近淺埋薄基巖煤層季節(jié)性地表水體下分段限厚開(kāi)采研究

呂 波

(內(nèi)蒙古北聯(lián)電能源開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司 高頭窯煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 014316)

內(nèi)蒙古鄂爾多斯和陜西榆林位于我國(guó)能源“金三角”的核心區(qū)域,該區(qū)域蘊(yùn)藏著大量?jī)?yōu)質(zhì)煤炭資源，淺埋深、薄基巖、上覆厚松散風(fēng)積沙含水層是該礦區(qū)目前開(kāi)采煤層的典型賦存特征[3]。近淺埋煤層基巖厚度相對(duì)典型淺埋煤層較大，松散荷載層厚度相對(duì)較小，其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律介于普通工作面與典型淺埋工作面之間，頂板結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出兩組關(guān)鍵層，存在輕微的臺(tái)階下沉現(xiàn)象，覆巖破壞規(guī)律有一定的特殊性[4]。

對(duì)于近淺埋薄基巖煤層的安全開(kāi)采，國(guó)內(nèi)學(xué)者展開(kāi)過(guò)大量的研究，并取得了一定的成果。例如薛東杰等對(duì)淺埋深薄基巖采動(dòng)裂隙演化的規(guī)律進(jìn)行了相似模擬試驗(yàn)研究，并提出巖柱失穩(wěn)的主要方式及其判斷準(zhǔn)則[5]；許延春等采用地面鉆孔觀測(cè)法對(duì)趙固一礦深厚松散層薄基巖條件下的覆巖高度進(jìn)行了實(shí)測(cè)，得出了首采面的垮采比為3.85，裂采比大于8.59的結(jié)論[6]；應(yīng)治中對(duì)近淺埋薄基巖煤層開(kāi)采隔水層破壞機(jī)理進(jìn)行研究，給出了導(dǎo)水裂縫帶高度理論預(yù)測(cè)的新方法[7]；張萬(wàn)斌利用UDEC和FLAC3D軟件對(duì)淺埋薄基巖煤層開(kāi)采覆巖運(yùn)動(dòng)破壞規(guī)律進(jìn)行分析，得出在淺埋薄基巖煤層開(kāi)采過(guò)程中，通過(guò)減小工作面長(zhǎng)度來(lái)減輕采動(dòng)對(duì)覆巖的破壞是可取的[8]。

雖然對(duì)于近淺埋薄基巖煤層的安全開(kāi)采研究成果較多，但針對(duì)該條件下煤層在季節(jié)性地表水體下的安全開(kāi)采方案研究，成果較為匱乏。尤其在當(dāng)前煤炭效益日漸轉(zhuǎn)好的形勢(shì)下，對(duì)季節(jié)性地表水體下煤層避開(kāi)雨季進(jìn)行回采的簡(jiǎn)單思路，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化高產(chǎn)高效礦井的接續(xù)需求，因此開(kāi)展近淺埋薄基巖煤層在季節(jié)性地表水體下安全開(kāi)采方案的研究，顯得尤為重要。

高頭窯煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東勝煤田北部邊緣，礦井G3-1101，G3-1103工作面開(kāi)采3-1煤，地表有季節(jié)性地表水體大哈它土溝流經(jīng)，煤層平均埋深156m，基巖厚度平均138m，松散層厚度平均15.64m，屬于近淺埋薄基巖煤層[9]。本文以高頭窯煤礦為研究背景，對(duì)礦井G3-1101，G3-1103工作面在季節(jié)性地表水體大哈它土溝下的安全開(kāi)采進(jìn)行研究，旨在通過(guò)對(duì)工作面實(shí)行分段限厚的開(kāi)采方案，實(shí)現(xiàn)地表水體下近淺埋薄基巖煤層的安全開(kāi)采。

