试论长平矿Ⅲ2317工作面丹河下开采安全技术

2022-07-25赵军伟

当代化工研究 2022年13期

＊赵军伟

（晋能控股煤业集团晋城煤炭事业部山西 048000）

虽然在我国水体下采煤已有数十年经验，但由于受地质、水文地质、水体类型等因素影响，不同区域或地段具有显著的差异性。长平矿Ⅲ2317工作面上方丹河流经区，在对煤层赋存特征、顶板岩层岩性、厚度、含隔水性、构造破坏程度等基本参数统计的基础上，采用定性、定量分析及结合国内和矿井回采实践，综合分析研究回采工作面导水裂隙高度、防水安全煤（岩）柱保护层厚度、防水安全煤（岩）柱高度，继而评价河流对回采工作面充水影响程度及安全性，并提出井下水害防治和地面河流治理措施，为工作面安全回采提供科学依据[1-2]。

1.Ⅲ2317工作面概况

Ⅲ2317工作面回采走向长569.75m，倾斜长225.40m，面积128421.65m2。两平巷高度3m，宽度5.6m，切眼高度3m，宽度8.2m。3号煤层厚4.52～4.99m，平均4.85m，地质储量共计81.8万吨。煤层底板标高自北东至南西644～676m，整体南高北低，西高东低，最大高差32m；煤层埋藏深度203～ 239m，总体自南向北逐渐增大。

地表水体丹河，自北向南穿过Ⅲ2317工作面上方，流向南略偏东，河床标高自南向北为880.8～884.3m，相对高差3.5m，比降为5.83‰。丹河发源于高平市赵庄丹朱岭，主要补给水源为大气降水与砂岩裂隙水，水量季节性变化较大。在Ⅲ2317工作面上方河床宽32～40m，最大洪水时影响宽度200m，深度2～2.5m。由于河床下第四系粉土、粘土厚度大（20m左右），可阻止河水下渗。一般流量60m3/h左右，最大流量1000m3/h以上，枯水期流量一般在10m3/h左右，并出现断流现象，历史最大洪水位标高+881m。选择在水量小的枯水期开采，不仅可进一步提高工作面回采的安全性，而且可大幅度降低地表塌陷区的治理难度和成本。

2.Ⅲ2317工作面丹河下开采安全技术评价

经对煤层埋藏深度、上覆岩层特征及垮落带与导水裂缝带、防水、防砂安全煤（岩）柱高度计算结果及断层、陷落柱影响程度综合分析认为，Ⅲ2317工作面可安全回采，其主要依据如下：

(1)防水、防砂安全煤(岩)柱设计与实际煤(岩)柱对比分析

依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》（安监总煤装〔2017〕66号），防水、防砂安全煤（岩）柱设计要求。

①防水安全煤（岩）柱设计要求

留设防水安全煤（岩）柱的目的是不允许导水裂缝带波及水体，防水安全煤（岩）柱的垂高应大于或等于导水裂缝带高度与保护层厚度之和，见图1。

图1 防水安全煤（岩）柱设计示意图

式中：Hsh—防水安全煤（岩）柱的垂高，m；

Hli—导水裂缝带高度，m；

Hb—保护层厚度，m。

按照导水裂缝带高度81.82～93.84m，保护层最大厚度14.55m，计算防水安全煤（岩）柱高度为96.37～108.39m，对比Ⅲ2317工作面上覆岩层最小厚度203m，比设计要求的煤（岩）柱高度高出94.61～106.63m。

②防砂安全煤（岩）柱设计要求

留设防砂安全煤（岩）柱的目的，是允许导水裂缝带波及松散弱含水层或已疏干的松散强含水层，但不允许垮落带接近松散层底部，防砂安全煤（岩）柱的垂高（Hsh）应当大于或等于垮落带的最大高度（Hk）加上保护层厚度（Hb）。

式中：

Hsh—防水安全煤（岩）柱的垂高，m；

Hk—垮落带高度，m；

Hb—保护层厚度，m。

按照垮落带高度16.49～18.38m，保护层厚度15m，计算防砂安全煤（岩）柱高度31.49～33.38m，对比Ⅲ2317工作面上覆基岩层最小厚度183m，比设计要求的防砂煤（岩）柱高度高出149.62～151.51m。

(2)水体下开采经验矿井煤(岩)柱高度及柱高采厚比

①国内其他矿区矿井水体下开采经验煤（岩）柱高度及柱高采厚比

依据我国多个矿区矿井不同水体下开采实践经验，在河床与煤系地层之间含粘土层的情况下，煤（岩）柱高度一般在50～70m之间，柱高采厚比一般在9～31之间，其中，阜新兴隆矿和平顶山三矿采煤方法与本矿基本相似，柱高采厚比分别为21～29和16，见表1。

表1 河床与煤系地层之间含粘土层开采实例

②矿井一盘区1313工作面水体下开采煤（岩）柱高度及柱高采厚比

矿井已进行安全回采的1313综放工作面，位于一盘区南部，走向长1340.70m，倾斜长175.00m。切眼至338m段地表有釜山河、高良河下游河道，枯水期釜山河、高良河汇流后总水量300m3/h。过河流段煤层埋藏深度210m，地表黄土层厚度0.5～1.5m，煤层厚度5.70m。煤（岩）柱高度210m，柱高采厚比36.84。

对比本矿Ⅲ2317工作面，煤层上覆岩层最小厚度203m（其中基岩厚度183m，第四系粘土层厚度20m），煤（岩）柱高度最小203m，计算采厚比最小为41.86，远高于上述矿井水体下开采实践经验值，其安全性较高。

