矿井水文地质条件对矿井开采顺序的影响研究

程晋

摘要：本文主要以州景煤矿水文地质条件对矿井开采顺序的影响进行深入研究，通过分析州景煤矿含水层水文地质条件以及煤层巷道掘进过程中可能遇到的问题，提出调整州景煤矿开采顺序方案，为矿井水防治工作奠定基础。

关键词：水文地质;煤层巷道;开采顺序

州景煤矿位于我国广西壮族自治区百色市田东县郊西，可采煤层顶板埋深在700m以上。众所周知，瓦斯、顶板、粉尘、水灾和火灾是煤矿面临的主要灾害问题，尤其是水害问题，对州景煤矿的自然开采更是造成了极大的威胁。矿井水文地质构造较为复杂，是典型的“复杂型”水文地质条件。州景煤矿主采煤层是3号采煤层，在矿井生产过程中，2号煤层处设置一个薄煤层工作面配合煤矿开采工作。但由于州景煤矿的特殊性，无法直接进行疏放水操作，因此应当从其他方面人手，寻找解决疏放水问题[1]。笔者建议可借鉴矿井防瓦斯、防冲击地压系统中“开采解放层”的理念，总结出通过3号煤层采空区，达到疏放2号煤层顶板含水层目的，并调整煤层开采顺序从而保证矿井开采工作的安全、有序进行。

1.含水层水文地质条件

州景煤矿2号煤层顶板从上至下，同时分布着第四系松散层孔隙潜水含水层、侏罗系安定组砂岩孔隙裂隙承压含水层、侏罗系直罗组砂岩孔隙裂隙承压含水层以及白垩系砂岩孔隙裂隙承压含水层。这当中白垩系、第四系含水层和煤层顶板之间相距300m，不会对煤矿日常开采、生产产生直接的影响，直罗组低层含砂层是矿井水主要来源。

1.1含水层厚度及2号煤层顶板距离

通过对现有资料、数据的总結可以看出，州景煤矿首采区含水层厚度大约在7.40m-88.2lm范围内，平均厚度大约为33.48m。按照钻孔公布的含水层厚度分布信息可以看出，首采区煤层含水层基本在18m左右，分布较为均匀[2]。

在首采区南翼地区的29个钻孔中，2号煤层顶板含水层的平均厚度大约是5.44m，这当中60%的钻孔隔水层厚度不到5m;30%的钻孔隔水层厚度在5m-lOm之间;只有3个钻孔隔水层厚度在lOm以上。

按照钻孔隔水层分布来看，只有矿区北部极少一部分的钻孔隔水层厚度超过lOm，首采区2号煤层顶板隔水层厚度不到6m。这些数据证实在首采区南翼区域中，2号煤层顶板隔水层相对较浅，锚索孔可直接穿透隔水层，接触煤层顶板隔水层，造成锚索孔出水的情况，侵蚀煤层顶板对煤矿安全生产造成一定的影响。

1.2含水层富水性分析

州景煤矿3号煤层首采区进行正常开采工作前的疏放水过程中表明采煤层顶板存在含水层，而根据钻孔揭露，大致掌握了含水层的特点。钻孔出水点大部分集中在2号煤层顶板含水层内部，且其距离煤层顶板不到5m，2号煤层顶板隔水层较浅，含水层和顶板距离较小。

通过对37个钻孔涌水量信息的总结，发现27个钻孔涌水量在lOOm3/h以上，其中最大单孔涌水量可达187m3/h;其余钻孔中有一半数量的钻孔涌水量可达80m3/h～90m3/h的水平，只有2个钻孔涌水量不到50m3/h，平均涌水量为118m3/h。这些数据指出，2号煤层顶板富水性水平较高。根据周围矿井分布情况，煤层含水层较为常见且分布较为均匀，水压力相对较高，富水性较强。

综合前文所述，砂岩含水层分布范围较广，富水性水平较强，尤其在州景煤矿首采区南翼地区，含水层较深，和2号煤层顶板间距较小。

2.煤层巷道掘进过程中可能遇到的问题

2.1 2号煤层工作面顶板水害情况

州景煤矿2号煤层正面回风槽在正常开挖中，由于顶板隔水层深度不断减少，从开口处20m到巷道处不到5m，并由于隔水层厚度减少以及水压因素的直接影响，产生顶板开裂、顶板出水、锚索支护失效等问题，从而对煤矿日常安全开采、生产形成一定不利影响[3]。 按照煤矿现场开采、生产环境信息，巷道顶板严重变形并产生深度可达120mm的裂缝，其最大长度2.6m，最大宽度22m;顶板锚索也经常出现托板变形乃至顶板下沉、锚索出水等问题，单个锚索出水量最大是6.9m3/h，百米巷道顶板淋水量可达70m3/h。由于2号煤层顶板含水层较深、富水性较强因素，对工作面回风顺槽开掘造成一定的影响，从而为州景煤矿的安全生产、开采，造成了较大威胁。

