基于控水開采的塔然高勒煤礦首采工作面優(yōu)化研究

張 凱，李全生

(1.國家能源投資集團有限責任公司 2030項目辦公室，北京 100011；2.煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室，北京 100011)

鄂爾多斯盆地是我國重要的能源生產(chǎn)供應基地，油氣、煤、鈾等礦藏主要賦存在侏羅系、三疊系、二疊系等煤系地層中，在平面投影上相互重疊，在垂向上位于不同層位[1，2]。隨著國家加大西部礦產(chǎn)資源勘探以及協(xié)同勘查技術的進步，煤與煤系伴生資源開采的矛盾逐漸顯現(xiàn)，其中煤炭與煤系鈾的矛盾尤為突出[3]。鄂爾多斯盆地砂巖型鈾礦的賦存特征只適宜采用地浸法開采[4，5]，地浸采鈾工藝需“保水”，而煤炭開采“放水”導致地下水位下降，可能使地浸采鈾喪失經(jīng)濟性，甚至破壞開采條件。鄂爾多斯盆地油、氣、煤、鈾賦存關系見表1。

目前，圍繞鄂爾多斯盆地煤系伴生資源勘探開發(fā)已開展眾多研究，提出了多能源礦產(chǎn)協(xié)同勘查理論與技術[6，7]，分析了煤系伴生資源的分布、成因及賦存特征[8-12]，總結了開發(fā)利用現(xiàn)狀[13，14]，初步建立了資源共采理論框架[15]。這些研究對保障我國能源供應、推動礦產(chǎn)資源綜合利用發(fā)揮了重要作用。現(xiàn)有研究在協(xié)調(diào)開發(fā)模式和開采方法方面研究較少，煤與煤系伴生資源協(xié)調(diào)開采的矛盾凸顯，多種礦產(chǎn)資源協(xié)調(diào)開采尚沒有經(jīng)濟可行的技術途徑。其中，煤鈾資源的協(xié)調(diào)開發(fā)，關鍵在于地下水位的控制，本文以鄂爾多斯塔然高勒井田為例，探討多資源協(xié)調(diào)開發(fā)條件下的煤炭控水開采路徑。

1 煤炭開采對鈾礦開采條件的影響

塔然高礦區(qū)是國家規(guī)劃的“十一五”重點礦區(qū)，年產(chǎn)量規(guī)模2600萬t，該區(qū)及周邊區(qū)域新發(fā)現(xiàn)多個特大型砂巖型鈾礦[17]。該類鈾礦的地浸開采工藝對水文地質條件要求極高，如地下水位過低，將提高地浸開采工藝難度和成本，當水位下降至鈾礦體以下，將導致鈾礦無法開采。

井田位于鄂爾多斯高原的西北部，區(qū)域性地表分水嶺“東勝梁”的北側，屬黃土高原地帶。井田內(nèi)地形總體趨勢是南高北低，在此基礎上又表現(xiàn)為中西部高兩側低，最高點位于井田中東部Q90鉆孔位置，海拔標高為+1848.20m，最低點位于井田東北部黑賴溝溝底，海拔標高為+1366.4m，最大地形標高差為481.8m；地形海拔標高在+1410～+1530m之間，一般地形高差為120m左右。

塔然高勒煤礦主采3-1煤層頂部侏羅系地層的沉積環(huán)境為河流沉積，多形成不連續(xù)或不穩(wěn)定的含水層和隔水層，塔然高勒井田地層巖性見表2。

表2 塔然高勒井田地層巖性

根據(jù)對井田范圍內(nèi)341個鉆孔的統(tǒng)計分析，3-1煤覆巖以砂巖類巖層為主，砂巖類巖層平均厚度占比在80%以上，泥巖類巖層不足20%，；3-1煤頂板以上200m范圍內(nèi)泥巖類巖層厚度大部分僅10～30m。從鉆孔揭露的砂巖類巖層巖性組成來看，礫巖在砂巖類巖層中的含量占絕對優(yōu)勢，泥巖類巖層多以砂質泥巖形式存在。煤層頂板巖性組合特征表明，塔然高勒煤礦及周邊煤礦開采將對上覆巖層和區(qū)域地下水位造成較大影響，可能破壞鈾礦開采條件。井田內(nèi)長期水文觀測得到的地下水位變化曲線如圖1所示，其中2013年2月至2014年8月地下水位平均下降約24.8m，區(qū)域地下水位受礦井生產(chǎn)建設影響明顯。

