安全回采上限的确定及在煤矿生产中的实践

摘　要　松散含水层下安全回采上限的确定应当考虑煤层上覆岩体的地质构造及工程地质条件,松散含水层含水体类型与采面支护条件、煤质及经济可行性五大条件,该文系统介绍了济宁地方煤矿在这方面的实践及具体做法。
关键词　松散含水层下采煤　回采上限　煤柱留设　经济效益

　实现松散含水层下煤炭安全开采,采用留煤岩柱顶水采煤,疏水采煤,疏顶结合采煤,充填采煤等方法,其实质是隔绝或减小含水层水涌入井下工作面,留设安全防水煤柱是目前最常用的方法。如何确定防水、防砂、防塌煤柱的大小,以确定回采上限,是采区设计的重要问题。几年来,济宁地方煤矿在原矿井设计基础上提高回采上限,取得了较好的经济效益,并延长了矿井服务年限。

1 　地质特征
济宁地方煤矿共有15 对矿井,实际产量已达8. 70MtPa。矿井所处的兖州煤田、济宁煤田、滕县煤田均为第四系复盖下的全隐蔽石炭、二迭纪煤田。第四系复盖层厚度100～400m ,分数层含隔水层。与煤系直接接触的有强弱不同的含水层,也有薄层粘土隔水层,故压煤水体类型多样。可采煤层为山西组第3 层煤,其厚度在合并区为8～10m ,分岔区上下层各为3～5m。煤层顶板为砂岩,泥岩,粉砂岩,变化不一,其工程地质条件也各不相同,在风氧化带中,其力学指标均有较大程度下降。采煤方法为:分层机采或综采放顶煤。
2 　影响煤柱留设大小的两大因素
采煤后的冒落带、导水裂隙带的发育高度以及其上含水体的水文地质条件是确定煤柱留设大小,煤柱留设方式(防水、防砂、防塌) 的主要依据。两带发育高度,目前已有较接近实际的经验数据可以对比。由于矿井设计初期对上覆各水体类型的确定尚缺少资料或未得到充分研究,往往将数值较大的防水煤柱值作为安全煤柱值,从而有可能造成大量煤炭储量呆滞井下。所以目前特别要加强含水层的水文地质条件研究,使煤柱留设科学化。
3 　煤层上覆岩层的研究
3. 1 　查明采区、工作面的地质构造展布情况
进行采区三维地震勘探,了解煤层赋存状况及断层发育情况,配以必要的地面钻探工程,做出煤层上覆岩层厚度等值线图。利用此图可查看区内不同位置上覆岩柱的大小。
3. 2 　地质力学分析
根据已揭露的断层力学性质,分析区内断层的张、压、扭等力学性质以及它们之间的切割关系,由于不同力学性质的断层其导水性、发育长度、断层破碎带程度不同,对采动后冒
落、导水的影响不同。涨性断层及其交岔处岩层破碎较甚,其导水裂隙带高度可为正常地段的1. 2～1. 6 倍。同样已被广泛证明了的,工作面走向与断层走向平等时,由下盘向上盘方向回采时的冒落高度要较上盘向下盘方向回采时的冒落高度大;而工作面与断层走向斜交时,则断层对裂隙高度发育的影响最小。查明断裂构造的目的是在用经验公式预计冒裂带高度时,充分认识到由于断层影响,冒裂带增大的可能性。
3. 3 　覆岩破坏高度预计
(1) 经验类比法。可以用本矿实测的冒落带高度与导水裂隙带高度值进行类比,对更多的运用“三下压煤开采规程”中经验公式来类比。关健是必须要有本区煤层上覆岩层的
单向抗压强度值,特别是风氧化带的强度值。实践证明,用规程类比法求出的冒落带高度往往可以得出满意的结果。
(2) 数值法。通过对煤层上覆岩土层的岩相分析及物理学特征的测定,将其进行工程地质分组,并建立走向和倾向的工程地质模型,采用特拉克- 波拉克- 开泼模式,对模型各节点进行应力分析,求得拉应力区、剪应力区的分布情况,从而预测冒落带分布范围及导水裂隙带分布范围,最终确定冒裂带发育高度。数值法由于直接按照本区覆岩的工程力学性质所计算,因此更接近于实际。
