丁集煤矿1521(3)工作面提高开采上限可行性研究

邵小朋，朱庆伟，李 博

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 101601)

丁集煤矿1521(3)工作面提高开采上限可行性研究

邵小朋，朱庆伟，李 博

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 101601)

丁集煤矿原设计留设80 m的安全煤柱，通过借鉴相同地质条件下相邻矿井潘三矿缩小防水煤柱，提高开采上限成功经验，对1521(3)工作面提高开采上限可行性进行研究。经验公式计算结果表明，1521(3)工作面提高开采上限后导水裂隙带发育最大高度43.13 m,取保护层厚度16.2 m,得到1521(3)工作面留设60 m安全煤柱可行的结论，与原设计80 m保护煤柱相比，释放了开采区域,预计可多开采煤量19.6万吨。

丁集矿；安全煤柱；开采上限；导水裂隙带

0 引言

杂地质条件下的难采煤层，尤其是“三下”煤层[1-3]的开采逐渐受到人们的重视。但“三下开采”面临多种多样的安全问题，使开采技术难度加大，特别是水下采煤受到煤层上方水体的威胁，大大增加了煤层开采工作面突水的危险性。因此水下开采时进行工作面开采上限的研究[4-7]、合理确定安全防水煤柱[8]，对确保采煤工作面的安全的开采，提高资源回收量，延长矿井服务年限具有重要的意义。

1 矿井基本概况

淮南丁集煤矿为巨厚新生界松散层覆盖条件下的全隐蔽式井田，矿井9个可采煤层，中13-1、4-1为全区可采的稳定煤层，11-2、8、5-1、4-2为大部分可采的较稳定煤层，7-2、3、1为大部分可采的不稳定煤层。矿井初步设计针对新生界松散水体各主采煤层均留设80 m防水煤柱，防水煤柱资源量约2450.54万吨。

2 工作面概况

2.1 煤层赋存情况

1521(3)工作面为东三采区第二个工作面，工作面东侧为3F13-4(H=25 m)、DF40(H=15～30 m)断层,西侧为SF271(H=15 m)断层及东三采区大巷保护煤柱线,南侧为尚未掘进的1531(3)设计工作面,北侧为5F-72(H=30～88 m)断层及防水煤柱线。

工作面设计走向长度1647 m、斜长248.2 m，面内煤厚2.7～4.6 m，平均3.5 m，地质储量约206.9万吨，可采煤量200.9万吨，1521(3)工作面位置示意图见图1。

图1 1521(3)工作面示意图

2.2 地质构造特征

工作面煤层走向南东至北东向，倾向150～223°，倾角12～28°，平均16°。

根据工作面内及周边钻孔、巷道实际揭露、三维地震勘探资料综合分析，面内及其附近的主要断层有3F13-4、DF40、5F-72、SF275、SF271、SF87、3F-44、3F-50等。

2.3 水文地质条件

丁集井田与开采相关的含水层(组)主要为新生界松散层含水层组、煤系砂岩含水层(组)、石炭系太原组与奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层(组)。其中对本工作面开采有影响的主要为煤系砂岩含水层(组)和新生界下部含水层(组)。

2.3.1 煤系砂岩含水层

根据勘探期间钻孔抽水试验成果，煤系地层砂岩含水层单位涌水量q=0.000676～0.0348 L/(s·m)，渗透系数K=0.00226～0.207 m/d，弱富水性；矿井及矿区开采实际，煤层顶板砂岩水总体上以静储量为主，富水性相对弱，对工作面开采影响小。

2.3.2 新生界松散层含水层

根据工作面及周边钻孔资料，工作面上覆新生界松散层厚324.80 m～603.10 m，按照含隔水层的岩性组合及赋存特征, 自上而下划分为上部含水层(组)、中部含水层(组)和下部含水层(组)三个含水层(组),以及上隔、中隔和下隔三个隔水层(组)，