圖1 地下水位變化曲線

為進一步掌握煤炭開采對鈾礦開采條件的影響，2014年3月至4月分三階段在試采工作面開展了井下放水試驗，放水試驗不同距離的水位降深如圖2所示。由圖2可知：疏放水對地下水的影響范圍約4.5km，漏斗中心地下水位下降224.33m，距放水孔2343m處水位下降5.31m，如采用常規(guī)開采方案，煤炭大規(guī)模開采造成區(qū)域地下水位大幅下降，可能嚴重影響鈾礦開采條件。

圖2 放水試驗不同距離的水位降深曲線

因此，為實現(xiàn)“保護資源、保護環(huán)境、保證安全”的資源協(xié)調(diào)開采，使相互影響最小化、對環(huán)境影響最小化，要求煤炭開采對地下水的影響可控，同時考慮到減少經(jīng)濟效益影響，迫切需要尋找經(jīng)濟可行的控水開采方案。

2 煤炭保水開采方法比較分析

目前應用比較成熟的保水采煤方法主要有充填法和部分煤柱法[16-20]，因此分別選擇充填開采、房柱式開采、條帶開采及綜采長壁全部垮落法4種采煤方法來對塔然高勒煤礦3-1煤層進行開采方案設計，對比分析各采煤方法的適用性。

2.1 充填開采

根據(jù)充填開采設計方案，采厚及充填高度1.4～4.5m，工作面長150m，開采初期投資較大，開采效率比綜采效率低，充填成本高，產(chǎn)量無法達到設計生產(chǎn)能力。但充填開采時工作面隨采隨充，頂板有充填體支撐，煤層上覆巖層不會發(fā)生破壞，技術上可以實現(xiàn)控水采煤的要求。經(jīng)計算，充填開采充填噸煤增加成本為117～127元/t，且開采效率無法滿足千萬噸礦井要求，經(jīng)濟效益低下。

2.2 房柱式開采

根據(jù)房柱式開采設計方案，設計開采尺寸為采6m留13m，采出率僅為31.57%，造成了資源的極大浪費。根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有開采實踐經(jīng)驗，房柱式采煤法適用于埋深不超過500m的煤層，塔然高勒煤礦3-1煤層埋深約600m，不在房柱式采煤法的適用范圍內(nèi)。經(jīng)計算，房柱式開采采寬為6m時直接頂不會垮落，但由于煤層埋深而造成的自重應力過大，直接頂巖石力學強度較低，直接頂在開采后有垮落的可能，開采時需要錨桿支護才能保證直接頂不垮落，不波及到上覆含水層，進一步增加了開采時的成本，因此從經(jīng)濟效益及技術上不適宜采用房柱式開采。

2.3 條帶開采

根據(jù)條帶開采設計方案，設計開采尺寸為采6m留18m，采出率僅為25%，低于房柱式開采方案的采出率。根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有開采實踐經(jīng)驗，條帶開采同樣不適用于埋深超過500m的煤層開采。且條帶開采的采寬同樣為6m，在不采取支護措施的前提下，直接頂也會由于自重應力的緣故發(fā)生垮落，因此條帶開采也不適宜。

2.4 綜采長壁全部垮落法

綜采一次全高開采是一種高產(chǎn)高效的采煤方法，采出率高、資源浪費少，工作面單產(chǎn)高，增產(chǎn)潛力大，可以達到礦井的設計生產(chǎn)能力。塔然高勒煤礦3-1煤層厚度變化大，煤層厚度一般在2～5m之間，煤層厚度變化較大，采用綜采一次采全高方法在厚度變化較大處難免造成丟煤，除此之外，由于開采厚度大，覆巖破壞發(fā)育高度大，開采時可能會波及上覆含水層，但通過人工調(diào)控的方法控制覆巖破壞發(fā)育高度及工作面涌水量，進而實現(xiàn)控水采煤的目的，經(jīng)濟效益明顯。

