開采模式，避免礦井災害發生，保證孟巴礦含水體下厚煤層分層安全開采。

2 礦井致災和控災條件分析

2.1 致災條件及災害形成機理

(1)UDT不可疏排性。UDT巖性以中砂為主，夾細砂、含礫中粗砂及薄層黏性土，黏土含量由淺而深漸增。統計鉆孔UDT巖性松散砂層占94%；黏土僅占4%，是地下水良好的存儲和滲流場所。UDT厚度大、范圍廣、補給充分，礦井開采對其進行疏排幾乎不可能，開采引起UDT水體疏漏，對于礦井是毀滅性的災害。

(2)厚硬頂板整體斷裂強沖擊性。孟巴礦屬于具有強沖擊地壓傾向的礦井，Ⅵ煤頂板主要由砂巖、長石和石英組成，具有單層厚度大、巖體強度高、大塊體垮落的特點，天然狀態下抗壓強度6.79～55.32 MPa，平均抗壓強度29.1 MPa，其中距Ⅵ煤頂板65 m位置賦存有結構關鍵層，其抗壓強度高達55.32 MPa，而Ⅴ煤以上岡瓦納含煤地層盡管也是砂巖，但巖性較軟，平均抗壓強度一般在5.40～16.64 MPa(圖2)，即，除了Ⅵ煤頂板砂巖較硬外，從Ⅴ煤頂板直至UDT底板均為軟弱巖層，再往上是UDT松散層。在這種條件下，如果開采使得Ⅵ煤頂板結構關鍵層斷裂失穩，在上覆松散層加載作用下，將產生巨大的動能，導致沖擊地壓災害發生。

圖2 地層巖性劃分示意

(3)厚煤層分層開采遺煤多次氧化的強自燃性。Ⅵ煤層屬于特厚煤層，煤層自然發火期僅為18 d，受上覆的UDT強富水松散砂層制約，采用分層綜采(綜放)方法開采，多分層開采特厚遺煤要經歷多次氧化，受中小斷層和張裂帶影響，采空區遺煤極易發生自燃火災。

2.2 控災條件分析

(1)頂板水害控災條件。由于UDT富水性極強，具有不可疏排性，UDT強富含水層下安全開采的要點是減輕開采對LDT隔水層的損傷程度，保護LDT隔水層的完整性和隔水性能，開采過程中UDT水只能滲漏，不允許疏漏。UDT水體下開采的關鍵技術：一是開采覆巖導水裂縫帶不波及LDT，二是避免厚煤層分層開采邊界的疊加效應導致LDT拉伸破壞。通過分層厚度的限制和分層整體錯距協調布置開采，既可以控制覆巖導水裂縫帶發育高度，又可以轉移分層邊界應力，避免應力疊加形成的沖擊地壓災害發生，也能夠避免覆巖拉應力區疊加對LDT隔水層的損傷破壞，達到保護LDT隔水層的目的，實現Ⅵ煤開采頂板水水害“上保下疏”，沖擊地壓動靜轉移的防治方法。

(2)結構關鍵層的控災條件。如圖2所示，在Ⅵ煤頂板以上65 m位置賦存結構關鍵層，該關鍵層結構穩定性直接影響覆巖破壞發育高度。由此，可根據結構關鍵層的結構穩定性確定一分層開采厚度，在保證結構關鍵層結構穩定的條件下，既能將煤層厚硬砂巖頂板分次破壞，達到頂板斷裂能量分次釋放，又可實現基巖水遞進疏放，滿足礦井排水能力小的條件。

(3)采空區遺煤自然發火控災條件。礦井下工作面熱害嚴重，煤層涌水量很大，且二分層工作面采空區內有大量一分層遺煤，在這種高溫高濕的復雜環境下采空區遺煤自燃規律不明。根據煤自燃程序升溫實驗，測試高溫高濕環境對煤自燃耗氧速率、氣體產生率及放熱強度的影響，確定高溫高濕環境對孟巴礦采空區遺煤自燃影響；結合實驗結果，實時分析煤自燃預警等級，對下巷注氮惰化，上巷灌注粉煤灰復合膠體覆蓋煤體進行分段封堵，降低向上層與本層鄰近采空區漏風，防止采空區遺煤自燃。

2.3 孟巴礦井災害防治的關鍵技術

(1)厚煤層分層開采水害防治關鍵技術。礦井Ⅵ煤開采主要的直接充水水源為Ⅵ煤及上覆岡瓦納煤系地層含水層，間接充水水源為UDT含水層，主要充水通道為煤層回采形成的導水裂縫帶，間接充水通道為井田北部LDT“天窗區”。根據孟巴礦水文地質特殊條件，結合礦井生產過程中水害防治實踐，形成以“上保下疏”為核心的防治技術體系，關鍵技術包括：基于分層開采覆巖導水裂縫帶發育高度與規律研究，通過控制分層開采高度，實現基巖裂隙水分段疏放，通過分層厚度控制和分層整體錯距布置開采，保護LDT隔水層性能的有效性，滿足“上保下疏”的要求，實現巨厚強富含水沙層下厚煤層的安全開采。

