胜利煤矿14煤回采工作面防水煤柱留设探究

    

    

    

    摘 要：胜利煤矿位于牙克石市境内，一采区一水平开采最上部14号煤层，该煤层埋深较浅一般为20.55—104.98m，平均厚度为47.64m，开采过程中存在顶板扰动沟通地表水体的风险，需要留设防水煤柱确保生产安全。本文以矿井以往水文地质资料、专项物探成果报告资料等为基础，结合近几年回采工作面生产过程顶板实际观测数据等相关资料，通过分析研究确定14煤回采工作面防水煤柱留设范围。

    关键词：胜利煤矿;回采工作面;防水煤柱

    一采区位于矿区东侧，一采区东侧界线基本为勘查许可证东侧边界，北侧界限基本以F11断层为边界，南侧界线基本以F13断层为边界，西侧边界基本为钻孔K4-4以东。由北至南沿北东向布置7个综采工作面（见图1），其中102至105工作面均顺利完成回采，101工作面回采至距离设计停采线119.3m处，由于14煤层顶板上覆地层厚度变薄，煤层顶板出现冒落迹象，工作面淋水量呈现突然增大趋势，停止回采作业。因此，需在接续106回采工作面预先规划科学留设防水煤柱，预防上述顶板问题的出现。

    一、生产概况

    井田范围发育地层为白垩系下统的大磨拐河组[1]和第四系，白垩系下统的大磨拐河组地层为井田含煤地层。首采区在14煤布置采煤工作面开采，根据14煤首采区煤层赋存条件，14煤工作面采高为2.5m（属中厚煤层），煤质为长焰煤，煤层赋存条件稳定。14煤顶板直接充水含水层导水性及连续性较弱，补给弱疏干以消耗含水层静储量为主。刚开始揭露时，水量较大，102首采面施工时，掘进期间涌水量达到30m3/h，通过地面疏干、井下探放等综合治理手段，水量逐步降低，至回采时，只有少量涌水。其他综采工作面，涌水方式以顶板淋水为主，涌水量小于20m3/h。

    二、水文地质条件

    一采区地形呈南高北底、东高西低，向西南延展开阔，有利于地表水径流。最高地面高程784m，位于一采区东南角6K-9号钻孔南部。最低地面高程742m，位于一采区西南角K3-2号钻孔附近，地面高差42m。矿井资料显示，14煤层位于侵蚀基准面以下，地表无露头，可采煤层距地表最浅处20m。一采区一水平最低排泄基准面为14号煤层底板，最低高程706.00m。

    依据地质时代，地貌条件及一采区一水平在矿区所处的位置，岩石的含水性能等，将一采区一水平内含水层、隔水层划分如下：

    （一）永冻层隔水层

    矿区地理位置为亚寒带气候地区的山谷中，根据收集以往水文地质成果资料，一采区第四系永冻层广泛发育，第四系除上部3.5米季节性冻层外，其余为永冻层。永冻层底界面深度主要受构造、地层裂隙导水差异控制，永冻层底界面埋深不均一，厚度一般都在7.79～19.42m之间，平均厚度为11.23m，局部延伸至大磨拐河组顶部各种岩石中，最深可达34m，岩性主要为砂砾石，永冻层所冻结的岩层起到了良好的隔水作用，它隔绝了地表水与地下水之间的水力联系，为一采区的主要隔水层。

    （二）14煤顶板直接充水含水层

    14煤顶板砂岩孔隙含水层为14煤顶板直接充水含水层，该含水层位于永冻层之下，14煤顶板以上，为14煤开采直接充水含水层，该除一采区南部连续分布外，其他区域厚度变化加大，多个钻孔该含水层缺失，厚度为0.00-39.81m，平均厚度11.58m，总体分布规律为由南向北厚度逐渐减小。

    该含水层上覆第四系砂砾层为永冻层，向下是煤系地层，岩性以细粒砂岩为主，据抽水试验资料，含水层单位涌水量0.475L/s·m，渗透系数1.45m/d，水质类型为HCO3·SO4-Na·Ca型水，矿化度0.26g/L，水位埋深11.60m，静止水位标高731.68m，含水层富水性中等[2]。

    三、防水煤柱留设

    （一）一采区一水平顶板“三带”观测及规律性研究

    胜利煤矿在一采区一水平102工作面进行过顶板“三带”观测及规律性专项研究工作，通过在102工作面运顺和轨顺顶板施工观测孔，采用孔中电阻率法观测和总结采动过程中14煤层顶板煤岩体的破坏规律。取得主要成果为确定102工作面垮落带高度为顶板以上14m，裂隙带部分已发育至地表，估算裂隙带高度（顶板距地表高度）不小于37m;按平均采高27m—3.1m计算，对应垮采比为5.18—4.52，采裂比不小于13.7—11.93。102工作面为一采区一水平首采工作面，已完成回采形成采空区，回采过程中未出现井下水文地质问题。

