马 帅

(潞安集团 地质处，山西 长治 046204)

1 工程背景

阜生煤业一采区采区面积约1.2 km2，开采15号煤层，煤层平均厚度6.5 m。丰堠沟河自西北向东南方向流经一采区1102、1106工作面，丰堠沟河道全长10 km，承担流域面积35 km2的排洪任务[1]。由于1102、1106工作面煤层埋藏浅，采高大，开采沉陷将使地表受到严重破坏，使丰堠沟河成为威胁矿井安全生产的主要隐患。

2 丰堠沟下采煤可行性

根据丰堠沟最近3年的气象及河流观测记录，每年6、7、8、9月的降水量最大，从11月初至来年5月底为枯水期，期间河道内只有少量流水。丰堠沟枯水期几乎无水，但河床底部的松散岩类孔隙含水层仍对井下安全生产构成威胁。根据丰堠沟水量变化规律及矿井实际情况，本文将综合论证在留设必要煤柱的情况下枯水期采煤可行性。

2.1 丰堠沟保护煤柱留设

表1 丰堠沟保护煤柱设计边界角数值

保护煤柱设计采用垂直剖面法，在丰堠沟采煤沉陷影响范围内布置垂直煤层走向A-A′、B-B′剖面。经计算，两剖面之间丰堠沟西侧保护煤柱宽度为30.93～36.07 m，东侧保护煤柱宽度为35.24～42.14 m，自南向北煤柱加大约5～7 m，采深增加约19 m。在采厚不变的情况下，考虑到采深增加对减少地表水渗漏是有利的，因此采用A-A′剖面的保护煤柱(西侧保护煤柱)尺寸作为煤柱尺寸。

2.2 工作面涌水量预测

2.2.1 大井法[2]

对于第四系含水层采用地下水动力法中潜水计算公式：

(1)

(2)

式中：r0采用工作面开采引用半径；k为渗透系数，取抽水试验平均值18.05 m/d；H为静止水位至疏干含水层底板深度的距离，取10.0 m；S为水位降深，数据与H相同，计算出涌水量分别为87.97 m3/h、103.41 m3/h。考虑到下部含水层对工作面涌水的影响，计算结果扩大1.2～1.5倍，因此1102、1106工作面涌水量分别按120 m3/h、140 m3/h计。

2.2.2 单位涌水量比拟法[3]

根据同采区1101工作面有关资料求得的单位涌水量q0，可作为预测类似条件下1102(1106)工作面开采面积F和水位降深S条件下涌水量Q的依据。当回采工作面的涌水量Q0随开采面积F0和水位降深S0呈直线变化时，单位涌水量q0为：

(3)

则比拟公式为：

所有维度上任务负荷的平均值均>50，表明船员在工作中脑力和体力的需求相对较高，时间压力比较大。较好的工作表现需要付出的努力也更多，受挫程度较大。

(4)

根据1101工作面涌水量观测结果，按最大涌水量26 m3/h，采用单位涌水量比拟法利用式(4)计算出1102、1106工作面矿井涌水量分别为19.59 m3/h，30.58 m3/h。采用大井法和单位涌水量比拟法计算的最大值作为工作面涌水量值，因此1102、1106工作面涌水量取值分别为120 m3/h、140 m3/h，均小于矿井250 m3/h的排水能力，且有一定余量。

2.3 防砂安全煤岩柱计算

采空区上覆岩层“三带”的形成主要取决于煤层的赋存条件、采煤方法、顶板管理方法和岩体的物理力学性质等因素[4]。为了充分保证安全生产，综合考虑支架高度、地质条件等因素，煤柱线内采厚按4 m控制，煤柱线外按照6 m采厚考虑。

2.3.1 垮落带计算

根据阜生煤业岩石抗压强度实验成果，阜生煤业覆岩岩性为中硬岩，垮落带高度可按下式计算[5]：

(5)