4 　对上覆松散含水层的水文地质条件的研究为确定含水层能承受采动影响的程度,以正确确定水体类型,从而选择安全煤岩柱留设的类型。主要工作有:
(1) 分析垂向的松散层岩性、结构、厚度之间的水力联系;
(2) 分析地层横向的分布特征、含水层补给条件;
(3) 了解含水层水动力学参数,主要有单位涌水量Q 值及渗透系数K值;
(4) 松散含水层与基岩风氧化带、基岩之间的水力联系;
(5) 基岩风化带,基岩的含水特性。水文地质条件研究,一般通过对地层的垂向、横向岩性剖面、电测井曲线分析以及抽水资料分析来进行,其最终结果是认定含水层的水体类型(弱、中、强) ,预计可能进入工作面的最大水量以及发生涌砂的可能性。
5 　安全原则及经济分析
5. 1 　安全原则
在实际生产中往往会遇到一些由原始沉积条件造成的预料不及的出水现象。因此,这里的安全原则是采区的、矿井的排水能力,必须大于预计的假设工作面上部含水层水全部进入工作面时的水量。为防止漏砂进入作业场所,采面顶板必须铺设防砂网。
5. 2 　经济分析
目前,井下1m3Ph 的涌水量,一年的排水费用约1 万元左右。因此,切不可只顾提高上限,而忽视增加矿井的涌水量,给矿井增加长期的经济负担,造成得不偿失的后果。前期的科研工作量,采煤时包括加强支护在内的生产与安全措施,以及采后的包括构筑挡水墙在内的善后措施等所发生的经济费用,均应纳入投入的费用中。因此,安全煤岩柱的留设不单要确定两带高度及上覆水体类型,而且要符合经济原则。
6 　支护条件及煤质变化
当回采上限依防砂煤柱或防塌煤柱留设时,工作面将位于风氧化带上下、从而带来两大制约问题,支护和煤质。影响支护的客观因素很多。同样一个采区,一个标高,可有不同的支护条件。如杨庄煤矿十采区北部工作面,上覆岩柱仅存7. 8m也是安全的,煤炭低位发热量仍高达6500 大卡以上,而南部工作面上覆岩柱为20m ,支护却相当困难,甚至被迫撤离机组。横河煤矿某工作面局部地段岩柱为11. 3m时,生产也是安全的,而另一个矿则发生漏顶埋柱,被迫降低采煤上限。在煤质方面,氧化带的煤质,其物理性质无大改变,但发热量已明显降低。风氧化带煤已成粉状,无法利用。一般氧化带深度20m 左右,有时可大于25m ,风化带则可达5～6m深。因此,回采上限的确定,必须考虑风氧化带给煤质造成的影响,另一方面则要考虑用户对煤质的要求。
7 　结论
(1) 松散含水层下安全煤柱的留设,必须考虑及查明以下决定条件,即煤层上覆岩层的冒裂高度,松散层的采动影响水体类型、支护条件及煤质。在满足这两个条件后,支护条件和煤质有时成了矛盾的主要方面,有时回采上限只决定项目的取舍。
(2) 那种认为可以允许一定量水进入井下的做法往往是不可取的,这将大大增加矿井长期排水的费用。
(3) 煤层上覆岩工程地质研究,特别是岩土力学性质指标以及上覆水体的水动力参数的求得,是研究煤柱留设的主要工作。这方面可以利用原精查地质资料,但更应投入一定的科研工作量,如三维地震勘探,增加井上下的钻探工程量,以进一步查明地质条件。
(4) 根据经验,一个矿井提高回采上限,必须先进行试采,即使条件允许留设防砂煤柱,防塌煤柱,其试采上限最好不超过风氧化带(垂深20m左右) 下限,这时不会产生支护及
煤质问题。试采成功后,再继续提高。