    （二）实际开采确定防水煤柱

    根据对一采区49个钻孔的统计结果，一采区一水平14煤顶板上覆地层总体厚度为20.55-104.98m，平均厚度为4764m，厚度总体分布规律为由南向北、由东向西逐渐变薄（详见图2）。自下往上以泥岩为主，成岩作用不完全，胶结程度差，夹薄煤层且分布不连续，顶部第四系地层为松散的冲积和洪积的砂砾层，受低温冻胀作用明显。

    101工作面煤层顶板出现冒落迹象位置14煤顶板上覆地层厚度为24.72m，为除106工作面上钻孔K4-5（20.55m）外上覆地层厚度最薄处，工作面淋水突然变大原因为采动塌陷影响破坏永冻层隔水层，永冻层上部季节性第四系含水层被导通。由图2可知，101工作面以外其他已采工作面，14煤顶板上覆地层厚度最小为7K-3（30.48m），因此，建议在此最小安全厚度的基础上增大5m，即将14煤顶板上覆地层厚度35m等值线作为14106工作面防水煤柱的留设边界，接续106工作面预留防水煤柱长188.52m，宽184.15m，面积34828m2。

    （三）依据经验公式確定防水煤柱

    采用《煤矿床水文地质、工程地质及环境地质勘查评价标准》（MT/T1091-2008）中冒落带、导水裂隙带最大高度经验公式[3]：

    计算公式：Hf=100M5.1n+5.2+5.1

    式中：Hf—导水裂隙带高度（m）;m—煤层累计采厚（m）;n—煤层分层层数（按采高为2.5m）。

    应用上述公式对一采区一水平开采14煤时的导水裂隙带高度进行了计算：14煤层导水裂隙带一般高度8.98—4539m，平均高度为23.99m，14煤层顶板距第四系砂砾层底板的距离一般为5.65—97.19m，平均距离为34.42m。总体按平均厚度看，14煤层顶板距第四系砂砾层底板的距离（3442m）大于14煤层导水裂隙带厚度（23.99m），开采14煤层一般不会扰动第四系永冻层，但个别位置存在14煤层顶板距第四系砂砾层底板的距离小于14煤层导水裂隙带厚度的情况，需要采取留设防水煤柱及加强疏放水等措施，确保不发生安全事故。

    防水煤柱高度（H防）计算公式采用《煤矿防水细则》中煤层露头被松散富水性强的含水层覆盖时的计算公式[4]：

    H防=H裂+H保

    式中：H防—防水煤（岩）柱高度（m），大于20m;H裂—垂直煤层的导水裂隙带最大高度（m）;H保—保护层厚度（m）。

    比较14煤层顶板距第四系砂砾层底板的距离与防水煤柱高度（H防），将其差值为负值的钻孔划归为应该预留防水煤柱的区域，考虑依据实际开采经验确定的防水煤柱范围，将差值负值区与实际开采经验确定的防水煤柱边界之间的区域定为危险区域（详见图3），接续106工作面回采危险区域长277.30m，宽184.15m，面积51202m2，该区域开采需要高度注意，采取必要的疏放水等措施防止安全事故的发生。将差值正值区为采取必要的安全措施，可以正常开采区域。

    四、結论

    本文通过以往水文地质资料的整理、分析研究，详细总结叙述一采区一水平水文地质条件;根据实际开采经验确定将14煤顶板上覆地层厚度35m等值线作为14煤回采工作面防水煤柱的留设边界;依据导水裂隙带经验公式确定14煤回采工作面回采危险区域界线。矿方可根据14煤106回采工作面划定的不同区域，有针对性采取针相应措施，确保开采不受顶板水害的威胁，实现安全开采。

    参考文献：

    [1]李文国.内蒙古自治区岩石地层[M].中国地质大学出版社，1996.

    [2]迟景砚，等.矿区水文地质工程地质勘探规范[M].煤炭工业出版社，1991.

    [3]孙玉臣，等.煤矿床水文地质、工程地质及环境地质勘查评价标准[M].煤炭工业出版社，2010.

    [4]国家煤矿安全监察局.煤矿防治水细则[M].煤炭工业出版社，2018.

    作者简介：姚忠岭（1979— ），男，汉族，内蒙古呼伦贝尔人，硕士研究生，高级工程师，研究方向：水工环。