任楼煤矿７２４Ｏ（上）工作面含水层下开采技术可行性分析 李论 胡应旭 赵超 （皖北煤电集团任楼煤矿’ 摘要：充分利用该矿现有采区生产系统，对７＝４０（上）工作面含水层下 储量３９．７万吨，可采储量３５．７万吨。可开采的７ 煤层厚度为 开采技术进行可行性分析、研究，尽可能多的回收宝贵的煤炭资源，创造更 ０．９２—３．１７ｍ，平均２．５ｍ，７２煤层平均倾角为１７。，赋存稳定，结 高的经济效益，延长矿井服务年限。 关键词：含水层防砂防水煤柱冒落带经济效益 ０引言 石及炭化碎片，抗压强度３３．３ＭＰａ。老顶为细砂岩，平均厚５．２５ｍ， 任楼煤矿位于安徽省淮北市濉溪县境内，北距宿州市约３０ｋｍ， 直接底为细、粉砂岩。本工作面位于Ｆ 和Ｆ。两中型断层之间，工作 西接淮北矿业集团的临焕矿区，是一个以综采为主、原设计年产１５Ｏ 面总体构造形态为单斜，工作面内煤层有一定起伏，为次生宽缓型 万Ⅱ屯的矿井，２００６年经改扩建后矿井核定年生产能力２８０万ｔ。井 向斜构造。根据７２４２工作面资料共发育有５条断层及层间滑动构 田南北长８～１１ ｋｍ，东西宽４～７ｋｍ，面积４２。０７０５ｋｍ 。主采二迭系 造影响采掘生产。 上、下石盒子组的７２，７３、８：煤层，平均煤厚分别为２ ８７ｍ、２．１０ｍ和 １．２水文地质条件、项板类型位于中二、中四采区的７，４０ ２．０４ｍ，截止到２００８年１２月底保有资源储量２２０９３．３万吨，露头 （上）工作面上覆新生界松散层厚度为２６８．３６—２８０．０５ｍ，平均厚 防水煤柱压煤１ ６３４．２万吨。 ２７３．３ｍ，由浅往深逐渐增厚，北薄南厚，其厚度变化反映了古地貌 矿井初步设计时，依据采厚，中一、中二、中四采区原设计开采 的形态。古地形起伏较为平缓，略向南倾斜，规律性较为明显。其 上限分别为３５０ｍ、一３２０ｍ水平，留设８Ｏ～１ＯＯｍ的防水煤岩柱， 中，位于中二、中四采区之间的４３—２钻孔揭露的松散层最大厚度 压煤５６８．７万吨，资源损失严重，经济技术合理性受到严重置疑。 为２８０．０５ｍ。整个采区范围内的松散层，自上而下划分为４个含水 由于损失的资源具有勘探程度高、埋藏深度浅、生产系统齐全、开 层组和３个隔水层组。松散层沉积基本特征和含水性见表２—３所 采技术条件好等特点。为充分利用现有采区生产系统，尽可能多的 示。根据钻孔资料统计表明，砂层厚度累计占松散层全厚的３９％， 回收宝贵的煤炭资源，延长矿井服务年限。任楼煤矿本着“以人为 粘性土层占６１％。含水层以平原型河流冲积相为主，隔水层以湖泊 本、科技兴矿，安全高效和减少资源损失、走可持续发展”的宗旨和 相为主。 理念，决定结合中二、中四采区开采工程实践，对７２４０（上）工作面 松散层上、中部的第一、第二、第三含水层与隔水层，在全采区 含水层下开采技术进行了可行性分析研究。 分布比较稳定。一含，厚２７～３３ｍ，平均３０ｍ，主要接受大气降水 １ ７２４Ｏ（上）工作面含水层下开采技术可行性分析 和地表水垂直渗透补给，据相邻４５—４孔的抽水试验，涌水量Ｑ＝５． １．１地质条件，采矿条件，煤层存赋情况７２４Ｏ（上）工作面位于 ２５Ｌ，ｓ，单位涌水量ｑ＝Ｏ．４８２１Ｉ／ｓ．ｍ，Ｋ＝３．０９ｍ／ｄ，水位标高为 中二、中四采区的浅部，原设计上限标高为一３００ｍ，现设计上限标 ２４．１２ｍ，为富水性较强的孔隙潜水体，系矿区主要供水水源：二含， 高为一２７５ｍ，工作面走向长１５１５ｍ，倾斜宽７５ｍ，面积１１３６２５ｍ２， 厚１．７Ｏ～３１．