勝利煤礦14煤回采工作面防水煤柱留設探究

摘 要：勝利煤礦位于牙克石市境內(nèi)，一采區(qū)一水平開采最上部14號煤層，該煤層埋深較淺一般為20.55—104.98m，平均厚度為47.64m，開采過程中存在頂板擾動溝通地表水體的風險，需要留設防水煤柱確保生產(chǎn)安全。本文以礦井以往水文地質(zhì)資料、專項物探成果報告資料等為基礎，結(jié)合近幾年回采工作面生產(chǎn)過程頂板實際觀測數(shù)據(jù)等相關(guān)資料，通過分析研究確定14煤回采工作面防水煤柱留設范圍。

關(guān)鍵詞：勝利煤礦;回采工作面;防水煤柱

一采區(qū)位于礦區(qū)東側(cè)，一采區(qū)東側(cè)界線基本為勘查許可證東側(cè)邊界，北側(cè)界限基本以F11斷層為邊界，南側(cè)界線基本以F13斷層為邊界，西側(cè)邊界基本為鉆孔K4-4以東。由北至南沿北東向布置7個綜采工作面（見圖1），其中102至105工作面均順利完成回采，101工作面回采至距離設計停采線119.3m處，由于14煤層頂板上覆地層厚度變薄，煤層頂板出現(xiàn)冒落跡象，工作面淋水量呈現(xiàn)突然增大趨勢，停止回采作業(yè)。因此，需在接續(xù)106回采工作面預先規(guī)劃科學留設防水煤柱，預防上述頂板問題的出現(xiàn)。

一、生產(chǎn)概況

井田范圍發(fā)育地層為白堊系下統(tǒng)的大磨拐河組[1]和第四系，白堊系下統(tǒng)的大磨拐河組地層為井田含煤地層。首采區(qū)在14煤布置采煤工作面開采，根據(jù)14煤首采區(qū)煤層賦存條件，14煤工作面采高為2.5m（屬中厚煤層），煤質(zhì)為長焰煤，煤層賦存條件穩(wěn)定。14煤頂板直接充水含水層導水性及連續(xù)性較弱，補給弱疏干以消耗含水層靜儲量為主。剛開始揭露時，水量較大，102首采面施工時，掘進期間涌水量達到30m3/h，通過地面疏干、井下探放等綜合治理手段，水量逐步降低，至回采時，只有少量涌水。其他綜采工作面，涌水方式以頂板淋水為主，涌水量小于20m3/h。

二、水文地質(zhì)條件

一采區(qū)地形呈南高北底、東高西低，向西南延展開闊，有利于地表水徑流。最高地面高程784m，位于一采區(qū)東南角6K-9號鉆孔南部。最低地面高程742m，位于一采區(qū)西南角K3-2號鉆孔附近，地面高差42m。礦井資料顯示，14煤層位于侵蝕基準面以下，地表無露頭，可采煤層距地表最淺處20m。一采區(qū)一水平最低排泄基準面為14號煤層底板，最低高程706.00m。

依據(jù)地質(zhì)時代，地貌條件及一采區(qū)一水平在礦區(qū)所處的位置，巖石的含水性能等，將一采區(qū)一水平內(nèi)含水層、隔水層劃分如下：

（一）永凍層隔水層

礦區(qū)地理位置為亞寒帶氣候地區(qū)的山谷中，根據(jù)收集以往水文地質(zhì)成果資料，一采區(qū)第四系永凍層廣泛發(fā)育，第四系除上部3.5米季節(jié)性凍層外，其余為永凍層。永凍層底界面深度主要受構(gòu)造、地層裂隙導水差異控制，永凍層底界面埋深不均一，厚度一般都在7.79～19.42m之間，平均厚度為11.23m，局部延伸至大磨拐河組頂部各種巖石中，最深可達34m，巖性主要為砂礫石，永凍層所凍結(jié)的巖層起到了良好的隔水作用，它隔絕了地表水與地下水之間的水力聯(lián)系，為一采區(qū)的主要隔水層。

（二）14煤頂板直接充水含水層

14煤頂板砂巖孔隙含水層為14煤頂板直接充水含水層，該含水層位于永凍層之下，14煤頂板以上，為14煤開采直接充水含水層，該除一采區(qū)南部連續(xù)分布外，其他區(qū)域厚度變化加大，多個鉆孔該含水層缺失，厚度為0.00-39.81m，平均厚度11.58m，總體分布規(guī)律為由南向北厚度逐漸減小。

該含水層上覆第四系砂礫層為永凍層，向下是煤系地層，巖性以細粒砂巖為主，據(jù)抽水試驗資料，含水層單位涌水量0.475L/s·m，滲透系數(shù)1.45m/d，水質(zhì)類型為HCO3·SO4-Na·Ca型水，礦化度0.26g/L，水位埋深11.60m，靜止水位標高731.68m，含水層富水性中等[2]。