(2)礦井沖擊地壓災害防治關鍵技術。針對孟巴礦動靜載疊加復合型沖擊地壓，從降低動、靜載荷強度上進行沖擊地壓防治。在區域先行方面，需在分層開采體系下，進一步優化下分層采掘工作面布設，建立分層開采錯距布置的區域防沖體系，確保下分層采掘區域充分利用上分層解放層形成的卸壓區，避免形成高靜載區域；采用區段小煤柱留設方案后，煤柱為屈服煤柱，其內部無法形成彈性核，也一定程度上消除了高靜載應力集中現象。在局部跟進方面，由于開切眼外錯、張裂帶和厚層堅硬頂板的影響，局部區域沖擊地壓風險升高，因此制定專項防沖措施，建立沖擊地壓風險的監測預警技術，進一步確保局部區域的采掘安全。從而最終形成分層協調減災開采下的孟巴礦防沖減災體系。

(3)高溫高濕煤層氧化自燃防治關鍵技術。結合孟巴礦高濕環境煤自然發火機理及特征，通過程序升溫實驗，對高溫高濕條件下的孟巴煤樣分別進行加熱升溫，在不同溫度情況下，測試煤樣的耗氧特性、CO、CO等氣體產生量等自燃特性，以此確定高溫高濕環境對孟巴礦采空區遺煤自燃影響；同時，對重點防滅火地點采用人工監測及采樣色譜分析進行預測預報，采用地面移動式注膠防滅火系統，注氮防滅火系統以及煤層火災束管監測系統對分層開采期間煤層氧化自燃進行防治，并定期對防滅火系統進行檢查，降低采空區發火危險程度。

3 協調減災開采理論

3.1 協調減災開采科學含義

特厚煤層分層錯距協調減災開采是基于協調理論的礦井開采部署、開采順序和開采參數在空間和時間方面的科學有效銜接和管理，應用分層錯距布置、限高開采、覆巖整體下沉和降低鄰面采掘互擾減災原理，避免覆巖應力的疊加，降低災害強度，實現安全開采。

3.2 協調減災開采原理

應用限高開采、分層錯距布置、覆巖整體沉降和降低鄰面采掘互擾原理實現協調減災開采的目的。

(1)分層錯距布置。根據分層開采覆巖變形破壞的可疊加性，將上下分層邊界錯距布置，避免邊界拉伸變形區疊加破壞，保護隔水層的完整隔水性能。

(2)限高開采。根據開采高度和覆巖破壞高度發育規律，結合防災的要求，制定分層開采高度，達到減災的目的。

(3)覆巖整體沉降。分層間整體錯距布置，有效釋放采空區煤柱區應力，實現覆巖整體均勻沉降，密實垮落帶和斷裂帶空隙，降低采空區遺煤氧化發火程度，避免大范圍煤柱失穩的沖擊災害發生。

(4)降低鄰面采掘互擾。相鄰開采工作面開采容易引起覆巖移動破壞應力疊加破壞，通過相鄰采掘工作面錯時開采，有效避免采掘相互擾動。

4 孟巴礦厚煤層分層協調減災開采模式

針對礦井“三厚二硬一強”地質特征，和礦井頂板水害、沖擊地壓、自燃火災多災源致災機理及規律，基于分層協調減災開采理論，構建協調減災開采模式，制定頂板水害上保下疏，沖擊地壓動靜轉移和自燃火災時空適配的多災源防控技術。

4.1 協調減災開采模式

(1)分層錯距布置，避免覆巖應力集中，實現覆巖整體下沉。根據開采邊界引起覆巖拉伸區的范圍，由式(1)確定分層錯距為50～80 m，布置模式如圖3所示。

1101，1102，……為工作面編號；①，②，…，⑨為開采順序

=04+04

(1)

式中，為合理錯距，m；，為相鄰分層開采在LDT的主要影響半徑，m。

(2)一分層限高開采，控制覆巖破壞高度，實現基巖水遞進疏放，頂板斷裂能量分次釋放。關鍵技術是一分層開采必須保證結構關鍵層的穩定性，以避免厚硬頂板一次斷裂導致沖擊地壓災害發生。根據文獻[15]，結構關鍵層穩定的充分必要條件由式(2)計算。根據式(2)計算，在一分層工作面開采高度小于3.5 m，工作面寬度小于150 m的條件下，就能滿足一分層開采后結構關鍵層的穩定，實現Ⅵ煤頂板砂巖分段破壞。

(2)

