煤柱优化在解放煤炭资源中的研究应用

刘海哲

（冀中能源峰峰集团有限公司 新屯矿，河北 邯郸 056200）

1 矿井概况

煤柱不是一成不变的，在保证安全，计算合理的前提下，根据客观条件，可以通过优化各类煤柱的留设，解放矿井煤炭资源，延长矿井服务年限。目前，新屯矿南部边界与羊东井田相邻，两井田之间无任何采掘活动，井田最小间距190 m；东部边界与磁西井田相邻，磁西井田尚无获得采矿权单位。为充分回收煤炭资源，需对东、南部井田边界煤柱进行优化。以上有利条件为新屯矿优化矿井东部和南部边界煤柱奠定基础。

井田地理坐标为北纬36°31′21″～36°33′16″，东经 114°15′23″～114°18′58″，井田西及西南部以F3 断层、薛村矿东风井煤柱线和薛村矿边界为界；南部以F11 断层带和F7 断层与羊东矿相邻；在西南部边界F3、F11 两大断层相交处，与牛儿庄矿相邻；北部以F14 断层与大淑村矿接壤，东部边界为技术边界。井田东西长约4.50 km，南北宽1.60～2.60 km，面积8.409 9 km2。

2 水文地质条件概况

2.1 区域水文地质概况

新屯井田位于邯邢水文地质单元南单元（峰峰水文地质单元） 鼓山东麓奥灰强径流带东区。峰峰水文地质单元西起长亭涉县断层，东至矿区东界奥陶系灰岩埋深-500 m 标高，北起北洺河地下分水岭，南至漳河南地下分水岭。

2.2 井田边界及其水力性质

东部边界为峰集[2005]53 号文批复的技术边界；南部以F11 断层和F7 断层与羊东井田相邻；井田西及西南部以F3 断层、大社井田东风井煤柱线与大社井田为界；在西南部边界F3、F11 两大断层相交处，与牛儿庄井田相邻；北部以2 号煤-300 m 等高线和F14 断层与大淑村井田接壤。东部技术边界直观上为透水边界，边界以里为BF2断层与BF1、F30 断层形成的地堑构造，隔断了外围地下水继续向井田运移的通道。因此东部技术边界也可视为隔水边界。

井田南部F11 断层落差100～260 m，倾向SE；F7 断层落差超过250 m，倾向SE，断层的存在使本井田灰岩岩溶裂隙含水层与断层上盘煤系地层对接，隔断与外界补给通路，可视为隔水边界。井田西及西南部F3 断层倾向NW，落差70～98 m，可视为弱透水边界；大社东风井煤柱线可视为透水边界。西南部F3、F11 两大断层相交处与牛儿庄井田相邻的边界可视为隔水边界。北部2 号煤-300 m 等高线技术边界，可视为透水边界；与大淑村井田接壤的F14 断层落差70～710 m，倾向SE，可视为隔水边界。

2.3 井田边界与水文地质单元划分

影响新屯井田地下水赋存、运移的主要因素是断裂构造，尤其是大中型断层的存在，削弱了各含水层横向的水力联系。因此，根据井田内断层规模、分布特征、延伸长度等，结合勘探及采掘揭露资料，将新屯井田划分为4 个水文地质单元，如图1 所示。

图1 水文地质单元划分示意Fig.1 Hydrogeological unit division

2.3.1 第一单元

第一单元构造特征如图2 所示。北部以F14 断层为界，位于F11～F13 断层的块断，该断层走向60°，倾向150°，向西南方向尖灭，落差东北方向逐渐变大；西部以NNE 向的F13 断层为界，断层走向在35°～55°变化，落差变化大；东南部以F11 断层为界，断层走向60°～70°，落差100～260 m。

受大中型断层切割影响，该单元内不同块段大青灰岩含水层横向水力联系差，基本属于封闭环境，水位变化大。如位于该分区三水平西翼的W4大青孔水位是-45.0 m，而位于-190 水平车场附近的W10 孔水位则为-123.2 m，位于-190 水平北翼的W13 孔水位为-61.3 m，位于+41 水平车场施工的W11 孔，水位标高+76 m。

由于断层的存在阻断了各含水层横向之间的水力联系，该单元基本上属于一个相对封闭的水文地质单元，与其它含水层之间的水力联系较弱。该单元主要充水含水层富水性差，得到补给缓慢，说明该单元与外界的水力联系微弱。

据奥灰放水试验结果，该单元与第二单元之间断层破碎带导水性相对较好，奥灰水主要在F11 断层西南部接受外部的补给。

2.3.2 第二单元

第二单元构造特征如图3 所示。该单元平面形态为三角形，西部为F3 断层，东南部和北部分别以F14 断层和F13 断层为界。

该单元主要充水含水层富水性弱，补给条件差，径流缓慢，F81、F79 和F13 断层具有较强的阻水能力，基本切断了该单元与外界的水力联系，属于一个相对封闭的水文地质单元。

依据奥灰放水试验结果，单元西南部为奥灰弱透水边界，另外由于F13 断层的存在造成了奥陶系灰岩与9 号煤层的对接，在开采深部煤层尤其是开采下组煤时，需要加强对奥灰水的重点防范。