(1) 上部含水层(组)：厚82.59～99.36 m，平均92.4 m，岩性主要为砂质粘土、粉细砂、中细砂、粗砂及粘土质砂，据井田抽水试验成果，单位涌水量q=0.685～2.768 L/(s.m)，富水性中等～强。

(2) 上部隔水层(组)：厚0～19.4 m，平均厚2.9 m，岩性主要为粘土、砂质粘土，隔水性不稳定，厚度变薄和尖灭地段，上含下段与中含可产生水力联系。

(3) 中部含水层(组)：厚197.82～210.55 m，平均206.7 m，岩性主要为细砂、中砂，局部为粗砂，夹若干砂质粘土层，据井田抽水试验成果，单位涌水量q=0.542～0.2564 L/(s.m)，富水性中等。

(4) 中部隔水层(组)：厚92.26～100.51 m，平均96.1 m，岩性主要为砂质粘土，厚度大、分布稳定，隔水性能好，为区域性隔水层组。

(5) 下部含水层(组)：厚72.58～90.62 m，平均77.6 m，岩性主要以粉细砂、砂砾层为主，据工作面附近补IIKZ2孔抽水资料，单位涌水量q=0.3656 L/(s.m)，渗透系数K=1.117 m/d，中等富水性。井田东部对下含进行抽水试验钻孔共计6个，单位涌水量q=0.1262～0.4021 L/(s.m)，均属于中等富水性。

(6) 下部隔水层

根据工作面及周边钻孔控制，本工作面上方新生界下隔不发育，下部含水层直接覆盖于煤系地层之上，与煤系地层之间无稳定隔水层，煤层综合柱状图见下图2。

图2 煤层综合柱状图

3 提高开采上限可行性研究

3.1 提高开采上限的地段

提高上限区域位于二十和二十一勘探线之间，周边控制钻孔9个，钻孔控制密度达到16.5个/km2，其中补IIKZ2钻孔对下含进行了抽水试验，总体上看，工作面上方及周边基岩面及下部含水层控制程度较高，符合含水层下提高上限开采要求。

3.2 导水裂隙带高度及保护层厚度预计

3.2.1 导水裂隙带高度预计

根据1521(3)工作面周边钻孔揭露13-1煤层顶板岩性及组合特征分析，本工作面为Ⅰ类水体下、中硬覆岩顶板类型[9]，需留设防水安全煤岩柱。根据矿井水文地质规程，“三下”开采规程、潘集矿区拟合经验公式、潘谢矿区经验公式，预计本工作面采后导水裂隙带高度。

(1) 矿井水文地质规程计算公式

Hf=100M/(3.3n+3.8) +5.1

注： M—开采采高，M取2.7；n—煤层分层层数，n取1。

(2) “三下”开采规程计算公式

Hf=100∑M /(1.6∑M+3.6) ±5.6

注：∑M—累计采厚，取2.7。

(3) 潘集矿区拟合经验公式

Hf=41.77M(1-e-0.004H防)

注：Hf—导高 (m)；M—采厚(m)，取2.7；H防—防水煤岩柱高度 (m)，取60；

(4) 潘谢矿区经验公式

本工作面为Ⅰ类水体下、中硬覆岩顶板类型，取公式：

Hf/M=3.0239ln(H防)-5.092

注：Hf-导高 (m)；M—采厚(m)，取2.7；H防—防水煤岩柱高度 (m)，取60；

1521(3)工作面提高了开采上限后预留60 m防水煤柱，防水煤柱内按采高2.7 m，中硬覆岩类型预计，导水裂隙带高度预计结果见表1。

表1 1521(3)工作面导水裂隙带高度预计结果表

3.2.2 保护层厚度预计

本工作面为Ⅰ类水体下、中硬覆岩顶板类型，按照规程规定取6倍的采厚作为保护层厚度：Hb=6M=16.2 m

3.3 安全煤柱的计算及可行性分析

安全煤柱一般为：H防=Hf+Hb

Hf:当采高为2.7 m时,Hf为24.06～43.13 m，取最大裂隙发育43.13 m。

H防=Hf+Hb=43.13+16.2=59.33 m.

