多伦协鑫煤矿一采区延伸开采可行性分析

许延春，曹旭初，李江华，高玉兵

(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京100083)



多伦协鑫煤矿一采区延伸开采可行性分析

许延春，曹旭初，李江华，高玉兵

(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京100083)

［摘要］为了安全合理地解放多伦协鑫煤矿一采区含水层下压煤及缓解工作面接续紧张的状况，运用地质勘查、实验室实验以及理论分析等方法论证了二采区变防水煤岩柱为防砂煤岩柱综放开采的可行性，从而实现一采区向二采区的延伸开采。通过现场实测、相似模拟、数值模拟以及经验公式的方法对“两带”高度进行计算比较，确定经验公式法更为安全合理，最后选择合理公式反算各区域的最大采高，为实现一采区向二采区延伸并解放大量含水层压煤提供了依据，为煤矿生产带来显著经济效益。

［关键词］采区延伸;综放开采;“两带”高度;煤岩柱留设

［引用格式］许延春，曹旭初，李江华，等.多伦协鑫煤矿一采区延伸开采可行性分析［J］.煤矿开采，2015，20 (2) : 20－23.

多伦协鑫井田煤炭资源储量140.26Mt，设计生产能力1.20Mt/a，主采7号煤层，该煤层平均厚度15.80m，含煤地层赋存于一个长6000m、宽300～1400m，南北拉伸延展的断陷向斜盆地中。矿井一水平划分为3个采区，井田中南部基岩(煤层以上、第三系砂砾含水层以下的岩层)厚度较大的区域以及井田中部“古河道”含水层影响区和井田北部补勘区均划分为一采区;井田南部基岩厚度80～140m的区域划分为二采区;井田中部西侧煤层倾角大的区域划分为三采区。一采区1702－1等工作面已经成功变防水安全煤岩柱为防砂安全煤岩柱，进行分层综放开采。二采区覆岩厚度与一采区工作面相近，若能留设防砂安全煤岩柱，与一采区统一开采方式，即采用分层综放开采，不仅能大大提高开采强度，降低采煤成本，而且可以通过一采区向二采区延伸的方式联合开采，从而增加单面推进长度，减少工作面搬家次数，缓解采掘接续紧张的局面。同时，可简化矿井生产管理，优化矿井通风［1］。

1　矿井水文地质概况

井田位于多伦断陷盆地，低山丘陵与河谷平原的过渡带，总体为西北高，东南低，无地表水体(河、湖、水库)分布及地下水出露。主要含水层为第四系粉细砂潜水，第三系上新统气孔状玄武岩孔洞裂隙承压水，第三系底部砂砾岩孔隙承压水(以下简称:第三系砂砾岩含水层)以及白垩系下统砂岩孔隙、裂隙承压水。第三系上新统黏土层和玄武岩组成一个厚层隔水层(组)，基本遍布全区，可有效阻隔第四系粉细砂潜水和第三系上新统气孔状玄武岩孔洞裂隙承压水向矿井直接充水。白垩系下统砂岩孔隙、裂隙承压水由于富水性弱，可采取工作面边开采边利用采动裂隙疏降的方法，最终疏干该含水层。因此，此3层含水层均不会对矿井和工作面安全开采构成威胁。

第三系砂砾岩含水层厚度为5～50m，平均厚度为30m，顶部局部区域因黏土层尖灭而与第四系中、下统粉细砂含水层接触，可接受其下渗补给，局部具影响范围广、连通性较强的特征。该含水层距7煤顶板距离近，下部没有黏土层存在，采动裂隙将可能使工作面与该含水层导通，因此是矿井主要防范的含水层，也是决定二采区相关工作面是否能够进行综放开采的关键地层。

2　二采区综放开采可行性分析

2.1二采区概况

二采区总面积892264m2，南北走向长897m，东西倾向宽1000m左右，成近似四边形，7煤上分层东西边界露头为采区边界。煤层底板标高950～1100m，埋藏深度为0～250m，采区北部中间煤层埋藏最深，向南向东西两侧逐渐变浅，煤层随之变薄，呈盆地状分布。二采区上部地表钻孔揭露地层岩性与参数见表1。

表1　二采区上覆地层岩性与参数

根据钻孔资料可知，7号煤顶分层平均厚度6.68m，属较厚煤层，能够满足综放开采要求。第三系黏土层厚度为13.85～40.02m，厚度较大，全区均匀分布，钻孔取样并进行土工实验，得出第三系黏土层孔隙比平均为0.507，天然含水率在15.8 ～19.5之间，表明土样的天然含水率较低，孔隙比较小，渗透性不强，土样在自然状态下吸水性差。土样的塑性指数为17%～26.7%，液性指数－0.7～－0.3，表明该黏土为坚硬半固结状态，具有良好的隔水性和比较差的流动性。同时，根据有效隔水厚度的概念，最小厚度3m以上的黏土层足可以阻隔上覆水体下泄［2］。综合分析认为，该黏土层满足隔水防砂要求。

