复杂水文地质条件下大采高综放开采的实践

金向阳

（1.中国矿业大学 （北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083；2.天地科技股份有限公司国内成套装备部，北京市朝阳区，100013）

复杂水文地质条件下大采高综放开采的实践

金向阳1，2

（1.中国矿业大学 （北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083；2.天地科技股份有限公司国内成套装备部，北京市朝阳区，100013）

罐子沟煤矿水文地质条件局部复杂，主采6＃煤层为近水平煤层，平均厚度15.85 m。通过采取水文地质分区、地面疏排水和采掘工作面探放水相结合的方法，成功实现了大采高综放开采。

大采高 综放工作面 复杂水文地质 水文分区 地面预抽 探放水

1 罐子沟煤矿井田概况

罐子沟煤矿位于准格尔煤田南部区，隶属鄂尔多斯市准格尔旗龙口镇管辖，井田面积17.1673 km2，矿井设计生产能力为3.0 Mt／a。井下现布置一个综放工作面。

井田含煤地层沿走向、倾向产状变化不大，总体构造形态呈走向近东西，倾向近北，倾角1～5°的单斜，但沿走向、倾向均发育有相应的波状起伏；未发现较大的褶皱及对煤层具明显破坏的断层等构造，党家阳坡正断层的北部延伸进入井田的西南部边缘，该断层走向近南北，倾向西，倾角70°，进入井田的部分，断层上下盘断距为50 m，对区内岩煤层影响破坏较小。本区构造复杂程度属简单类型。

井田内主采煤层为6＃煤层，埋藏深度在100～240 m之间，一般埋深在200 m左右。6＃煤层厚度3.36～23.80 m，平均厚度15.85 m，厚度和层位均较稳定。煤层结构复杂，含夹矸0～14层，夹矸岩性大多为粘土岩、泥岩、炭质泥岩。6＃煤层直接顶板为粗砂岩或泥岩，平均厚度5 m；老顶为灰白色砂质泥岩，平均厚度5 m。顶板属半坚硬岩石。

2 水文地质条件

罐子沟煤矿位于准格尔煤田南部的罐子沟流域，罐子沟流经矿井的北、东部。矿井南为老赵山梁背斜，西为沙沟背斜，东部紧邻罐子沟向斜轴部，因而矿井主要含水地层具有南高北低、东、西高中间低的空间分布特征，罐子沟煤矿位于上述构造的复合部位。因而节理裂隙较为发育，含水层富水性较好。

（1）含水层及其特征。主要含水层自上而下为第四系松散岩类冲洪积 （Q4al＋pl）孔隙含水层、第四系上更新统 （Q3eol）黄土裂隙孔隙含水层及二叠系下统山西组下段 （P1s1）碎屑岩类裂隙含水层。其中，对6＃煤层开采影响较大的是二叠系下统山西组下段碎屑岩类裂隙含水层，该含水层位于6＃煤层顶板以上，称为6＃煤层顶板砂岩裂隙含水层。该含水层厚度1.90～47.01 m，平均18.49 m。6＃煤层顶板砂岩裂隙含水层富水性变化大，单位涌水量0.00004～37.889 L／s·m。沿罐子沟分布的钻孔单井涌水量较大，靠近分水岭的钻孔，单井涌水量小。

（2）隔水层及其特征。主要隔水层自上而下为第三系上新统粘土隔水层和6＃煤层顶板泥岩隔水层。第三系上新统粘土隔水层厚度0～61.60 m，在各沟谷中变薄或缺失；6＃煤层顶板泥岩隔水层厚度0.70～15.65 m，隔水性能良好，但6＃煤层的开采将使该隔水层垮落。