图2 第一单元构造特征Fig.2 Structural features of the first unit

图3 第二单元构造特征Fig.3 Structural features of the second unit

2.3.3 第三单元

第三单元构造特征如图4 所示。该区东北部为井田边界，西部以F3 断断层为界，东南部以F14断层为界。

在开采过程中均未出现明显的出水，表明该单元主要充水含水层富水性弱，各含水层之间水力联系差，单元相对独立。

图4 第三单元构造特征Fig.4 Structural features of Unit 3

2.3.4 第四单元

第四单元构造特征如图5 所示。该区位于井田东部，南以F7 正断层为边界，北以F14 断层为界，东部为技术边界，西以F11 断层为界。

该单元位于井田东部，地层向NE 方向倾斜，煤层埋深较大，大煤底板标高在-350 m 以下。2019 年地面区域治理注浆过程中，在注浆量为2.1～46.8 m3/h 情况下，奥灰水位观测孔水位最大涨幅达到11.02 m，表明该单元为一封闭的水文单元，接受外界补给能力差。

图5 第四单元构造特征Fig.5 Structural features of Unit 4

2.4 含水层

根据井田水文地质勘探以及矿井多年采掘揭露资料，井田内含水层划分为10 个含水层。在这10 个含水层中，奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层富水性强且不均一，是开采深部煤层和下组煤的主要威胁。其余薄层灰岩含水层富水性较弱，对开采不构成威胁。

根据井田地质水文地质勘探资料，在10 个含水层之间均分布有一定厚度的隔水层，岩性多以砂岩、砂质页岩为主，厚度不一，软硬组合的隔水层厚度稳定，隔水性能良好。详见表1。

表1 含水层主要特征Table 1 List of main features of aquifers

3 井田边界防隔水煤（岩） 柱尺寸的确定

井田边界防隔水煤柱的尺寸与相邻矿井的地质、水文地质条件、开采方法、地质测量误差等因素有关。直接与围岩的性质、地质构造破坏的产状与性质，煤层的采深、采厚、倾角，开采的层次及覆岩相应的采动破坏参数（导水裂隙带高度、塌陷角），静水压力等有关。同时，《煤矿安全规程》、《煤矿防治水细则》 等相关规定中也对各类煤（岩） 柱留设作出了明确的要求。

新屯矿水文地质类型为中等，由于井田南部与羊东井田间距较远（最小间距190 m），东部磁西井田尚无采矿权单位。因此，新屯矿可利用这一优势，在保证安全的前提下，将东、南部井田边界煤柱留设至技术边界外侧。根据《煤矿防治水细则》附录六第八条规定，相邻矿（井） 人为边界防隔水煤（岩） 柱的留设，水文地质类型简单、中等的矿井，总宽度不得小于40 m。以此为依据，确定新屯矿井田东、南部边界煤柱。

4 井田边界防隔水煤（岩） 柱尺优化方案

4.1 2 号煤层边界煤柱调整说明

新屯矿水文地质类型为中等型。根据《煤矿防治水细则》附录六第八条规定，新屯矿东、南部井田2 号煤层边界煤柱在矿界外侧统一留设40 m。该段煤（岩） 柱内缘点为井田技术边界19～6号拐点，该段煤（岩） 柱的外缘点坐标见表2。

表2 2 号煤层边界煤柱拐点坐标Table 2 Inflection point coordinates of boundary pillar in No.2 coal seam

4.2 4 号煤层边界煤柱调整说明

以新屯矿井田范围内最深部做剖面1，按上山煤（岩） 层移动角70°，由2 号煤向4 号推算得4号煤层边界煤柱宽度54.8 m（平距），如图6 所示。以新屯矿井田浅部做剖面2，按上山煤（岩） 层移动角70°，由2 号煤向4 号推算得4 号煤层边界煤柱宽度53.9 m（平距），如图7 所示。根据以上计算结果，新屯矿井田4 号煤层边界煤柱宽度随煤层埋藏深度增加而递增，最大宽度54.8 m。新屯矿东、南部井田4 号煤层边界煤柱宽度取最大值54.8 m。根据以上说明，新屯矿东、南部井田4 号煤层边界煤柱在矿界外侧统一留设54.8 m。该段煤（岩） 柱内缘点为井田技术边界19 至6 号拐点，该段煤（岩） 柱的外缘点坐标见表3。

图6 井田深部剖面Fig.6 Deep section of minefield

图7 井田浅部剖面Fig.7 Section of shallowminefield

表3 4 号煤层边界煤柱拐点坐标Table 3 Coordinate inflection point of boundary pillar in No.4 coal seam

5 结 论

（1） 新屯矿井田东、南部边界煤柱采用“直接法”留设2 号煤层边界煤柱，然后通过岩层塌陷角来确定下部4 号煤层边界煤柱。

（2） 针对水文地质类型中等及简单的矿井，通过优化各类防隔水煤（岩） 柱，可以起到解放煤炭资源的作用。

（3） 此方法成功应用于新屯矿，使新屯矿解放煤炭资源约70 万t，避免了煤炭资源的浪费。