③断裂发育程度及含水性

A.断层。工作面巷道揭露的扩SF110、扩SF112断层，尽管延伸至工作面，但由于落差小（1.3m和6m），导水性差。即便工作面回采诱发垮落带、导水裂缝带有一定的增高，但煤层上覆岩层厚度大，以及近地表有较厚的（20m）第四系粉土和粘土，具有良好的隔水性且不在丹河河床下，可排除断层构成地表河流水入渗的直接通道。

工作面外侧SF8、SF4、SF5断层，落差分别为20m、12m和2.5m，分别距2317工作面175m、16.4m和29m。由于远离丹河河床，即便受采动岩层影响断层构成砂岩裂隙水的联系，水量有限，可控，不构成对矿井充水的威胁。

B.裂隙发育程度与富水性。经全面系统分析及矿井采掘揭露，区内构造裂隙发育程度较弱。依据导水裂缝带发育最大高度93.84m，风化裂隙发育深度70m，合计163.84m，对比煤层最小埋藏深度203m，导水裂缝带与风化裂隙之间最小厚度为39.16m，相互间不构成导水通道，亦构不成对地表河流水的影响。即便导水裂缝带与风化裂隙带沟通，但由于第四系粉土、粘土厚度在20m左右，可阻止地表河流水通过裂隙带下渗矿井。

煤层顶板砂岩及风化裂隙带局部具有中等富水性，即便工作面回采构成对矿井充水，但在可控范围以内，对矿井采掘生产不构成威胁。

④地面塌陷及其地裂缝的影响

A.地面塌陷。工作面及其附近地形平坦，工作面回采后必然形成以周边高，中间低的下沉盆地，最低点位于工作面中心，计算最大塌陷深度为3.2m，塌陷最大幅度大致沿工作面中心呈南北向展部，见图2。

图2 塌陷中心位置卫星影像图

B.地面塌陷裂缝。按照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》（安监总煤装〔2017〕66号）水体下采煤的安全煤（岩）柱计要求，如果煤系地层无松散层和采深较小时，应当考虑地表裂缝深度，而Ⅲ2317综采工作面第四系松散层厚度20m，上部为粉土，下部为粘土，可排除地裂缝影响。

⑤陷落柱

A.扩SX20陷落柱。位于工作面南侧，由于位于丹河河床下，为防止陷落柱受采动影响沟通与河流水的联系，留设煤柱宽度35m，远大于理论计算的煤柱宽度18m，况且陷落柱与围岩胶结紧密，掘进巷道揭露不含水，可排除其陷落柱的影响。

B.扩SX21陷落柱、扩SX22陷落柱。分别位于工作面外侧北西部和南东部，由于距2317工作面较远（最近距离分别约86m和122m），且远离丹河河床，可排除工作面回采陷落柱诱发丹河水下渗的影响。

⑥地表水体特征对回采工作面充水影响

Ⅲ2317工作面区内，地表河流水浅，煤层上覆基岩厚度大，砂质泥岩、粉砂岩、砂岩互层，具有较大的抗压强度，可排除水体压力及采动矿压的综合作用诱发岩层的破坏构成地表水对矿井充水的影响。

⑦第四系厚度及岩性特征对回采工作面充水影响

工作面及其附近地形平坦，第四系粉土、粘土层厚度达20m左右，不仅可阻止河流水下渗，而且对工作面回采塌陷裂缝起到充填堵漏作用，可阻止地表水通过基岩裂隙、导水裂缝带下渗采空区。

3.Ⅲ2317工作面综合防治水措施

依据Ⅲ2317工作面水文地质条件，结合矿井其它工作面回采实践，充水水源主要为煤层顶板砂岩裂隙水，且垮落带与导水裂缝带最大高度为采高的3.40～3.79倍与16.87～ 19.35倍，计算Ⅲ2317工作面垮落带与导水裂缝带最大高度分别为16.49～18.38m与81.82～93.84m。此时为了防止特殊情况下地表河水入渗的可能，确保工作面安全回采，建议采取以下防治水措施。

（1）建立工作面完善的排水系统，包括临时水仓、排水泵或潜水泵和排水管路，依据计算的工作面涌水量，其工作泵排水能力不小于60m3/h，工作泵、备用泵排水能力不低于120m3/h，并配置检修泵，以确保工作面回采过程中出水时及时有效地排泄（由于工作面西侧工作面回采排水，可能会使本工作面水量明显减小）。

（2）对物探预测的低阻异常区（富水异常区）进行超前钻探探测措施，水量大时采取疏放措施[2]。

（3）坑透、槽波探测的异常区，通过钻探验证准确确定构造类型、规模。

（4）建立完善的水量监测、监控措施，以及水量、水质变化特征的分析与测试，较准确的确定其水源。

（5）回采过程中，加强对隐伏构造的探测，尤其丹河床下及其边缘，准确确定是否发育有断层、陷落柱。

（6）为防止顶板砂岩裂隙水的影响，采取超前疏放水措施，并留作工作面回采期间的观测孔，其目的通过水量、水质变化观测，以便确定工作面回采塌陷后河水是否有泄漏现象。

（7）工作面回采期间，应安排人员对地面丹河水是否漏失进行连续观测，若发现漏失较大时停止井下作业，并及时采取堵漏措施[3]。

（8）做好井下作业人员水害防范的培训及避灾路线。