（3）矿井充水因素分析。该矿曾发生两次突水，最大突水量达15598 m3／h，突水层位为6＃煤层顶板砂岩裂隙含水层。根据水文地质条件、矿井采掘中突水情况分析，罐子沟煤矿采掘6＃煤层的充水水源主要为该煤层顶板砂岩裂隙水。在采掘过程中必将大面积揭露顶板砂岩，并产生直接涌水。从矿井以往生产情况看，初期揭露涌水量大，随后涌水量减少，常在228～310 m3／h之间；大气降水和第四系冲洪积砂砾石层潜水可通过裂隙直接补给6＃煤层顶板砂岩裂隙含水层，成为开采6＃煤层的间接充水水源；沟谷地表水在砂岩裸露地段可直接补给砂岩裂隙含水层。

（4）井田水文地质勘查类型及复杂程度评价。井田开采6＃煤层，受采掘破坏和影响的含水层主要为山西组下段砂岩 （6＃煤层煤顶板砂岩）含水层，其下距6＃煤层0.7～15.65 m，以裂隙水为主。含水层厚度1.9～47.10 m，地面单孔涌水量为0.0002～132.984 m3／h，井下开采涌水量一般在228 ～310 m3／h，单位涌水量 0.0002 ～37.89 L／s·m，富水性极不均一。地下水的补给主要为大气降水和地表水及冲洪积层孔隙水的补给，含水层补给条件一般，地下水以静储量为主。煤层上覆岩层相对薄，采动后冒落带高度和裂隙带高度穿透含水层，地面沉陷量相对较大，由于地处干旱缺水地区，防治水工作易于进行。根据上述分析，本矿井水文地质条件为简单～复杂类型。

3 采煤方法

6＃煤层可选择的采煤方法有分层综采、分层综放、大采高综放。本矿井6＃煤层厚度变化大、无明显标志层，因此，分层综放上分层厚度不容易控制，管理难度大，实施困难，设计不予采用；大采高综放具有对煤层厚度变化适用性强、工作面生产能力大、系统简单、煤炭回采率高等优点，是特厚煤层开采的发展方向，因此，推荐本矿井6＃煤层采用大采高综放开采。但由于6＃煤层水文地质条件局部为复杂，根据 《煤矿安全规程》68条规定，水文地质条件复杂的矿井，不能采用放顶煤开采。因此，对于6＃煤层的开采，设计采取防治水综合措施，将矿井水文地质条件复杂程度降至中等后，采用大采高综放开采。

4 防治水措施

设计采用补充勘探、水文地质分区、地面疏排水与井下探放水相结合的综合防治水措施。

4.1 水文地质补充勘探

根据对矿井水文地质条件的分析研究，认为6＃煤顶板砂岩裂隙含水层是本矿井的主要充水含水层，因此为查清其水文地质条件、富水性特征，进行补充勘探。水文地质补勘采用水文地质调查、水文地质钻探、电测井、物探、单孔和群孔抽水试验、水样和岩样化验、动态观测、工程测量等综合勘查手段，勘探成果可靠。水文地质补充勘探时，钻孔尽可能一孔多用。如排水孔兼作供水孔，大口径钻孔兼作探水疏干孔。补堪共布置钻孔18个，其中大口径抽水孔7个，编号为水1～水6和中观；小口径抽水观测孔7个，编号为观1～观7；探水疏干孔4个，编号为水7～水9和疏9，见图1。

4.2 水文地质分区

根据水文地质勘查资料，根据突水危险性大小及水力联系，将6＃煤顶板砂岩裂隙水划分为4个区，如图1所示。

Ⅰ区突水危险性较小，该区富水性较强，补给量较大，但煤层顶板砂岩裂隙含水层动水位已接近含水层底板，因此，只要在采掘生产中提前疏放顶板水，就不会诱发大的突水灾害；Ⅱ区突水危险性小，该区富水性较差，且煤层顶板砂岩裂隙含水层动水位已接近含水层底板，因此，不会诱发大的突水灾害；Ⅲ区突水危险性较大，该区富水性较强，且煤层顶板砂岩裂隙含水层动水位高于含水层底板；Ⅳ区远离罐子沟，群孔抽水试验发现该区与Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区没有水力联系，突水危险性小。突水危险性为：Ⅳ区＜Ⅱ区＜Ⅰ区＜Ⅲ区。