底部第三系砂砾含水层，厚度为0～30.61m，部分地区该含水层缺失，此含水层富水性强弱是决定二采区煤岩柱留设类型的关键因素。该含水层下方基岩厚度40.87～208.89m，且在砂砾含水层厚度较大的区域基岩厚度也较大，一般在120m以上，这种岩层特征减小了在厚度较大的第三系砂砾含水层下采煤的安全威胁。

2.2第三系砂砾含水层富水性评价

为准确分析二采区上覆含水层富水性特别是第三系砂砾含水层富水性，施工09－S1和09－S2水文补勘孔进行观测，结果表明第三系砂砾岩含水层渗透系数为0.052～0.340m/d，单位涌水量为0.0146～0.0517L/ (s·m)。根据《煤矿防治水规定》，第三系砂砾含水层属弱富水性含水层［3］。

为进一步验证该含水层富水性，施工09－Y1井下仰上孔进行探放水试验，试验结果见表2。探放水期间地面09－S1和09－S2水文孔的水位变化见表3。

表2　09－Y1仰上孔试验结果

表3　探放水期间水文孔水位观测结果

井下探放水钻孔09－Y1的探测结果表明，白垩系顶部砂岩含水层涌水量为0.30m3/h，富水性弱，利用采动裂隙疏降的方法能够疏干该含水层，因此不会对工作面安全开采构成威胁。第三系砂砾岩含水层涌水量为1.90～2.79 m3/h，为弱富水性，与水文孔的探测结果一致。同时，井下探放水期间，两水文孔水位明显下降，表明该砂砾含水层连通性较强，井下探放水对疏放底部砂砾岩含水层具有一定的可操作性。

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》第50条，有疏降条件的松散层和基岩弱含水层，允许导水裂缝带波及松散层的弱含水层水体，但不允许垮落带波及该水体，要求留设的安全煤岩柱类型为顶板防砂安全煤岩柱［4］。第三系砂砾含水层富水性弱，并且具有疏降条件，因此可以留设防砂安全煤岩柱进行开采。根据水文防治工作经验，厚度大于20m的第三系含水层富水性一般为中等，为确保安全开采，仍留设防水安全煤岩柱。

综上所述，二采区大部分区域具备变防水煤岩柱为防砂煤岩柱分层综放开采的条件，部分第三系砂砾含水层厚度大于20m的区域，为了统一开采方式，保证安全开采，可以留设防水煤岩柱限厚综放开采。

3　延伸区域煤岩柱计算

3.1“两带”高度预计

“两带”高度预计方法一般有两种:一种是现场实测、数值模拟、相似模拟等方法，其中数值模拟与相似模拟方法作为验证实测值的一种辅助手段;另一种是经验公式法，这种方法根据各个矿区的实测“两带”高度，进行数据统计得出的经验算法，具有普遍的适用性。为了准确地预计二采区综放开采条件下的“两带”高度，决定两种方法均采用，最后进行比较，选择更加安全合理的方法。

现场在多伦协鑫矿1703－1工作面采空区地表布置2个“两带”观测钻孔，编号09－SD1和09－SD2，并根据该矿区地质特征进行了“两带”高度的相似模拟实验(图1)和数值模拟分析(图2)，计算结果见表4。

图1　“两带”高度相似模拟实验

图2　数值模拟分析表4 1703－1工作面垮采比与裂采比计算结果

观测方法　采高/m　垮落带高度/m垮采比导水裂缝带高度/m裂采比实测09－SD1　9.58　54.00　5.60　112.00　11.69 09－SD2　9.09　51.00　5.61　111.00　12.21相似模拟　8.00　40.00　5.00　110.00　13.75数值模拟　8.00　42.00　5.25　108.00　13.50

由表4可以看出，相似模拟和数值模拟计算出的垮采比、裂采比与实测值相近，偏差不大，验证了实测值的准确性，综合分析选取09－SD2孔实测得到的垮采比5.61和裂采比12.21作为预计“两带”高度的标准。

《煤矿防治水手册》中总结了适用于中硬和软弱覆岩的综放开采条件下的“两带”高度经验公式［5－9］。二采区上覆岩层属软弱岩层，因此计算公式可选:

软弱覆岩条件垮落带高度:

软弱覆岩条件导水裂缝带高度:

式中，Hm为垮落带高度，m; Hli为导水裂缝带高度，m; M为采放厚度，m。

以煤层厚度作为采高，分别利用确定的垮采比和裂采比以及经验公式进行“两带”高度预计，计算结果见表5。

表5　二采区内钻孔“两带”高度预测　m

由表5可以看出，经验公式的计算结果与实测值相近，略大于实测值，且一采区部分工作面利用经验公式计算安全煤岩柱已经成功回采，对二采区开采具有重要的借鉴意义，因此选用经验公式进行两带高度预计更加安全。

