港口煤矿大冶湖下开采实践与认识

文学宽，黎 灵，李 健

(煤炭科学研究总院矿山安全技术研究分院，北京100013)

1 概况

港口煤矿是湖北省黄石市金海煤炭开发区5对矿井之一，设计生产能力0.15Mt/a。该矿处在大冶湖区之下，水文地质条件复杂，长期处于被关停状态。由于与其他4个煤矿为同一水文地质单元，水力联系密切，该矿的开采制约着其他矿井的安全开采。从2000年开始，煤炭科学研究总院、武汉煤矿设计研究院多次对大冶湖下开采进行可行性论证、设计，2003年批准试采。

2008年5月按照设计:在湖区－78m标高以下进行了顶水试采，采出近万吨煤炭，采后未发生湖水下渗、矿井涌水量增加现象，达到了预期效果。

2 矿井水文地质条件

港口井田走向长1.4km，倾斜宽1.8km，开采二迭系龙潭煤组2号煤层，煤层厚度0～4.51m，平均1.91m，倾角0～26°。矿井开拓方式为片盘斜井，走向短壁炮采。井田滨临长江，大冶湖区之下，水文地质条件复杂，对开采有影响的水源和水体有以下4类:

(1)地表水 井田地表水发育，井田中、深部之上的大冶湖面积60km2，最长处达40km，最高洪水位23.66m，与长江相通，是长江的分洪区。井田浅部有大冶河穿过，宽120m，深6m，下行16km可达长江。地表水为矿井关停的主要水体。

(2)地下水 港口井田煤系之上的主要含水层为:第四系坡积残积亚黏土夹碎石孔隙含水层，厚度3～10m，含水性弱;大冶灰岩第二层 (T1d2)岩溶裂隙含水层，局部可见溶蚀现象，且厚度达50m，但单位涌水量不大，仅为0.00023L/s·m，为富水性弱的含水层，且其下赋存有厚达60m的大冶灰岩第一层 (T1d1)相对隔水层阻隔，该含水层对矿井开采影响不大。

(3)断层的富水性和导水性 井田内分布的断层共3条，其中F2断层将港口井田分隔为南北2个区域。该断层为逆断层，倾角50～70°，断距25～80m，据抽水资料，该断层的导水性很强，可能成为矿井充水通道。

(4)小煤窑采空积水 港口井田范围内，小煤窑星罗棋布。上世纪80年代，受“有水快流”和其他因素的影响，小煤窑急剧增加，井口多达100多处。小煤窑采空区无疑存在大量积水，由于处在露头，易接受大气降水的补给，因此，是中深部煤层开采的充水水源和大气降水进水通道。

3 水体下开采安全技术措施

3.1 大冶湖下开采上限的合理确定

水体下压煤安全开采的关键是开采上限，过高不安全，过低会丢煤。开采上限确定的依据是防水安全煤柱高度。根据“三下”采煤规程，直接位于基岩上方的大冶湖下采煤必须留设防水安全煤柱。按照防水安全煤柱高度确定的开采上限才能实现大冶湖下安全开采。

3.1.1 防水安全煤柱高度计算

“三下”采煤规程规定:防水安全煤柱的垂高应等于覆岩破坏导水裂缝带的最大高度加上保护层的厚度，即:

式中，H水为防水安全煤柱高度，m;H裂为导水裂缝带高度，m;H保为保护层厚度，m。

导水裂缝带最大高度与采空区顶板岩性、煤层倾角，开采厚度有关。湖区下煤层厚度平均为1.91m，煤层的倾角为0～26°，故按缓倾斜煤层计算公式计算H裂。

采空区顶板岩性是影响导水裂缝带高度最主要因素之一，湖区下煤层直接顶为8m左右的软弱岩层，直接顶以上的基本顶为厚层的石灰岩，抗压强度均在60MPa以上，为坚硬岩层，故选用坚硬型公式预计导水裂缝带的高度，即:

由公式 (1)计算:式中，H裂为导水裂缝带高度，m;∑M为累计开采厚度，取2.0m;±8.9为计算中误差，与岩性有关，取8.9m。导水裂缝带最大高度计算结果为54.4m。

由公式 (2)计算:

导水裂缝带最大高度计算结果为52.4m。取两式中的最大者，即导水裂缝带最大高度54.4m。

由于大冶湖底部有厚层湖积黏土隔水层，按4倍采厚选取，其保护层厚度H保为8.0m。

根据湖下开采后计算的导水裂缝带最大高度为54.4m和保护层的厚度为8.0m，得出大冶湖下防水煤柱高度H水为62.4m，取62m。

3.1.2 开采上限的确定

根据港口井田剖面图，按湖区第四纪黏土层底部最低标高－10m，确定出大冶湖下开采上限为－72m(见图1)。

3.1.3 开采上限的保障措施

图1 大冶湖下防水安全煤柱设计及开采上限

大冶湖下确定的开采上限－72m标高，与矿井第一生产水平标高一致。为了避免留设的防水安全煤柱缩小，矿井停止了水平大巷以上煤层的开采，并封闭了通往上山采场的通道。矿井限制在确定的开采上限之下进行开采，试采工作面回采标高为－78m，比设计的开采上限低6m。

