豫西 “三软”煤层水体下采煤工程技术实践

李红行 杨成轶 刘志鸿 娄 鹏

（1.郑州煤炭工业 （集团）有限责任公司，河南省郑州市，450042；2.中国矿业大学 （北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083）

豫西 “三软”煤层水体下采煤工程技术实践

李红行1杨成轶2刘志鸿1娄 鹏2

（1.郑州煤炭工业 （集团）有限责任公司，河南省郑州市，450042；2.中国矿业大学 （北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083）

针对郑州矿区 “三软”煤层地质采矿条件，结合 “三下”采煤技术，提出了杨河煤业魔洞王水库下隔离开采的开采方案，确定了水库下采煤工作面的推进方向和速度，并给出了水库和堤坝保护煤柱范围内合理的开采厚度。通过导水裂隙带高度计算，分析了水库下采煤的安全性。工作面采用综采放顶煤一次采全高，工作面大致为由东向西推进，与水库大坝长轴走向基本一致，经首采工作面试采实践证明开采方案安全可行。

三软煤层 水体下采煤 导水裂隙带 推进方向 推进速度 郑州矿区

水体下采煤的主要问题是水体一旦遭受破坏，将会威胁整个矿井的生产和人身安全。而三软煤层的采煤特点给水下采煤带来了很大的困难。

本文在现场调研、收集地质采矿资料的基础上，根据水体下采煤的技术理论，结合具体的地质采矿条件，通过上覆岩层破坏高度的计算、地表移动和变形的分析对魔洞王水库水体下采煤的安全性进行了研究和论证。

1 矿井概况

杨河煤业31采区位于荥密大背斜南翼，为一较平缓的单斜构造，以近东西向之高角度南升北降之断裂为其特征，采区水文地质条件复杂，煤层结构简单，属较稳定缓倾斜煤层，煤层上覆厚200 m以上基岩。魔洞王水库位于杨河煤业31采区中部，堤坝位于31采区的中下部。水库底面北部、中部和南部下距二1煤层顶板分别为204 m、394 m和452 m。水库估算压煤面积约30万m2，压煤量预计达6.84 Mt。若为水库及堤坝留设保护煤柱，将对31采区的开采布局造成影响，杨河井田的多个工作面将不能开采。

2 “三软”煤层水体下采煤方案及开采工艺

2.1 魔洞王水库下采煤方案

杨河煤业31采区煤层结构简单，属稳定缓倾斜煤层，顶板以上含水层对开采影响不大，且有200 m以上的上覆基岩，适合采用隔离法进行开采，结合矿井生产的实际情况，杨河煤业31采区水库下采煤采用留煤岩柱顶水开采，回采工作面采用走向长壁后退式综采放顶煤采煤法，全部陷落法管理顶板。

2.2 水下开采厚度

为了保证堤坝及水库的安全，防止上覆水体和泥砂溃入井下，在堤坝及水库的保护煤柱范围内必须要有合理的开采高度。为最大限度减小开采对堤坝的影响，确保堤坝的整体性和稳定性，同时结合该矿实际情况，在堤坝保护煤柱范围内只采不放，在水库保护煤柱开采范围内采用限厚开采。

2.3 导水裂缝带最大高度

根据 “三下”采煤规程中给出的缓倾斜条件下厚煤层分层开采时的垮落带和导水裂缝带高度的计算公式进行计算，确定31采区水库保护煤柱范围内限厚开采时的垮落带和导水裂缝带高度。经计算保护煤柱范围内限厚开采时的垮落带和导水裂缝带高度如表1所示。

表1 保护煤柱范围内限厚开采时的垮落带和导水裂缝带高度计算表

2.4 安全性分析

水库保护煤柱范围内钻孔资料所示各功能岩层厚度见表2，同时结合表1参数，得出导水裂缝带发育的最大标高与基岩顶部边界之间的基岩岩柱厚度均在167.72 m以上，再加上18 m厚的第四系砂质粘土的隔水作用，导水裂缝带不会波及地表上的水体魔洞王水库，31采区水体下开采方案是安全可行的。