3.2延伸区域煤岩柱计算

一采区内可以向二采区延伸的工作面有1700工作面、1701工作面、1703工作面和1705工作面，延伸区域可以根据上覆第三系砂砾含水层富水性强弱以及相应位置基岩厚度进行分区。延伸区域可以分为4部分: (1)砂砾含水层厚度大于20m，基岩厚度120～140m区域; (2)砂砾含水层厚度大于20m，基岩厚度大于140m区域; (3)砂砾含水层厚度小于20m，基岩厚度80～100m; (4)砂砾含水层厚度小于20m，基岩厚度大于100m。

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经论证，第三系砂砾含水层整体呈弱富水性，为安全起见，对于砂砾含水层厚度大于20m的区域以中等富水性处理。因此，根据《三下采煤规程》，(1)，(2)区留设防水安全煤岩柱，(3)，(4)区留设防砂安全煤岩柱。下面根据公式及安全煤岩柱的留设要求，反求各分区最大安全采高，对于煤层较厚的区域进行限厚开采。

3.2.1(1) (2)区最大安全采高计算

防水安全煤岩柱垂高Hsh应大于或等于导水裂缝带的最大高度Hli加上保护层厚度Hb，即:

Hsh≥Hli+ Hb

根据最小安全厚度法的规定，对于含水层富水性中等覆岩软弱的煤层，保护层厚度选取2.7M (M为采高)［10］。令Hsh等于煤层上覆岩柱厚度，即:

当Hsh=120m时，M=7.65m，即(1)区的安全采高为7.65m。

3.2.2(3)，(4)区最大安全采高计算

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:

Hs≥Hm+ Hb

根据最小安全厚度法的规定，对于含水层富水性弱覆岩软弱的煤层，保护层厚度选取2.1M (M为采高)［10］，令Hs等于煤层上覆岩柱厚度，即:

当Hs= 80m时，M = 9.52m，即(3)区的安全采高为9.52m;

当Hs=100m时，M=11.05m，即(4)区的安全采高为11.05m。

二采区延伸范围分区及相应的安全采高如图3所示。

4　结论

(1)通过现场勘测与实验室实验，二采区上覆含水岩层大部分区域富水性弱，具有变防水煤柱为防砂煤柱综放开采的可能，对于部分第三系砂砾含水层厚度大于20m的区域，可以留设防水煤柱限厚综放开采。

(2)利用现场实测、数值模拟以及相似模拟的方法对二采区“两带”高度进行预测，并与经验公式法相比较，最终确定经验公式法更为安全合理。

(3)根据二采区的岩层结构特点，将其划分为4个区域，反算出每个区域可采煤厚，并绘制出一采区延伸工作面可采煤厚的区域图。

图3　延伸工作面范围分区及相应的安全采高示意

(4)二采区变防水煤岩柱为防砂煤岩柱综放开采，不仅直接减少了煤柱损失，而且实现一、二采区联合开采，增加了工作面连续推进长度，减少搬家的成本损失;减少采区开拓、准备的工程量，缓解采掘接续紧张的局面;简化矿井生产管理，优化矿井通风系统，给矿井带来显著经济效益。

［参考文献］

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［3］国家安全生产监督管理总局.煤矿防治水规定［S］.北京:煤炭工业出版社，2009.

［4］国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程［S］.北京:煤炭工业出版社，2000.

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［责任编辑:周景林］

Feasibility Analysis of Extending Mining of 1stMining Zone in Duolun Xiexin Colliery

XU Yan-chun，CAO Xu-chu，LI Jiang-hua，GAO Yu-bing

(Resources＆Safety Engineering School，China University of Mining＆Technology (Beijing)，Beijing 100083，China)

Abstract:In order to free coal resource of 1stmining zone under aquifer and remit mining and driving tense state in Duolun Xiexin Colliery，applying geological survey，laboratory experiment and theoretical analysis，the feasibility of full-mechanized caving mining by transferring waterproof pillar to sandproof pillar was proved and extending mining from 1stmining zone to 2ndmining zone was realized.By comparison of " two-zone" height with site survey，analogue simulation，numerical simulation and empirical formula calculation，it was believed that empirical formula was most rational method.Selecting rational formula to repeatedly calculate largest mining height of every section，reference was provided for extending mining from1stmining zone to 2ndmining zone and freeing large amount coal resource under aquifer and prominent economic profit was made.

Keywords:mining zone extending; full-mechanized caving mining;“two-zone”height; coal and rock pillar design

［作者简介］许延春(1963－)，男，河北乐亭人，博士生导师，研究员，从事近水体安全采煤的研究与教学工作。

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11－3677/td.2015.02.006

［收稿日期］2014－08－25

［中图分类号］TD822.3

［文献标识码］A

［文章编号］1006-6225 (2015) 02-0020-04