1 開(kāi)采技術(shù)條件

高頭窯煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東勝煤田北部邊緣，礦井G3-1101，G3-1103工作面開(kāi)采3-1煤，工作面東北部部分地表位于季節(jié)性河流大哈它土溝區(qū)域，大哈它土溝在枯水季節(jié)一般干涸無(wú)水，但在豐雨季節(jié)，可形成短暫的溪流或洪流，洪流具有歷時(shí)短、流量較大的特點(diǎn)。G3-1101，G3-1103工作面3-1煤層開(kāi)采采用綜合機(jī)械化采煤法，煤層位于延安組中巖段頂部，煤層賦存穩(wěn)定，煤層厚度3.10～5.55m，平均4.09m。煤層上覆水體主要包括碎屑巖孔隙-裂隙含水層、基巖風(fēng)化帶含水層、第四系含水層及地表水。其中第四系含水層富水性中等～強(qiáng)，基巖風(fēng)化帶含水層富水性弱～中等，含水層富水性在河床及河漫灘區(qū)域較強(qiáng)，基巖山體區(qū)域較弱，第四系含水層一般15m左右，可直接接受降雨補(bǔ)給，在雨季可與大哈它土溝產(chǎn)生直接水力聯(lián)系。圖1為G3-1101，G3-1103工作面地層柱狀剖面及與季節(jié)性地表水體平面關(guān)系?？梢钥闯?，煤層頂板基巖厚度在大哈它土溝區(qū)域變薄且差異較大，煤層開(kāi)采一旦波及到上述水體，則可間接導(dǎo)通大哈它土溝，勢(shì)必會(huì)影響礦井的安全生產(chǎn)，給煤礦井下生產(chǎn)造成安全威脅甚至不可估量的損失。

圖1 工作面地層剖面圖及與地表水體平面關(guān)系

2 工作面充水潰砂影響分析

高頭窯煤礦季節(jié)性地表水體與第四系含水層及基巖風(fēng)化帶含水層具有較好的連通性，因此，含水層的充水潰砂影響分析是制定3-1煤在淺埋薄基巖地質(zhì)條件下開(kāi)采方案的前提。一般情況下，應(yīng)先對(duì)煤層采動(dòng)后的覆巖破壞高度進(jìn)行預(yù)計(jì)，在覆巖破壞高度預(yù)計(jì)基礎(chǔ)上對(duì)煤層安全煤巖柱類型及尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)[10]，最終結(jié)合煤層特殊的淺埋深薄基巖地質(zhì)條件進(jìn)行工作面的充水潰砂影響分析[11]。

2.1 覆巖破壞高度預(yù)計(jì)

高頭窯煤礦曾于2011年8月在G2-3101工作面上方施工了3個(gè)“兩帶”鉆孔，對(duì)高頭窯煤礦2-3煤層開(kāi)采的覆巖破壞高度進(jìn)行過(guò)實(shí)測(cè)，其實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)于3-1煤層覆巖破壞高度預(yù)計(jì)具有較大的類比意義。高頭窯煤礦2-3煤層上覆巖層巖性為中硬類型，開(kāi)采厚度為3.2m，實(shí)測(cè)裂采比為15.40～17.84，垮采比為5[12]，取高頭窯煤礦G3-1101，G3-1103工作面3-1煤層開(kāi)采裂采比為17，垮采比為5，則工作面范圍內(nèi)各鉆孔按全厚開(kāi)采時(shí)導(dǎo)水裂縫帶高度為61.2～102.0m，垮落帶高度為18.0～30.0m，如表1所示。

表1 3-1煤層覆巖破壞高度類比法預(yù)計(jì)結(jié)果

2.2 安全煤巖柱類型及尺寸設(shè)計(jì)

根據(jù)高頭窯煤礦G3-1101，G3-1103工作面水文地質(zhì)條件，3-1煤層上方局部地區(qū)有地表水、全部區(qū)域有第四系含水層、基巖風(fēng)化帶含水層及煤系地層砂巖含水層，根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》[13]，G3-1101，G3-1103工作面3-1煤層開(kāi)采需對(duì)大哈它土溝區(qū)域留設(shè)防水安全煤巖柱進(jìn)行開(kāi)采，對(duì)非地表水覆蓋區(qū)域留設(shè)防砂安全煤巖柱進(jìn)行開(kāi)采?！督ㄖ?、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》中保護(hù)層厚度選取適用標(biāo)準(zhǔn)僅限于單層開(kāi)采厚度1～3m的情況,大采高綜采條件下防水安全煤巖柱、防砂安全煤巖柱保護(hù)層厚度的選取國(guó)內(nèi)目前沒(méi)有準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)。參考國(guó)內(nèi)相關(guān)礦井的開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)[14-16]并結(jié)合高頭窯煤礦的水文地質(zhì)條件，礦井第四系含水層與基巖面間無(wú)穩(wěn)定隔水層，從安全開(kāi)采角度考慮，按最穩(wěn)妥原則選取高頭窯煤礦綜采條件下防水安全煤巖柱保護(hù)層厚度為6倍的采厚、防砂安全煤巖柱保護(hù)層厚度為3倍進(jìn)行計(jì)算，工作面基巖風(fēng)化帶厚度統(tǒng)一按照20m厚進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)計(jì)算后的安全煤巖柱類型及尺寸如表2所示。