７ｍ，平均１１ｍ，主要接受侧向的水平迳流补给；三含， 机巷标高为一３００ｍｍ，风巷标高为一２７５ｍ，７２４Ｏ（上）工作面工业 厚２２．３～６５．６ｍ，平均３８ｍ，据５２ 孔的抽水试验，单位涌水量 （上接第１９３页） 检测控制方法：粉煤灰（黄土）添加量与变频器输出频率成正比， 胶体灭火剂ＭＣＪ１２制成高分子胶体并以一定压力注入火区。主要 可由变频器面板读数窗直接读出。浆液流量每变化１０ｍ３／ｈ，调节一 用于小范围内煤层火灾的快速控制和熄灭，也可用于巷道顶部、采空 次，调节变频控制器，按比例添加相应量的粉煤灰（黄土），使浆液达 区两道等所有范围区域的防火、灭火。 到所要求的密度。 ４结论 ３智能化灌浆注胶系统功能实现 羊场湾煤矿二分区最早建立智能化灌浆注胶系统，在首采综放 ３．１灌浆各种制浆料（砂土、粉煤灰、黄土）通过移动式浆料破 面开采过程中根据不同地点的防灭火特点，实现了注胶灌浆系统的 碎及输送系统（扒装、破碎、可伸缩皮带一体机）送至连续式定量制浆 多种功能，有效的预防和控制了煤自燃隐患的发展。鉴于此，宁东矿 系统内，与水泵输送过来的水定量混合（水土比为１：１～１：０可调）、 区新建的梅花井、清水营等煤矿都相继设计并采用此系统。该智能化 搅拌成浆后，输送至滤浆机过滤。此系统每小时最多可将４０ｍ。的制 灌浆注胶系统和传统的灌浆系统相比，具有以下特点： 浆料（土、灰）送入制滤机制成一定浓度的浆液，经过滤后通过管路进 ４．１该系统制浆量大，浆体浓度高，能够减少井下由于注浆工作 入注浆地点，达到防灭火目的。 产生的污水： ３．２压注稠化胶体稠化胶体由稠化悬浮剂ＪＸＦ１ ９３０、水和浆料 ４．２该系统能够根据不同火区的预防或者应急要求实现多种防 （砂土、粉煤灰、黄土等）构成。稠化悬浮剂能提高浆液粘度，使砂、土 灭火材料的压注功能； 或粉煤灰悬浮，浆液在使用过程中不泌水、不离析，便于泵送和管路 ４．３该系统以ＰＬＣ可编程控制器作为电气控制系统的核心部 运输，稠化剂添加量Ｏ．Ｏ６％左右，悬浮剂成本约６～９元／ｍ。。稠化胶 件，能方便地对各种参数进行控制，自动化程度高，能够适用现代化 体流动性好，可远距离输送，不堵管，且成本低。主要用于停采线、切 矿井生产的需要： 眼、采空区等大面积区域的灌浆防灭火。 ４．４胶体在密封管路中输送，不受潮，无污染，不受气候条件限 ３．３压注复合胶体复合胶体由稠化悬浮剂、胶凝剂、水和浆料 制，同时有效保护了工作环境； （粉煤灰、黄土等）构成。悬浮剂用量０．０６％、胶凝剂用量０．１％，胶体 ４．５注浆系统整体设计合理，操作灵活，操作人员少，工艺先进， 成本约１５～侣元／ｍｓ。胶体成本低，有一定的可堆积性，具有粘弹性， 安全可靠。 主要用于井下动压带和大范围火区的防治。 参考文献： 在灌浆站通过外加剂添加系统（胶体制备机和滤浆机）将稠化悬 ［１】文虎，徐精彩，邓军，张辛亥煤层自燃多功能灌浆注胶防灭火系统及 浮剂加入灌浆管网内，在井下用浆地点附近通过外加剂添加系统 其应用．２００４（５）４—６． 【２］蔡晓芒，翟小伟，邓军综放面开切眼胶体防灭火技术．西北煤炭． （ＺＭ一５／１．８Ｇ煤矿用注浆机）将胶凝剂加入灌浆管网内。 ２（２） ３．４压注高分子胶体高分子胶体灭火剂ＭＣＪ１ ２由有机高分 ２００４．【３】徐精彩，张辛亥，文虎，邓军．煤层自燃胶体防灭火理论与技术【Ｍ】．北 子与耐高温无机分子组成。ＭＣＪ１２灭火剂用量１％一８％ｏ，使用 ＺＭ一５／１．８Ｇ煤矿用注浆机，以每；Ｊ￣ａ－，ｔ ５ｍ。以下的流量将水和高分子 京煤炭工业出版社２００３．