根据“三下”开采规程、潘谢矿区经验公式拟提高上限开采段按采厚2.7 m、中硬顶板覆岩类型预计，采后导水裂隙带最大发育高度为43.13 m，取6倍采厚作为保护层厚度为16.2 m,本面应留设的最小防水安全煤岩柱59.33 m，小于设计留设的最小防水安全煤岩柱60 m，采后导水裂隙带仍发育在二叠系地层中，因此，1521(3)工作面提高上限开采是可行的。

4 结论

(1) 通过对1521(3)工作面煤层赋存情况、地质构造特征分析以及借鉴同一地质条件相邻矿井潘三矿缩小防水煤柱，提高开采上限的成功经验，经验公式算结果表明，1521(3)工作面开采后导水裂隙带发育最大高度43.13 m,取保护层厚度16.2 m,得到1521(3)工作面留设60 m安全煤柱可行的结论，故理论上该工作面可实现安全开采。

(2) 该工作面缩小防水煤柱，提高开采上限理论上的可行性，对该工作面提高资源回收量，延长矿井服务年限具有重要意义，而且对未来其他工作面缩小防水煤柱，提高开采上限具有重要的指导意义。

[1] 牛建平. “三下”煤层安全高效开采技术研究[J]. 山东煤炭科技,2016,(08):38-39+41.

[2] 常杰. 三下采煤技术的探讨与研究[J]. 山西煤炭,2011,(10):51-53.

[3] 张华兴. 对“三下”采煤技术未来的思考[J]. 煤矿开采,2011,(01):1-3+31.

[4] 刘瑞新. 松散含水层下提高开采上限的研究与实践[J]. 煤炭科学技术,2010,11:56-59.

[5] 刘近国,马海涛,刘亚. 杨村煤矿3煤区域提高开采上限可行性研究[J]. 煤矿现代化,2014,03:106-109.

[6] 李小明,周起谋. 岱庄煤矿43_下20工作面提高开采上限的数值模拟研究[J]. 煤炭技术,2015,04:58-60.

[7] 赵明,赵健,郑志阳. 谢桥矿水体下煤层1202(1)工作面提高开采上限研究[J]. 中国煤炭,2016,(12):58-62+106.

[8] 王大明. 嵩山煤矿急倾斜煤层防水煤柱的留设研究[J]. 内蒙古煤炭经济,2014,(12):167.

[9] 梁泽鹏. Ⅰ类水体下无关键层缩小防水煤岩柱开采研究[D].安徽理工大学,2014.

Feasibility Study on Improving Mining Upper Limit of 1521(3) WorkingFace in Dingji Coal Mine

SHAO Xiao-peng, ZHU Qing-wei, LI Bo

(CollegeofSafetyEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao, 101601,China)

Dingji coal mine originally set coal mine safety pillar of 80m, by referring to the successful experience of improving mining upper limit and reducing waterproof coal pillars in adjacent Pansan Coal Mine, which is under the same geological conditions, this paper studies how to improve the feasibility of mining upper limit on 1521 (3) working face. The empirical formula calculation results show that the maximum height of water flowing fractured zone in 1521 (3) working face is 43.13m after raising the upper limit of mining, taking the protective layer thickness of 16.2m, the conclusion is get that to keep the safe coal pillar of 60m is feasible, compared with the original design of 80m coal pillar, the mining area expands, which is expected to be more than 196,000 tons of coal available for mining.

Dingji Coal Mine; Safety coal pillar; the upper limit of mining; Water flowing fractured zone

2017-02-05

邵小朋(1990-)，男，河南商丘人，华北科技学院安全工程学院在读硕士研究生，研究方向：安全工程。E-mail：2225762318@qq.com

TD823

A

1672-7169(2017)01-0061-04