表2 3-1煤層安全煤巖柱尺寸計(jì)算結(jié)果

2.3 充水潰砂影響分析

2.3.1 判別原則

充水潰砂影響判別原則如表3所示[17]。表3公式中：HJ為3-1煤層上覆基巖柱厚度，m；Hsh為防水安全煤巖柱高度，m；Hfe為基巖風(fēng)化帶厚度，m；Hs為防砂安全煤巖柱高度，m。

表3 3-1煤層充水潰砂影響判別

2.3.2 充水潰砂影響分析結(jié)果

根據(jù)高頭窯煤礦3-1煤層充水潰砂影響判別結(jié)果，可作出G3-1101，G3-1103工作面充水潰砂影響圖，如圖2、圖3所示。由圖可知G3-1101，G3-1103工作面區(qū)域內(nèi)均滿足留設(shè)防砂安全煤巖柱的要求，G3-1101，G3-1103工作面部分區(qū)域內(nèi)不滿足留設(shè)防水安全煤巖柱的要求，其中大哈它土溝區(qū)域內(nèi)均不滿足留設(shè)防水安全煤巖柱的要求。

圖2 3-1煤工作面充水影響

圖3 3-1煤工作面潰砂影響

3 分段限厚開(kāi)采方案研究

根據(jù)G3-1101，G3-1103工作面3-1煤層各段充水潰砂影響情況，結(jié)合工作面上方地表水的分布、基巖柱厚度及上覆含水層的富水性，對(duì)工作面進(jìn)行分段限厚安全開(kāi)采方案設(shè)計(jì)[18-19]，其限厚原則為：對(duì)于滿足留設(shè)防水安全煤巖柱的區(qū)域，按照煤層的設(shè)計(jì)開(kāi)采厚度或者實(shí)際煤厚進(jìn)行開(kāi)采；針對(duì)不滿足留設(shè)防水安全煤巖柱的區(qū)域，分為兩種情況進(jìn)行論證，若該區(qū)域位于大哈它土溝下，采用限厚開(kāi)采的方法；若該區(qū)域處于大哈它土溝外，作工作面潰砂影響圖，看其是否滿足留設(shè)防砂安全煤巖柱的要求，如果滿足留設(shè)防砂安全煤巖柱的要求，可以按照煤層的設(shè)計(jì)開(kāi)采厚度或者實(shí)際煤厚進(jìn)行開(kāi)采，如果不滿足留設(shè)防砂安全煤巖柱的要求，采取限厚的開(kāi)采措施。

根據(jù)限厚開(kāi)采原則，可將G3-1101，G3-1103工作面各分為2個(gè)塊段進(jìn)行開(kāi)采。其中II塊段需要進(jìn)行限厚開(kāi)采，開(kāi)采厚度M確定及安全煤巖柱驗(yàn)證公式如表4所示，分段限厚開(kāi)采方案如表5所示，分段限厚開(kāi)采方案如圖4所示。