綜上所述，房柱式開采和條帶開采不適用本區(qū)的頂板巖性條件，技術上不可行；充填開采技術上具有可行性，但噸煤生產(chǎn)成本增加117～126.8元/t，經(jīng)濟上不合理；塔然高勒煤礦3-1煤層可選擇的開采方法僅為長壁全部垮落法。

3 煤炭控水開采方案論證

3.1 長壁全部垮落法覆巖破壞高度預計

由于塔然高勒煤礦屬新建礦井，無法進行“兩帶”高度實測，因此采用經(jīng)驗公式法、類比分析法及數(shù)值模擬法分別對礦井3-1煤層的覆巖破壞發(fā)育高度進行預計。

采用離散元軟件3DEC進行數(shù)值模擬，模型水平方向600m，兩側各留設150m煤柱，模擬采出煤層厚度4.0m，以塔然高勒煤礦為母體模型，模擬煤層開采后的覆巖破壞變形特征，工作面推進180m覆巖移動變形模擬結果如圖3所示。

圖3 工作面推進180m覆巖移動變形模擬結果

鑒于3-1煤層厚度變化較大，上覆巖層沉積不穩(wěn)定，綜合得出三種不同巖性的覆巖破壞發(fā)育高度：堅硬巖層條件下裂采比約為18～23，垮采比約為5～6；中硬巖層條件下裂采比約為12～16，垮采比約為4～5；軟弱條件下裂采比約為9～12，垮采比約為2～3。3-1煤層全厚開采時，導水裂縫帶發(fā)育高度為15～174m。

導水裂縫帶高度隨工作面推進變化曲線如圖4所示，由圖4可知，覆巖導水裂隙帶高度隨工作面推進距離的增加而增加，當工作面初次來壓時(工作面推進40～50m)，導水裂隙帶高度急劇增加；初次來壓后隨工作面推進，導水裂隙逐漸向上發(fā)育，當工作面推進至140m時達到最大值；此后，工作面繼續(xù)推進導水裂隙帶高度趨于平穩(wěn)。

圖4 導水裂縫帶高度隨工作面推進變化曲線

3.2 砂礫巖含水層對3-1煤層的充水影響

對3-1煤層開采有影響的含水層是侏羅系中統(tǒng)-侏羅系中下統(tǒng)砂礫巖裂隙承壓含水層，該含水層富水性弱至中等，井田范圍內(nèi)富水性不均。3-1煤層頂板與侏羅系中統(tǒng)-侏羅系中下統(tǒng)延安組(J1-2y)裂隙孔隙承壓含水層層間隔水層厚度為0～59.56m，平均14.39m，厚度變化較大且不穩(wěn)定。當煤層全厚開采時，導水裂縫帶基本波及侏羅系中統(tǒng)-侏羅系中下統(tǒng)砂礫巖含水層，砂礫巖含水層將直接向工作面充水。由于導水裂縫帶發(fā)育高度與采厚關系密切，采厚減小時，導水裂縫帶發(fā)育高度將明顯減小，為了評價上部砂礫巖含水層對3-1煤層開采的影響，對采厚2m時的覆巖破壞發(fā)育高度進行了預計，并評價含水層對采厚2m時工作面的充水影響。

當采厚2m時，防水安全煤巖柱高度22～61m，僅局部區(qū)域滿足留設防水煤巖柱要求，大部分區(qū)域不滿足防水安全煤巖柱高度，含水層將對工作面產(chǎn)生充水影響。井田西一盤區(qū)采厚2m時侏羅系中統(tǒng)-侏羅系中下統(tǒng)砂礫巖含水層與煤層間距與采厚2m時導水裂縫帶高度差值如圖5所示，由圖5可以看出，在西一盤區(qū)的部分地段該含水層與3-1煤層之間仍賦存有一定厚度的保護層，該保護層可以起到減弱礫巖含水層對工作面的充水影響的作用，使得礫巖含水層對工作面的充水影響變?nèi)酢?/p>

