赵固二矿露头区域二1煤层合理开采上限研究

高 山

(焦作市宏图矿业设计有限公司，河南 焦作 454002)

1 概述

焦作煤业(集团)新乡能源有限公司(简称“赵固二矿”)为一新投产矿井。井田东西长约15km，南北宽2～5.5km，总面积37km2。矿井设计生产能力为1.80Mt/a，可采储量为139.86Mt，服务年限为55.5a。矿井主采二1煤层，煤厚4.73～6.77m，平均为6.16m，开采标高-500m～-1100m。

井田总体为一走向北西、倾向南西、倾角4～10°的单斜构造，东北部隐伏露头区煤层顶板覆岩厚度薄。基岩风化带含水层主要位于井田东部二1煤层隐伏露头附近，一般厚20～35m。根据钻孔资料，单位涌水量0.135L/s·m，属中等富水含水层。

煤层隐伏露头区域工作面开采受新近系砂砾含水层及基岩风化带含水层的威胁。矿井原设计采用综采分层开采，对于新近系含水层留设露头防砂煤岩柱40m、防水煤岩柱75m。11011工作面为矿井的首采工作面，由于受上述水体威胁，采用分层综采，目前上分层已安全回采完毕。矿井正开采11050工作面，采煤方法采用一次采全高综采，为降低导水裂缝带对含水层影响，在基岩厚度小于70m区域限厚5m开采。目前工作面已经推进1000余米，涌水量稳定在20m3/h左右，为顶板砂岩裂隙水，没有发生砂砾含水层出水、溃砂的现象。

在煤层隐伏露头区域，由于限厚开采及采煤工艺的不同，不仅损失了大量的煤炭资源，而且增加了生产管理、通风和掘进的困难，同时生产过程中也隐含着不安全的因素。为保障露头区域工作面高产高效安全回采，有必要对安全煤岩柱留设类型与合理开采上限进行论证。

根据目前掌握的资料，大采高综采与分层综采相比，其开采强度大大增加，采煤成本明显降低，采煤工作效率和矿井经济效益显著提高，但大采高开采覆岩破坏程度明显高于分层综采。因此，赵固二矿在煤层隐伏露头区域松散层下部砾石层含水层及基岩风化带含水层下，工作面开采由分层开采或限厚开采变为留设防砂安全煤岩柱实现一次采全高综采(简称“大采高”)，对赵固二矿实现高产高效、安全生产具有重要意义。

2 顶板水文地质条件及富水性对采煤影响分析

2.1 隐伏露头区域简介

隐伏露头区域位于一盘区及二盘区中东部。松散层下部发育有砾石层，富含泥质或夹有黏土薄层，呈半固结状态，渗透率介于含水与弱透水之间。基岩风化带含水层主要位于井田东部二1煤层隐伏露头附近，一般厚20～35m，局部为中等富水含水层。新近系底部砂砾石层孔隙水及基岩风化带含水层对矿井生产有一定威胁。

2.2 露头区上覆含水层对开采影响的分析

露头区顶板含水层主要有：二1煤顶板砂岩含水层、基岩风化带含水层、新近系底部砂砾石含水层及地表水和新生界浅部孔隙水含水层。结合露头区钻孔及探查钻孔所揭露的水文资料，各含水层对开采影响程度分析如下。

2.2.1 二1煤顶板砂岩含水层

主要由大占砂岩和香炭砂岩组成，厚10m左右，所揭露钻孔均未发生涌、漏水现象，属孔隙裂隙弱富水含水层，水位标高+67.78m。井田区内埋藏深度在400m以上，除在东部隐伏露头带接受新近系或第四系砂砾层孔隙水补给外，直接或间接接受大气降水和地表水补给的条件均较差。该含水层位于二1煤层工作面导水裂缝带范围内，将成为露头区煤层开采直接充水含水层。由于富水性弱，正常情况下通过采前钻孔疏降，边采边疏，基本达到疏干状态，在采煤过程中对生产影响不大。

2.2.2 基岩风化带含水层

该含水层由隐伏出露的不同岩层组成，一般厚20～35m，富水性极不均匀，仅局部达到中等富水性，大部分为弱富水性。另外，风化带岩体呈碎块状，流动性差，难以溃入工作面。如果留设防水安全煤岩柱，将导致大量煤炭资源压滞。因此，采用采前钻孔探放，工作面边采边疏的方法，可使工作面上方该含水层基本达到疏干状态。

2.2.3 新近系底部砂砾石含水层

该含水层由砾石、砂砾石组成，属中等富水含水层。砾石层富含泥质或夹有黏土薄层，其底部分布有厚层黏土或砂质黏土层，厚0～53m。所以，新近系底部砂砾石含水层对采煤影响总体有限。