１９４ 构简单，属气煤。工作面直接顶为泥岩，深灰色，块状，较致密，向北 部逐渐变成粉砂岩，缓波状层理，厚０．４～２．３９ｍ，富含植物茎叶化 ａ：０．５４６～０．２７４１／ｓ．ｍ，Ｋ＝１．６ １．８５ｍ／ｄ。７２４Ｏ（上）工作面地表水系 ７，４０（上）工作面可按“松散层底部无粘性土隔水层”的情况选取， 不太发育，獬河流经井田南部，属淮河水系，为中型季节性河流。由 工作面覆岩岩性为软弱～中硬类型情况时，Ｈｂ＝２Ａ～３Ａ，即 于井田内尚有纵横交错的人工沟渠，对７２４０（上）工作面安全开采 覆岩为中硬时：Ｈｂ＝３Ａ＝３ｘ２．８＝８．４ｍ 无影响。工作面主要充水水源为７２煤层上覆的新生界松散含水层、 覆岩为软弱时：Ｈｂ＝２Ａ＝２ｘ２．８＝５．６ｍ 项板砂岩裂隙含水层和底板灰岩含水层，一含、二含和三含虽含水 １．５．３防砂煤岩柱垂高计算 量比较丰富，补给也比较充分，但由于其下部分别有一隔、二隔和 Ｉ按软弱覆岩计算： 三隔的阻隔，对井下开采不发生直接影响。７２４Ｏ（上）工作面上覆的 Ｈ幽＝Ｈ啪＋Ｈｂ＝７．２＋５．６＝１２．８ｍ 顶板岩性较为简单，主要由砂质泥岩、泥岩和粉砂岩、细砂岩、中粗 ｌｌ按中硬覆岩计算： 砂岩组成，该含水层在７２４０（上）工作面开采范围内赋存厚度Ｏ～ Ｈｓｂ＝Ｈ ＋Ｈｂ＝１０．９＋８．４＝１９．３ｍ ５ｍ，据７ ２工作面的开采实践和７２４Ｏ工作面出水特征表明，由于 按“相似材料模拟实验”成果留设 接近新生界底界面，风化裂隙多被充填，富水性较弱，补给来源有 最大冒落带高度为１Ｏ．２ｍ，保护层厚度按８．４ｍ选取，由此：确 限，对含水层下的７，４Ｏ（上）工作面的安全开采影响不大；据４３：钻 定的中二、中四采区７２４Ｏ（上）工作面需要留设的安全防砂煤岩柱 孔揭露，中二、中四采区浅部煤层上方老顶２０ｍ内有一层５．４— 高度为：１ ０．２＋８．４＝１８．６ｍ ６ ５ｍ的中粗砂岩，原生裂隙也不太发育，应以静储量为主，对７２４Ｏ 按“计算机数值计算”成果留设 （上）等工作面含水层下浅部煤层的安全开采影响也不大。采区内 确定的中二、中四采区之间的含水层下７ Ｏ（上）工作面需要 构造较简单，北端有Ｆ 系列正断层，走向北东，倾向北西，倾角 留设的安全防砂煤岩柱高度为：９．８＋８．４＝１ ８．２ｍ ７０。，Ｈ＝２５～１２５ｍ，属于采区边界断层，已留设５０ｍ的断层防水 按任楼煤矿中一采区工程实践成果留设 煤柱。根据３８—３９—４孔和３９ 孔对Ｆ 断层破碎带抽水试验， 根据工程类比，确定中二、中四采区浅部７ ４Ｏ（上）工作面最大 ｑ＝０．００２６９～０．００３３Ｌ／ｓ．ｍ，ｋ＝０．００４９１５～０．００５９ｍ／ｄ，为富水性较 冒落带高度为１Ｏ．６ｍ，保护层厚度按８．４ｍ选取，需要留设的保护 弱的断层。 煤柱高度为：１９．０ｍ 依据“三下”采煤规程之规定，中二、中四采区浅部７，煤层顶板 按规程和研究成果防砂安全煤岩柱最大为１２．８～１９ ３ｍ，由此 覆岩类型应属于软弱一极软弱覆岩类型。 可以确定其上限标高为一２６７．５６—一２７４．０６ｍ，因７ ０（上）工作面 直接顶与采高的比值（Ｎ＝∑Ｍ／ｈ，∑Ｍ直接顶厚度，ｈ采高）为 为任楼煤矿第一个实行留设防砂开采工作面，为确保含水层下 Ｎ＝２．３６／２．５＝０．９４。项板类型为软弱覆岩类型顶板。 ７２４Ｏ（上）工作面开采安全稳妥进行，增大其安全系数，确定其开采 １．３矿井水文地质类型及水体采动等级根据中二、中四采区 上限标高为一２７５ｍ水平。