圖5 采厚2m時相對隔水層與導水裂縫帶高度差值等值線圖

3.3 采煤工作面優(yōu)化布置

由于對采煤工作面開采有充水影響的含水層為鈾礦床賦存的層段，要求以最大限度控制工作面涌水量、減少對含水層擾動破壞為目標選取合理的首采工作面和接續(xù)工作面位置。因此，確定將覆巖破壞發(fā)育高度、3-1煤層頂板泥巖隔水層厚度、含水層富水性及巖性結構、煤礦建設和生產(chǎn)需求、工作面接續(xù)情況等作為工作面選取評價指標。綜合評價井田范圍內(nèi)各地段的地質、采礦條件，確定了三個首采工作面開采方案。

不同方案開采條件對比見表3，通過開采條件分析、工作面涌水量計算、工程投資概算等選定首采面3作為最優(yōu)方案。

表3 不同方案開采條件對比

首采面3距離主井井筒4.4km，位于侏羅系礫巖富水性弱的地段，3-1煤層頂板泥巖厚度16.12～27.65m，煤層厚度3.4～4.2m。采厚2m時，由于限厚開采使導水裂縫帶高度降低，僅局部波及上部礫巖含水層，采動破壞范圍內(nèi)的巖體以泥巖、粉砂巖為主，巖性較軟，對抑制導水裂縫帶向上發(fā)育也起到良好的作用，且處于采動破壞范圍邊界的裂縫連通性也較脆性巖層差。涌水量計算結果顯示當導水裂隙帶局部波及含水層時為229m3/h，煤炭開采對地下水的影響得到一定程度控制。

3.4 控水開采對區(qū)域地下水的影響

為掌握上述控水開采方案對鈾礦開采條件的影響，建立了區(qū)域地下水三維非穩(wěn)定流數(shù)值模型，數(shù)值模擬模型如圖6所示，模擬面積1007.8km2，分析采掘擾動影響下區(qū)域地下水位及降落漏斗變化趨勢。

第20年末水位降深等值線和地下水位下降影響范圍如圖7、圖8所示，模擬計算結果顯示，隨著開采時間延續(xù)，地下水位降落漏斗的范圍及地下水位下降幅度不斷增大，影響范圍增大的速率受煤礦開采進度的影響；煤礦開采第20年末水位最大降深45.86m，水位下降大于25m的范圍為62.69km2。由于地下水降落漏斗遠離鈾礦采區(qū)，影響范圍隨煤炭開采進度逐步擴展，如果同時進一步優(yōu)化鈾礦地浸開采工藝，縮短開發(fā)周期，將大幅降低相互影響，實現(xiàn)資源協(xié)調(diào)開發(fā)。

圖7 第20年末水位降深等值線圖

圖8 地下水位下降影響范圍

4 結 論

圍繞鄂爾多斯盆地油、氣、煤、鈾等多種資源協(xié)調(diào)開采難題，以塔然高勒煤礦“下煤上鈾”條件下的控水開采為例，嘗試破解地浸采鈾“保水”與煤炭綜采“放水”之間的矛盾，探索了一種多資源協(xié)調(diào)開發(fā)條件下的煤炭控水開采途徑。主要結論如下：

1)鄂爾多斯盆地砂巖型鈾礦的賦存特征只適宜采用地浸法開采，塔然高勒煤礦煤層頂板巖性組合特征表明煤炭開采會對上覆巖層和區(qū)域地下水位造成較大影響，井下放水試驗顯示采用常規(guī)采煤方法將影響周邊鈾礦開采條件。根據(jù)礦井開采條件，充填開采、房柱式開采和條帶開采等保水采煤方法在技術經(jīng)濟上不能滿足煤礦大規(guī)模開采的要求，而采用綜采長壁全部垮落法并控制覆巖破壞發(fā)育高度及工作面涌水量更具技術經(jīng)濟性。

2)通過綜合分析優(yōu)選的首采工作面位于礫巖含水層富水性弱、頂板巖性較軟區(qū)域，采厚2m時僅局部波及上部礫巖含水層，預計涌水量229m3/h，對地下水的影響降到較低程度。通過地下水三維非穩(wěn)定流數(shù)值計算，煤礦開采第20年末地下水位最大降深45.86m，降落漏斗遠離鈾礦采區(qū)，將大幅降低對鈾礦開采條件的影響。