表2 魔洞王水库附近钻孔资料所示各功能岩层厚度统计表 m

2.5 工作面推进方向和推进速度

为了确保堤坝的安全，在堤坝保护煤柱下采煤，必须保证工作面的推进方向与水库堤坝的轴向一致，并确定合理的推进速度。

2.5.1 工作面推进方向

杨河煤业31采区为单翼采区，根据采区布置各工作面的推进方向大致为由东向西推进，魔洞王水库大坝长轴为东西走向，各个工作面推进方向与魔洞王水库大坝长轴走向基本一致，因此工作面推进方面对堤坝的影响不大，有利于堤坝的稳定下沉。

2.5.2 工作面推进速度

工作面的推进速度直接影响着地表最大下沉速度与地表最大下沉值，为了保证水库下采煤的安全，采煤工作面必须要有合理的推进速度，确定其关系的常用经验公式如下：

式中 ：V——工作面推进速度，m／d；

vmax——地表下沉最大速度；m／d

H0——平均开采深度，m

wmax——地表最大下沉值，m；

K——下沉速度系数。

表3 堤坝沉降速度与工作面推进速度对应表

杨河煤业31采区上覆岩层为软～中硬岩层，根据该矿埋深相近的区域开采地表深陷观测，下沉速度系数K约为1.3～1.45，地表最大下沉值为3.8 m。平均开采深度H0为375 m，土堤坝允许的最大下沉速度为0.040 m／d。根据以上数据可计算出堤坝附近工作面适当的推进速度，计算结果如表3所示。根据式 （1）可知，地表最大下沉速度与工作面的推进速度成正比，因此，在开采过程中要确定适当的开采推进速度，以确保堤坝的安全。如果推进速度过慢，容易使工作面前方出现边界效应，不利于堤坝的保护；如果推进速度过快，容易加剧堤坝的变形速度，也不利于堤坝的保护。基于以上分析，在31采区堤坝保护煤柱范围内进行回采时，应采用合理的开采速度，以避开开采速度的危险区，堤坝附近工作面的平均开采速度尽量保持在1.5～2.7 m／d。

3 开采方案安全可行性验证

3.1 试采工作面概况

杨河煤业31071工作面位于31采区中部，水库位于工作面中部相对应的地面上，堤坝位于工作面南部200 m左右，工作面走向长1220 m，切巷长130 m，煤层底板标高为-170～-59 m，地面标高+180～+202 m，平均埋深282.3 m，平均煤厚6 m，工作面采用综采放顶煤一次采全高，全部陷落法管理顶板，采用ZFZ-6000／19／28LT型放顶煤液压支架支护，综采工作面两端使用ZFZ-6000／21／30LT型端头液压支架。工作面由东往西推进，工作面推进速度2.4 m／d，在堤坝保护煤柱范围内采高2.8 m，在水库保护煤柱围内采高5 m，采高2.8 m，放顶煤2.2 m。

3.2 试采试验观测

（1）地表岩移观测。在31071工作面中部相对应的地表建立地表岩移观测站，在工作面内地表布置了一条走向观测线和一条倾斜观测线，走向观测线布设19个观测点，倾向观测线布置15个观测点。根据31071工作面地表岩移观测，地面受工作面采动影响范围为上副巷以北140 m，下副巷以南220 m。地面受采动影响，超前影响距为60 m，超前影响角为78°，最大下沉速度滞后距离为120 m，最大下沉速度滞后角为67°，地表最大下沉值位置为下副巷以南30～50 m之间，最大下沉量为2.3 m，小于埋深相近区域开采后地表最大下沉值3.8 m，该开采方案能保证堤坝及水库下开采的安全。

（2）水位观测。在31轨道下山建立了测水站，每月观测不少于3次，观测涌水量基本稳定在70 m3／h左右。地面在31071工作面附近观测6个水井水位，井深度不超过50 m，水源为浅部水，水位随着季节雨水增加有所变化，但水位变化不超过1.5 m。