3.2 留设断层防隔水安全煤柱

地质构造对水体下采煤的威胁和危害是很大的。据统计，全国矿井水害的80%是断层导水通道造成的。特别是当采掘工作接近到较大的断裂带时，可能发生宝塔形破坏，冒落带和导水裂缝带高度会增加，防水安全煤柱遭到破坏。

对于井田范围已探明的导水性强的F2断层，留设了宽度为70～110 m的防隔水安全煤柱。在湖下工作面布置时，根据地质资料，均避开了断层。掘进过程中，如发现断层的迹象，采取了“有疑必探，先探后掘，先治后采。”

3.3 截排浅部小煤窑采空区积水

为了避免浅部小煤窑采空区成为中深部煤层开采的充水水源和大气降水进水通道，矿井建立了浅部截排水系统。利用原庆利煤矿的井筒作为专用排水井，在形成独立通风、供电、排水系统的基础上，将浅部老窑积水和地表水截流在－72m标高的废弃巷道内，通过水沟由南向北流入水仓，由2台125D－25×5离心式水泵和2趟D159×4无缝钢水管排至地面。浅部截排水系统的建立，实现了矿井浅部水浅排、深部水深排、节约能源、减少排水费用的目的。

3.4 地表水防治综合措施

(1)加高加固大冶湖堤 为防止雨季大冶湖水上涨，湖水溃堤淹没矿区茅口硅质岩出露地区及小窑塌陷区，湖水将通过茅口硅质岩或老窑采空区直接补给井下，使矿井涌水量增加，从2002年开始就对大冶湖堤进行了加高加固。近几年来，投入2900多万元加高加固湖堤，堤坝由18m标高加高到23m以上，迎水面抛石防浪。每年雨季之前对湖堤进行检察，发现开裂等及时进行修补加固。

(2)提高井口标高 港口煤矿是资源整合、重组矿井，全矿井有6个斜井，井口分布在露头、湖畔，井口标高一般为21m，大冶湖洪水位曾达到23m。为了防止雨季湖水暴涨倒灌，矿井根据斜井井口特点，采取加长井筒措施，从而提高了井口标高。

(3)封填小煤窑塌陷区 对矿井开采范围内的小煤窑塌陷区周围疏通沟渠，避免地表水直接流入塌陷区内。对已勒令停产的小煤窑进行了治理，如井口支护尚未垮塌，且井口标高偏低的，采取先炸井口，再复盖2m以上的黄土填平压实;对有的井口虽已垮塌，但井口标高偏低，也采取了黄土填平压实;对井口标高较高或不见井口，但有积水的塌陷区进行了回填。

4 大冶湖下开采的认识

港口煤矿在大冶湖下已安全开采4年多时间，采出20多万吨煤炭。在总结安全开采经验的同时，结合大冶湖下开采条件的分析，得出大冶湖区下安全开采的原因，并通过采后观测资料的分析，对位于长江中下游大型水体下、不稳定煤层开采有了一些认识。

4.1 湖底黏土层是安全开采的重要因素

大冶湖区面积60km2，水深6m，汛期洪水位可达20m以上，从水体大小来看仅次于海区。通过大冶湖下的开采证实:由于湖区处在长江中下游平原地带，江水流速减缓，江水中从上游携带的粉细土有利于沉积，在湖底形成淤泥层。大冶湖底就有厚达10～25m稳定的第四系湖积黏土层，这些湖积黏土层因厚度大，塑性强，隔水性好，可以隔阻湖水与矿井含水层的直接水力联系。

湖下开采后，若湖底基岩表面出现拉伸裂缝，由于湖积黏土层含水量饱和，具有良好的可塑性，当采动裂缝一出现就会由这些湖泥塑变而自动封闭，湖水下渗通道被堵，从而使湖下开采安全。

4.2 “两带”高度低于按“规程”的计算

大冶湖下首采面试采结束后，对覆岩破坏“两带”高度进行了探测，实测导水裂缝带最大高度为27m，比按照“三下”采煤规程计算公式计算的导水裂缝带最大高度54.4m低了27.4m。分析其原因，“三下”采煤规程计算公式是根据长壁工作面连续推进50m，回采空间达到5000m2以上的条件下得出的，而大冶湖区下煤层与湖北省其他矿区煤层类似，地质构造复杂，煤层不连续，厚度变化大，工作面难以按壁式布置，回采不连续，采空面积达不到导水裂缝带最大高度的要求，所以“两带”高度低于按“规程”计算的高度。

4.3 大冶湖下有提高开采上限的可能

由于大冶湖水底界面之下有厚达10～25m稳定的第四系湖积黏土层，煤层厚度变化大，煤层不连续，单一回采面积小，覆岩导水裂缝带高度偏低的实际，在武汉煤矿设计研究院设计的开采上限基础上存在提高的可能。“三下”采煤规程第50条对类似大冶湖这种水体，可以留设防砂安全煤岩柱。防砂安全煤岩柱比防水安全煤岩柱的高度低，其开采上限也就相应提高了。

5 结束语

湖北港口煤矿大冶湖下压煤开采，十几年的时间里，经过多家科研院所的论证，当地各级政府组织召开了多次专家评审，最终实现了安全开采。

通过大冶湖下安全开采实践和对开采条件的进一步分析发现，大冶湖由于所处的地理环境，具备了水体下开采得天独厚的条件，为安全开采打下了基础。

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