三、防水煤柱留設

（一）一采區(qū)一水平頂板“三帶”觀測及規(guī)律性研究

勝利煤礦在一采區(qū)一水平102工作面進行過頂板“三帶”觀測及規(guī)律性專項研究工作，通過在102工作面運順和軌順頂板施工觀測孔，采用孔中電阻率法觀測和總結(jié)采動過程中14煤層頂板煤巖體的破壞規(guī)律。取得主要成果為確定102工作面垮落帶高度為頂板以上14m，裂隙帶部分已發(fā)育至地表，估算裂隙帶高度（頂板距地表高度）不小于37m;按平均采高27m—3.1m計算，對應垮采比為5.18—4.52，采裂比不小于13.7—11.93。102工作面為一采區(qū)一水平首采工作面，已完成回采形成采空區(qū)，回采過程中未出現(xiàn)井下水文地質(zhì)問題。

（二）實際開采確定防水煤柱

根據(jù)對一采區(qū)49個鉆孔的統(tǒng)計結(jié)果，一采區(qū)一水平14煤頂板上覆地層總體厚度為20.55-104.98m，平均厚度為4764m，厚度總體分布規(guī)律為由南向北、由東向西逐漸變?。ㄔ斠妶D2）。自下往上以泥巖為主，成巖作用不完全，膠結(jié)程度差，夾薄煤層且分布不連續(xù)，頂部第四系地層為松散的沖積和洪積的砂礫層，受低溫凍脹作用明顯。

101工作面煤層頂板出現(xiàn)冒落跡象位置14煤頂板上覆地層厚度為24.72m，為除106工作面上鉆孔K4-5（20.55m）外上覆地層厚度最薄處，工作面淋水突然變大原因為采動塌陷影響破壞永凍層隔水層，永凍層上部季節(jié)性第四系含水層被導通。由圖2可知，101工作面以外其他已采工作面，14煤頂板上覆地層厚度最小為7K-3（30.48m），因此，建議在此最小安全厚度的基礎上增大5m，即將14煤頂板上覆地層厚度35m等值線作為14106工作面防水煤柱的留設邊界，接續(xù)106工作面預留防水煤柱長188.52m，寬184.15m，面積34828m2。

（三）依據(jù)經(jīng)驗公式確定防水煤柱

采用《煤礦床水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)勘查評價標準》（MT/T1091-2008）中冒落帶、導水裂隙帶最大高度經(jīng)驗公式[3]：

計算公式：Hf=100M5.1n+5.2+5.1

式中：Hf—導水裂隙帶高度（m）;m—煤層累計采厚（m）;n—煤層分層層數(shù)（按采高為2.5m）。

應用上述公式對一采區(qū)一水平開采14煤時的導水裂隙帶高度進行了計算：14煤層導水裂隙帶一般高度8.98—4539m，平均高度為23.99m，14煤層頂板距第四系砂礫層底板的距離一般為5.65—97.19m，平均距離為34.42m。總體按平均厚度看，14煤層頂板距第四系砂礫層底板的距離（3442m）大于14煤層導水裂隙帶厚度（23.99m），開采14煤層一般不會擾動第四系永凍層，但個別位置存在14煤層頂板距第四系砂礫層底板的距離小于14煤層導水裂隙帶厚度的情況，需要采取留設防水煤柱及加強疏放水等措施，確保不發(fā)生安全事故。

防水煤柱高度（H防）計算公式采用《煤礦防水細則》中煤層露頭被松散富水性強的含水層覆蓋時的計算公式[4]：

H防=H裂+H保

式中：H防—防水煤（巖）柱高度（m），大于20m;H裂—垂直煤層的導水裂隙帶最大高度（m）;H保—保護層厚度（m）。

比較14煤層頂板距第四系砂礫層底板的距離與防水煤柱高度（H防），將其差值為負值的鉆孔劃歸為應該預留防水煤柱的區(qū)域，考慮依據(jù)實際開采經(jīng)驗確定的防水煤柱范圍，將差值負值區(qū)與實際開采經(jīng)驗確定的防水煤柱邊界之間的區(qū)域定為危險區(qū)域（詳見圖3），接續(xù)106工作面回采危險區(qū)域長277.30m，寬184.15m，面積51202m2，該區(qū)域開采需要高度注意，采取必要的疏放水等措施防止安全事故的發(fā)生。將差值正值區(qū)為采取必要的安全措施，可以正常開采區(qū)域。

四、結(jié)論

本文通過以往水文地質(zhì)資料的整理、分析研究，詳細總結(jié)敘述一采區(qū)一水平水文地質(zhì)條件;根據(jù)實際開采經(jīng)驗確定將14煤頂板上覆地層厚度35m等值線作為14煤回采工作面防水煤柱的留設邊界;依據(jù)導水裂隙帶經(jīng)驗公式確定14煤回采工作面回采危險區(qū)域界線。礦方可根據(jù)14煤106回采工作面劃定的不同區(qū)域，有針對性采取針相應措施，確保開采不受頂板水害的威脅，實現(xiàn)安全開采。

參考文獻：

[1]李文國.內(nèi)蒙古自治區(qū)巖石地層[M].中國地質(zhì)大學出版社，1996.

[2]遲景硯，等.礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范[M].煤炭工業(yè)出版社，1991.

[3]孫玉臣，等.煤礦床水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)勘查評價標準[M].煤炭工業(yè)出版社，2010.

[4]國家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦防治水細則[M].煤炭工業(yè)出版社，2018.

作者簡介：姚忠?guī)X（1979— ），男，漢族，內(nèi)蒙古呼倫貝爾人，碩士研究生，高級工程師，研究方向：水工環(huán)。