（3）采空区导通试验。在31071工作面采空区地表充分采动范围内7个地点进行了导通试验，1＃、5＃、6＃注水点位于工作面上副巷附近，2＃、3＃注水地点基本位于工作面中部，4＃、7＃注水点位于工作面下副巷南部40 m附近，在每个注水点位置选择较大的裂缝，用排水能力不小于50 m3／h排水泵抽水直接注入裂缝内，每个点连续注水量不小于500 m3，累计注水量3650 m3，地表裂缝注水后工作面采空区内无异常。

4 结论

（1）结合 “三软”煤层特点， 杨河煤业31采区水库下采煤采用留煤岩柱顶水开采，回采工作面采用走向长壁后退式综采放顶煤采煤法，全部陷落法管理顶板。通过31采区上覆岩层特性选取合理的岩层下沉系数，结合经验公式确定了工作面推进方向及速度。

（2）根据 “三下”采煤规程中给出的缓倾斜条件下厚煤层分层开采时的垮落带和导水裂缝带高度的计算公式预测开采裂高，根据水体下采煤技术理论，结合具体的地质采矿条件，通过上覆岩层破坏高度、地表移动和变形分析，计算水库下保护煤柱范围内限厚开采时的垮落带和导水裂缝带高度，确定垮落带和导水裂缝带不会波及地表上的魔洞王水库。

（3）通过首采工作面试采，进行了包括地表岩移观测、采空区导通试验和水位观测等，确定了地面受工作面采动影响范围及地表水位波动范围，并在地表裂缝注水后确定工作面采空区内无异常，确保杨河煤业31采区水体下开采方案安全可行。

［1］何国清，杨伦，凌赓娣等 .矿山开采沉陷学 ［M］.徐州：中国矿业大学出版社，1994

［2］李春玉，张海戈，王志勤等 .三软煤层放顶煤的矿压特点及液压支架的设计和实践 ［J］.中国煤炭，1995 （6）

［3］田玉欣，孙如华，李帅 .导水裂隙带高度确定方法研究 ［J］.中国煤炭，2013（9）

［4］李伟，詹振江 .淮北矿区 “三软”极复杂煤层综采技术研究与实践 ［J］.煤炭学报，2010（11）

［5］袁亮，吴侃 .淮河堤下采煤的理论研究与技术实践［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2003

［6］钱鸣高，石平五 .矿山压力与岩层控制 ［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2003

［7］冯宝兴，董现锋 .水体下压煤综放开采试验研究［J］.中州煤炭，2011 （4）

［8］李佩全 .淮南矿区水体下采煤的实践和认识 ［J］.中国煤炭，2001（4）

Practice of under-water mining engineering technology in"three soft"coal seam in Western Henan

Li Hongxing1，Yang Chengyi2，Liu Zhihong1，Lou Peng2
（1.Zhengzhou Coal Industry（Group）Co.，Ltd.，Zhengzhou，Henan 450042，China；2.Faculty of Resources and Safety Engineering，China University of Mining ＆ Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China）

Aiming at the geological mining conditions of"three soft"seam in Zhengzhou mining，combining with the"three-under"mining technology，the paper put forwards the mining scheme of isolating mining under the Mowangdong reservoir for Yanghe Coal Mine.It determines the advancing direction and speed of the working face during mining under the reservoir and presents rational mining thickness within the range of protective coal pillars of reservoir and dam.Through calculating the height of the water flowing fractured belt，this paper analyzes the security of mining under Mowangdong reservoir.Fully-mechanized and full-seam cutting is adopted in the working face，and the advancing direction is from east to west generally and the trend is basically same with the long axis of the Mowangdong reservoir.The mining practice of the first working face proves that the mining scheme is safe and feasible.

three soft coal seam，under-water coal mining，water flowing fractured zone，advancing direction，advancing speed，Zhengzhou mining area

TD823.83

A

李红行 （1979-），男，河南灵宝人，工程师，硕士研究生，2002年参加工作，从事生产技术管理工作。

（责任编辑 张毅玲）