式中：Hk为垮落带高度，m；∑M为累计采厚，m，计算结果见表2。

表2 根据规范计算垮落带最大高度值

参照潞安矿区王庄煤矿综采放顶煤一次采全厚垮落带高度观测成果，工作面中间部分冒高采厚比为3.72、边界处冒高采厚比为6.26。根据该成果垮落带高度计算结果如表3所示。

表3 参照潞安矿区观测成果垮落带高度估算值

2.3.2 导水裂隙带计算

中硬岩导水裂缝带高度按下式计算：

(6)

式中：Hli导水裂缝带高度，m。

根据唐山研究院在潞安矿区的导水裂缝带观测成果，采用最小二乘法原理，求取导水裂隙带最大高度预测的经验公式为：

Hli=20.22M+10

(7)

式中：M为煤层有效采厚，m；Hli为导水裂隙带高度，m。

根据公式(6)、(7)计算的导水裂隙带最大高度如表4所示。

表4 导水裂隙带最大高度计算结果

综放工作面具有采高大的特点，垮落带、导水裂隙带较发育，因此采用经验公式计算垮落带、导水裂隙带最大高度较为合适。

防水安全煤岩柱高度按下式计算：

Hs≥Hm+Hb

(8)

式中：Hs为防砂安全煤岩柱高度，m；Hm为垮落带最大高度，m；Hb为保护层厚度，m。计算结果见表5。

表5 一采区防砂安全煤岩柱高度及最小采深计算 m

1102、1106工作面15煤层丰堠沟下采深为63～122 m，当采厚为6 m时，浅部开采区不满足防砂安全煤岩柱要求。

3 枯水期水体下开采方案

3.1 枯水期水体下开采可行性分析

1102工作面范围内的第四系冲积层，含水层主要以卵、砾、砂层为主，冲积层厚0～5 m，基底一般为砂泥岩，局部为灰岩，主要接受大气降水和河水的补给，该含水层是1102工作面开采矿井涌水的主要补给水源。石炭系上统碳酸盐岩含水层为太原组14号煤层上方含水层。对1102工作面范围内的15号煤层而言，15号煤层顶板砂岩、K2石灰岩为含水层组，都是15号煤层直接和间接充水含水层，富水性较弱，虽然由于1101工作面的采动，已对该含水层起到了一定的疏干作用，但开采15号煤层时，必然向巷道内充水。1102工作面除上述含水层外，其余均可视为相对隔水层。

通过上述对充水通道及隔水层的分析可知，影响安全生产的主要水源为雨季洪水，对于各含水层出水，可以利用井下排水设备进行排放，只要避开雨季并及时对导水裂隙及地面塌陷区域进行治理，便能够有效阻止地表水溃入井下。因此1102在枯水期进行采煤是安全可行的。

3.2 安全开采方案

1102工作面利用枯水期进行回采，丰堠沟保护煤柱线外采高设计为6 m，由于一采区工作面综采设备最小采高为4 m，丰堠沟保护煤柱线内限厚开采，采高为4 m。根据保护煤柱留设情况，1102工作面推进长度529 m，其中按设计采高开采推进长度156 m，限厚开采推进长度约373 m。同时对地面产生的裂缝进行及时回填压实。

4 阜生矿丰堠沟下枯水期采煤实践

阜生煤业于2019年1～6月对1102工作面丰堠沟河下部分进行了开采，开采过程中进行了涌水量观测。根据观测结果，工作面回采至151 m时，涌水量为8.5 m3/h，回采至165 m处时涌水量升至14.4 m3/h并开始逐渐增大，回采至260 m处工作面涌水量稳定在20～27 m3/h之间，平均涌水量约23 m3/h。最终工作面安全回采至设计位置。1102工作面开采期间对涌水进行了水质化验分析，水质分析结果为顶板裂隙砂岩水，与地表河流水质无关，实现了近丰堠沟河下安全开采。