重新界定后的７ ４Ｏ（上）工作面安全煤岩 之间的７２４Ｏ（上）工作面浅部开采区域四含、三隔的分布规律、含、 隔水特性，按照水体的类型、流态、规模、赋存条件，依照“三下”采 柱厚度为２０．２４ｍ，较“三下”开采规程计算的煤岩柱多留设 煤规程，水体采动等级的划分，确定中二、中四采区之间的７２４０ ０．９４ｍ，较７２１ １工作面实测数值所需留设煤岩柱厚度大１．Ｏｍ。因 （上）工作面上覆松散含水层中的第四含水层的水体类型应属ＩＩ类 此，开采是安全可靠的。 水体，可以留设防砂煤岩柱进行开采设计，允许导水裂隙带顶点波 ２ ７２４Ｏ（上）工作面开采经济评价 及该含水层，但不允许垮落带波及四含水体。 根据任楼煤矿财务报表，７ 煤层吨煤开采成本为２００元，吨煤 即：中二、中四采区之间的西翼７２４０（上）工作面煤岩柱合理留 销售价格４２０元，吨煤利润２２０元：中二、中四采区含水层下７，４Ｏ 设高度＝冒落带高度＋保护层厚度。 （上）工作面重新界定开采上限后，可以多回采煤量３５．７万吨，由 １．４开采技术方法７２４０（上）工作面平均煤厚２．５ｍ，平均倾角 此可产生的销售产值为１４９９４万元，直接经济效益为７８５４万元。 １７。，直接顶为泥岩，直接底为泥岩，设计采用走向长壁，顶板自然 经济效益与社会效益均十分明显。 垮落法综合机械化开采，综采支架的型号为ＺＦ４０００—１７／３５。 ３可行性分析、结论 １．５冒落带高度预计及防砂煤岩柱高度 ３．１ ７２４Ｏ（上）工作面的基岩面控制程度高，基岩面标高为 一按“三下”采煤规程留设 ２４３．７—一２５４．７６ｍ，属缓倾斜煤层，７２４０（上）工作面留设的最小煤 １．５．１冒落带高度的预计根据水２ 孔和２００２—１采前水文检 岩柱为２０．２４ｍ，上限标高为一２７５ｍ。 查孔的岩体力学性能实验测试资料，结合与其邻近的童亭煤矿３２ ３＿２根据采前水２１孔查明，该区域四含的厚度为４ ５～ 采区的试验研究结果可知，主采煤层浅部覆岩属于软弱类型型。因 ２４．４ｍ，单位涌水量为０．０００３２５～０．０５８１／ｓ．ｍ，属富水性小的含水 此，选用软弱～中硬类型的覆岩计算公式进行“两带”高度预计，预 层，且四含的岩性为粘土夹砾石，粗粒含量低，塑性强，采后压实后 计参数及条件为含水层下的７２４０（上）工作面内，７ 煤层最大控制 易于弥合，因此，在工作面回采时，不易突水溃砂。 采厚为２．８ｍ。 ３．３根据“三下”采煤规程，７２４Ｏ（上）工作面开采的采动等级为 切眼附近最大控制采厚时冒落带高度预计为： ｌｌ类，不允许冒落带波及“四含”，要求留设的安全煤岩柱类型为防 覆岩为软弱时：冒落带高度 砂安全煤岩柱，７２４０（上）工作面规程要求的最大岩柱高度为 １９．３ｍ，设计留设最小煤岩柱高度为２０．２４ｍ，设计上限标高 １２∑Ｍ＋３００∑Ｍ 一２ ±１．５＝丽１００ｘ２ ．８＋１．５＝７．２ｍ ２７５ｍ，是安全可行的。 Ｈｍ＝ ６．３．４ ７２４０（上）工作面为任楼煤矿中二、中四采区之间的首个留 设防砂煤柱开采工作面，将为今后７ 煤层含水层工作面留设防砂 覆岩为软弱时：冒落带高度 煤岩柱开采积累实践经验，获得大量的可采储量，有利于煤炭资源 的回收。 １００∑Ｍ 参考文献： Ｈｍ＝—４．—７ Ｍ＋ｔ９ ±１．２＝ ÷ ＋２．２＝１ｏ．９ｍ …煤矿地质学．煤炭工业出版社． ［２】柴登榜．矿井地质工作手册 １９８４年３且２８日、 １．５．２保护层计算按“三下”采煤《规程》规定，含水层下的 ｆ３】煤矿防治水规定释义．２００９年１２月第一版． 【４】矿井水害综合防治水技术研究．中国矿业大学出版社 １９５