图1 6＃煤层开采顶板涌 （突）水条件综合分区及地面疏排水钻孔布置图

4.3 地面疏排水

（1）地面水防治。矿井四周修排水沟渠、清理河道、取消堤坝，防止地面水补给砂岩裂隙含水层。

（2）地面预抽顶板砂岩裂隙含水层水。根据前面分析，Ⅲ区距离罐子沟近，水文地质条件复杂，突水危险性大，必须将工作面砂岩裂隙含水层水位降至含水层底板。因此，设计采取地面钻孔预抽水的方法降低水位。在Ⅲ区6103工作面附近，沿裂隙发育带、富水地段结合地形等施工条件布置8口疏排水井，编号为疏10～疏17，见图1，孔深105～150 m，每孔排水量100 m3／h，加上井下探放水孔130 m3／h、水3孔280 m3／h和疏9孔 180 m3／h，Ⅲ区附近总排水量为1390 m3／h，294 d可疏干该区静储量。

4.4 井下探放水

单纯依靠地面疏排水或井下排水很难解决矿井水患问题，井下探放水钻探工程弥补了地面钻探工程量的不足，采取地面预抽与井下排水相结合。

掘进工作面采取超前物探和钻探，确保施工安全。在掘进工作面后方的巷道内每隔50 m布设两组钻场，分布在巷道两侧。每个钻场内按不同角度布置5个钻孔，穿透顶板含水层，使工作面顶部形成35 m×50 m的钻孔密度，安设压力表或控制阀门。

5 综放开采的实践

采取上述的防治水措施后，矿井疏干井在疏干前涌水量68～106 m3／h，疏干后涌水量8.1～9.8 m3／h。目前，井下正常涌水量90 m3／h左右。经过地质公司重新评价，水文地质条件为中等类型，可采用综放开采。

矿井先期开采突水危险较小的Ⅱ区6101、6102工作面。6101工作面煤层厚度12 m，采高3 m，放煤高度9 m，于2008年6月开始试采，至2008年11月开采结束，最大日产量1.5万t。6102工作面煤层厚度12 m，采高3 m，放煤高度9 m，于2009年2月初采，至2009年12月开采结束，最大日产量1.6万t。平均月产量25万t；6105工作面层厚度15 m，采高4 m，放煤高度11 m，于2009年12月初采，至2010年12月开采结束，最大日产量2.5万t。平均月产量35万t。上述3个回采工作面涌水量在3～10 m3／h。

6 结语

实践证明，对于水文地质条件复杂、开采特厚煤层的矿井，在采取补充水文地质勘探、水文地质分区、地面疏排水与井下探放水相结合的措施后，重新评价水文地质条件，在满足规程规范要求的情况下，采用大采高综放开采是能够取得成功的，对类似条件的矿井，有一定的指导意义。

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Practice of fully-mechanized cavingwith large mining height in complex hydro-geological condition

Jin Xiangyang1，2
（1.Faculty of Resourcesand Safety Engineering，China University of Mining＆Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China；2.Domestic Equipment Department，Tiandi Science and Technology Co.，Ltd.，Chaoyang，Beijing 100013，China）

The hydro-geological condition of Guanzigou Mine is very complex，and the average thickness of main mining No.6 coal seam is 15.85m，which is a nearly horizontal seam.Through the combined method of hydro-geological partition，ground drainage，and water detection ＆drainage in mining face，the fully-mechanized caving with large mining height has been achieved.

large mining height，fully-mechanized caving face，complex hydro-geology，hydrological partition，ground pre-drainage，water detection and drainage

TD 823.97

A

金向阳 （1980-），男，吉林榆树人，高级工程师，中国矿业大学 （北京）在读工程硕士，在天地科技股份有限公司国内成套装备部从事技术工作。

（责任编辑 张毅玲）