表4 限厚開(kāi)采確定公式

表5 分段限厚開(kāi)采方案

圖4 工作面分段限厚開(kāi)采方案

4 結(jié) 論

根據(jù)近淺埋薄基巖煤層在季節(jié)性地表水體下的開(kāi)采條件特殊，通過(guò)得到該地質(zhì)條件下較為可靠的煤層覆巖破壞高度，對(duì)安全煤巖柱類型及尺寸進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，最后通過(guò)煤層的充水潰砂影響分析結(jié)果進(jìn)行合理的分段限厚開(kāi)采設(shè)計(jì)，可以較好地達(dá)到礦井安全與高效的平衡。研究結(jié)論認(rèn)為，將G3-1101，G3-1103工作面大哈它土溝范圍內(nèi)分別限定開(kāi)采厚度為3.5m和3.6m，即可以實(shí)現(xiàn)近淺埋薄基巖煤層在季節(jié)性地表水體下的安全開(kāi)采。

[參考文獻(xiàn)]

[1]武 濤.淺埋深特厚煤層綜放開(kāi)采覆巖破壞規(guī)律研究[J].能源技術(shù)與管理，2014,39(3):82-84.

[2]張有為，馮 剛.淺埋深煤層長(zhǎng)壁工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2014，42(S1):35-36.

[3]羅利卜，樊珂奇.淺埋薄基巖煤層順溝開(kāi)采防治水體系[J].煤礦安全，2015,46(12):203-206.

[4]翟鴻良.廟哈孤礦區(qū)淺埋深煤層過(guò)溝開(kāi)采技術(shù)研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2014(1):16-17.

[5]薛東杰,周宏偉,任偉光,等.淺埋煤層超大采高開(kāi)采柱式崩塌模型及失穩(wěn)[J].煤炭學(xué)報(bào),2015,40(4):760-765.

[6]許延春,李振華,賈安立,等.深厚松散層薄基巖條件下覆巖破壞高度實(shí)測(cè)分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2010,38(7):21-23.

[7]應(yīng)治中.近淺埋薄基巖煤層開(kāi)采隔水層破壞機(jī)理研究[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2015.

[8]張萬(wàn)斌.淺埋薄基巖煤層開(kāi)采覆巖運(yùn)動(dòng)破壞規(guī)律數(shù)值分析[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2014.

[9]李常文，汪 銳，何孜孜，等.高頭窯煤礦河下開(kāi)采導(dǎo)水裂隙帶高度的試驗(yàn)研究[J].煤礦安全，2011,42(3):12-15.

[10]煤炭科學(xué)研究院北京開(kāi)采研究所.煤礦地表移動(dòng)與覆巖破壞規(guī)律及應(yīng)用[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1981.

[11]劉 斌，梁則虎.下溝煤礦涇河下開(kāi)采對(duì)覆巖破壞機(jī)理的研究[A].煤礦隱蔽致災(zāi)因素及探查技術(shù)研究[C].北京：煤炭工業(yè)出版社，2015.

[12]李 磊.淺埋深薄基巖地表水體下厚煤層重復(fù)開(kāi)采研究[J].煤礦開(kāi)采,2016,21(4):84-86.

[13]煤炭工業(yè)部.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1986.

[14]賈永勇，婁 芳，徐海東.地表河流下大采高綜采安全煤巖柱留設(shè)分析[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，2016(9):131-132.

[15]許光泉，胡友彪，涂 敏，等.松散含水體下合理安全煤巖柱高度留設(shè)回顧與探討[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2003,31(10):41-44.

[16]許延春，李江華，李衛(wèi)民，等.趙固二礦露頭區(qū)砂礫含水層下安全煤巖柱留設(shè)研究[J].煤礦開(kāi)采，2014,19(3):47-50.

[17]來(lái)興平，蔡美峰，任奮華.河下開(kāi)采擾動(dòng)誘致采空區(qū)動(dòng)態(tài)失穩(wěn)定量預(yù)計(jì)與綜合評(píng)價(jià)[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2005,27(12):1421-1424.

[18]劉萬(wàn)榮，馬海峰，彭 超.淺埋薄基巖煤層合理采高的選擇[J].煤礦安全，2014,45(5):194-196,200.

[19]趙文濤，翟劍平，李秀山，等.厚松散層薄基巖條件下提高開(kāi)采上限的研究[J].江西煤炭科技，2014(2):112-113.

[20]李來(lái)源.淺埋深薄基巖原煤層大采高綜采覆巖破壞高度實(shí)測(cè)研究[J].能源與環(huán)保，2017(5)：206-209.