2.2.4 地表水和新生界浅部孔隙水含水层

该含水层由于距二1煤间距很大，新近系地层发育有数层隔水性能良好、厚度较大的黏土和砂质黏土层，因此，在煤层开采期间该含水层对矿井不构成充水威胁。

综合上述资料可知，对工作面开采有影响的顶板含水层有顶板砂岩含水层、基岩风化带含水层及新近系底部砂砾含水层。

3 露头区域安全煤岩柱留设与二1煤层开采方案及开采上限的确定

3.1 安全煤岩柱留设原则

3.1.1 防砂安全煤岩柱留设原则

底界面下为稳定的厚黏性土隔水层或有疏降条件的松散层和基岩弱含水层水体，在其下部开采二1煤层时，允许导水裂缝带波及松散孔隙弱含水层水体，但不允许垮落带波及该水体，必须留设防砂安全煤岩柱。防砂安全煤岩柱垂高(Hs)应大于或等于垮落带的最大高度(Hm)加上保护层厚度(Hb)，即。

3.1.2 防水安全煤岩柱留设原则

底界面下无稳定的泥质岩类隔水层的基岩强、中含水层水体，在其下部开采二1煤层时，不允许导水裂缝带波及到水体，必须留设防水安全煤岩柱。防水安全煤岩柱垂高(Hsh)应大于或等于裂缝带的最大高度(Hli)加上保护层厚度(Hb)，即：

Hsh≥Hli+Hb

3.2 二1煤层开采方案及覆岩破坏高度预计

3.2.1 开采方案

二1煤为厚煤层，煤层平均厚6.16m，最大厚6.77m。根据不同开采方法对覆岩破坏的影响，以及工作面采煤设备参数，选择以下开采方案。

方案1 基岩厚度大的区域，一次采全高。工作面产量高，易实现高产稳产。采高平均为6.16m。

方案2 基岩厚度较大的区域，分层开采。资源采出率高，覆岩破坏程度较一次采全高低。第1分层采高3.50m，第2分层采高2.66m。

方案3 基岩厚度薄的区域，只开采顶分层。工作面产量较高，尽可能回收煤炭资源，同时降低覆岩破坏高度，顶分层采高3.50m。

3.2.2 覆岩破坏高度预计

分别按大采高开采、分层开采和采顶分层的覆岩破坏高度经验公式预计垮落带和导水裂缝带高度。

(1)一次采全高(采高6.16m，中国矿大综放开采经验公式)

式中，Hm为垮落带高度，m；Hli为导水裂缝带高度，m；M为煤层采厚，m；采用一次采全高采煤法，计算采用煤层全厚平均值为6.16m。

(2)分二层开采(煤层全厚ΣM平均为6.16m，“三下”开采规程中的计算公式)

(3)只开采顶分层(煤层顶分层厚ΣM平均为3.5m，“三下”开采规程中的计算公式)

3.3 开采上限的确定

3.3.1 最小防砂、防水安全煤岩柱厚度确定3.3.1.1 安全煤岩柱保护层留设

根据赵固二矿实际开采资料，最小防砂安全煤岩柱保护层留设：大采高开采保护层厚度为3.8A；分层开采的保护层厚度为4.8A。最小防水安全煤岩柱保护层留设：大采高开采保护层厚度为3.8A；分层开采的保护层厚度为6A。A为煤层一次开采厚度。

3.3.1.2 最小防砂、防水安全煤岩柱厚度确定

露头区域基岩标高差异较大，因此难以采用标高的方式确定开采上限，而是采用基岩柱厚度的方法。最小防砂、防水安全煤岩柱厚度见表1，表2。

表1 最小防砂安全煤岩柱厚度

表2 最小防水安全煤岩柱厚度

3.3.2 开采上限的确定3.3.2.1 防砂煤岩柱区域(参照表1)

在基岩柱厚度大于60m区域采用大采高一次采全高；在35～60m区域采用分二层开采；在30～35m区域采用顶分层开采，采高3.5m；小于30m的区域不予开采。

按防砂煤岩柱留设，矿井原设计开采上限：基岩柱厚度为40m。现确定开采上限：基岩柱厚度为30m，相比前者减少了10m。

3.3.2.2 防水煤岩柱区域(参照表2)

在基岩柱厚度大于110m区域采用大采高一次采全高； 在75～110m区域采用分二层开采；在70～75m区域采用顶分层开采，采高3.5m；小于70m的区域不予开采。

按防水煤岩柱留设，矿井原设计开采上限：基岩柱厚度为75m。现确定开采上限：基岩柱厚度为70m，相比前者减少了5m。

4 结论

根据赵固二矿的具体情况，通过理论计算，合理确定在隐伏露头区域二1煤层的开采上限。与矿井原设计相比：防砂煤岩柱区域开采上限由基岩柱厚度40m降至30m；防水煤岩柱区域开采上限由基岩柱厚度75m降至70m。因此，露头区域二1煤层开采范围相应增加，可增加可采储量0.76Mt，增加销售收入4.5亿元。该研究成果不仅为矿井在隐伏露头区域安全、高效地开采二1煤层提供技术支撑和理论依据，还可给矿上带来显著经济效益。

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