2.2 2号煤层工作面顶板水害原因分析

根据对砂岩含水层水文地质特征的分析，以及对2号煤层位置关系的研究发现，州景煤矿首采区南翼大部分地区的巷道顶板锚索存在砂岩含水层。其水压力水平相对较高，煤层顶板无法承受水压力，造成锚索孔含水层出水的情况;而高压顶板因为顶板水的侵蚀，出现膨胀、软化、岩层强度较低的情况[4]。根据对该煤矿顶板岩力学性质的监测报告可以看出，其工作面回风巷顶围岩基本为软化岩。砂岩软化系数是0.75-1，沙质泥岩软化系数是0.21-0.46。2号煤层顶板砂质泥岩在饱和、自然风干的情况下，其单轴抗压能力有着极大差别。在水质饱和的情况下，对强度影响最为显著，表明州景煤矿首采区南翼区域，砂岩分布范围较广，顶板锚索也表明因为该区域缺少隔水层，煤层顶板就是含水层，在巷道开挖过程中，可能直接接触到含水层，且其围岩大多是软化岩。州景煤矿特殊性的地质结构特点，决定了2号煤层巷道开掘中因为淋水因素，围岩将不断软化，直接影响到巷道稳定性，导致水害事故的发生，从而对矿井安全生产造成较大影响。

3.矿井开采顺序调整方案

通过对州景煤矿首采区南翼水文地质条件的勘测和顶板岩石力学研究发现，2号煤层巷道开挖过程中，可能同时受到顶板问题、水害问题的威胁，出于矿井安全开采、安全生产所需，当前2号煤层不适合进行开采。为保证矿区煤矿资源的安全开采，要调整矿区开采顺序。

按照州景煤矿开采工作计划安排和实际开采所需，3号煤层应当首先进行开采，并通过3号煤层采空区的作用，进行2号煤层顶板含水层的疏放，当含水层被疏放到一定程度并符合工程安全生产要求后，再进行2号煤层的开采。开采方案科学性的判定重点在于3号煤层能否对2号煤层含水层疏放产生实际效用。在剖面上，3号煤层开采将对2号煤层含水层产生积极的意义，也就是3号煤层开采后出现裂痕，并发育到这一含水层上;或者3号煤层采空区出水区域，直接影响2号煤层工作平面。

根据我国煤炭科工集团唐山院给出的水体下综放开采导水裂缝带宽度计算公式：

H1i= 20M+IO

公式中：H1i指的是预测的裂缝带发育高度;M指的是采高。

在州景煤矿南翼地区，3号煤层顶板厚度在3m-5m，通过上述公式，可得出其导水裂缝发育高度大约是80m-llOm。剖面上，3号煤层的开采对含水层有着极大的疏放效果。平面上，3号煤层首采区和2号煤层首采区之间的间距大约是1700m，按照煤矿井下放水实验，疏放半径最大可达2500m，所以3号煤层投产后，采空区将对2号煤层含水层产生疏放作用。这表明，先对3号煤层进行开采，并通过其采空区疏放2号煤层顶板含水层的计划，是科学有效的。

4.结论

首先，州景煤矿南翼地区含水层水压水平较高，富水性相对较强，和2号煤层顶板间距不到5m。在2号煤层巷道开挖过程中，水害等安全事故发生概率较大，因此为保证矿井开采工作的安全進行，不建议开采2号煤层。其次，因为3号煤层和2号煤层之间的含水层大多数是砂岩含水层，因此先对3号煤层进行开采，并通过采空区对2号煤层砂岩含水层进行提前疏放，直到含水层水压力水平下降到一定程度或达到安全条件后，再进行2号煤层开采工作。通过系统的分析、研究发现，这一方案有一定的可行性、科学性。最后，这一方案和矿井预防瓦斯毒气、冲击地压中的“开采解放层”的开采方式有着同等原理，能够有效解决煤矿开采过程中的水害问题，有一定的科学意义。

参考文献：

[1]张立其，刘洋，方刚.陕北浅埋煤层采空区积水下安全开采技术研究[J]煤田地质与勘探，2015，43（06）：60-64.

[2]赵占义.开采解放层综采工作面瓦斯综合治理技术[J].煤炭技术，2017，26（11）：77-78.

[3]刘英锋，王世东，王晓蕾.深埋特厚煤层综放开采覆岩导水裂缝带发育特征[J].煤炭学报，2014，39（10）：1970-1976.

[4]郑纲，何渊.深坦矿井超大工作面顶板砂岩含水层涌水量预测方法[J]煤矿安全，2015，46（03）：76-80.

[5]张盼，任金武，高家平.豫西郭村井田深部水文地质特征及涌水量预算[J]。西部资源，2018（04）：91-93.