式中，為關鍵層結構穩定的跨度，m；為上覆巖層施加的載荷，N/m；為結構關鍵層巖層的傾角，(°)；為結構關鍵層抗彎剛度，N/m。

(3)二分層開采覆巖導水裂縫帶不波及LDT隔水層。通過實驗室相似材料模擬、數值計算模擬研究，結合各分層開采對覆巖導水裂隙帶的9個鉆孔觀測成果，給出了分層開采覆巖導水裂隙帶高度發育規律(圖4)，構建了孟巴礦覆巖導水裂隙帶發育高度計算模式：

圖4 導水裂隙帶發育規律

(3)

式中，為導水裂隙帶發育高度，m；為分層開采高度，m；為分層數目，=1,2,3；為南北翼巖性差異松弛量，取10(在南翼計算中取正值，北翼計算中取負值)。

(4)三分層限高開采，限制導水裂隙帶進入隔水層。二分層開采后頂板結構破壞，開采煤層覆巖綜合巖性由中硬轉變為軟弱巖性特征，三分層開采時在覆巖巨厚松散層加載作用下，整體快速下沉，覆巖導水裂縫帶發育高度大幅降低，如圖5，6所示。

圖5 孟巴礦分層開采錯距布置

圖6 孟巴礦分層協調減災開采布置方式

(5)避免相鄰工作面采掘互擾。采用兩翼采掘接替布置方式，采掘工作面通過采區一翼順序跳采、兩翼交替跳采接替順序，實現時空適配，降低鄰面采掘互擾，減少形成高靜載和高動載區域。

4.2 協調開采效果分析

針對孟巴礦特厚煤層多分層開采頂板水害、沖擊地壓和自燃火災的災害特征，除了采用常規的災害防治措施外，采用分層協調減災開采技術，從源頭控制開采損害程度，有效地降低了災害的危險程度，實現了在多災害條件下，3個分層的安全開采。

(1)應用分層邊界錯距協調減災開采模式，一分層均采用3.0～3.2 m限厚開采，二分層采用綜放開采，采放厚度4.0～7.0 m，三分層只采不放，開采厚度2.8～3.2 m。避免了分層邊界拉應力區疊加效應，控制了覆巖導水裂縫帶發育高度，有效保護了LDT隔水層的完整隔水性能；通過控制分層開采厚度，使得一分層開采主要疏放Ⅵ煤頂板至Ⅴ底板基巖段裂隙水，二分層開采主要疏放Ⅴ煤頂板至Ⅲ煤底板基巖裂隙水，三分層開采主要疏放LDT底板基巖風氧化帶水，基巖裂隙水隨分層開采分段疏放，礦井涌水量平穩緩慢增長(圖7)，實現了頂板水害上保下疏的水害防治目標。

圖7 礦井涌水量隨工作面開采變化情況

(2)基于構建的結構關鍵層穩定性計算模型，確定了一分層開采厚度，實現了煤層厚硬頂板分次破壞，避免了厚硬頂板一次破斷的強礦壓沖擊災害發生；分層整體錯距布置開采，避免了分層邊界應力集中，釋放了上分層采空區煤柱應力，實現了分層開采沖擊地壓動靜轉移。

(3)分層錯距協調開采，下分層開采破壞了上分層采空區煤柱，二分層開采后結構關鍵層失穩，在上覆巨厚松散巖層加載作用下，實現了覆巖整體快速沉降，密實了斷裂帶空隙，同時針對分層開采采空區遺煤自然發火特征，實施了立體封堵，時空適配防火方案，開采工作面回風隅角CO，O體積比呈明顯減小趨勢(圖8)，有效降低了采空區自然發火危險性。

圖8 工作面回風隅角CO，O2體積比變化趨勢

5 結 論

(1)通過礦井地質、水文地質和采礦條件分析，得到了礦井地質采礦條件具有開采煤層厚硬、開采煤層頂板砂巖層厚硬和上覆松散含強水層UDT厚的“三厚二硬一強”特征，覆巖為上軟下硬的結構類型，基巖中缺少有效的隔水層，特殊的地質條件是誘導礦井災害的關鍵因素。

(2)針對礦井頂板水害、沖擊地壓、自燃火災多災源致災機理及規律，提出了厚煤層分層開采水害防治、礦井沖擊地壓災害防治、高溫高濕煤層氧化自燃防治的關鍵技術，形成了頂板水害上保下疏，沖擊地壓動靜轉移和自燃火災時空適配的多災源防控技術，應用限高開采、分層錯距布置、覆巖整體沉降和降低鄰面采掘互擾可以達到協調減災開采的目的。

(3)限制分層開采厚度可以達到煤層厚硬頂板分段破壞、頂板破斷能量分次釋放和基巖水分次疏放的減災目的，根據協調減災開采原理，避免分層開采邊界拉伸應力疊加破壞LDT隔水層，下分層開采有效釋放上分層采空區煤柱應力，使得覆巖整體平緩下沉，達到降低覆巖導水裂縫帶發育高度，減小頂板破壞沖擊能量，密實分采空區冒落巖塊，降低采空區發火危險程度，形成了孟巴礦特厚煤層分層協調減災開采模式。