灰场下综采工作面安全开采技术研究

文/万 军

灰场下综采工作面安全开采技术研究

文/万 军

平顶山天安煤业股份有限公司一矿位于平顶山市中心北约3Km处，矿井于1957年12月动工兴建，1959年12月投产。主采丁、戊组煤层，生产能力400万吨/年，属于煤与瓦斯突出矿井。本井田位于平顶山煤田李口向斜轴以南，走向北西、倾角平缓的单斜构造，矿区地面为低山丘陵地形。矿区年平均降水量740mm，雨季在7～9月，年蒸发量1490～2825mm，蒸发量大于降雨量。受地形影响，南北向冲沟较发育，夏季有少量水流，向南汇入湛河，向北汇入竹园水库。

程寨沟灰场及灰坝位于一矿丁二下山采区上方，是电厂粉煤灰渣排放场所，灰场大坝下压煤可采储量达970万t，制约了矿井可持续发展。平煤一矿通过丁6-32060采面开采探索灰场下采煤技术，为矿井后续采面回采积累了经验。

一、灰场概况

程寨沟灰场三面环山，在其北部筑有大坝构成储灰库，入灰量200万m3/年。灰场大坝初级坝为透水型堆石坝，后期采用灰渣逐级加高方式，现已建成初期坝和三级子坝。目前坝顶标高+245m，坝基标高+175m，高度70m，坝顶宽6.75m，主坝长度1km。目前总库容3360×104m3， 已存储约 2800× 104m3，灰面标高约+236.5m，库内水体标高约+235m，坝前有固结干滩面，积水区距坝体约390m。

二、丁6-32060采面开采技术条件

丁6-32060采面位于三水平丁二采区西翼，该采区地表为低山丘陵地形，采区西北部有滑角山，标高+333.9m，区域内最低标高+ 161m，地表平均标高+240m，丁组煤底板等高线-460～-600m，煤层埋深约600～700m，地表第四系覆盖层较薄，大部分基岩直接出露。井下水文地质条件简单、断层较少，开采期间主要充水源为煤层顶板砂岩含水层，充水通道为采动裂隙及构造破碎带，多年来开采充水量较小,对生产没有较大影响。地表水及基岩风化带含水不会对矿井形成充水，但可成为矿井充水的间接补给水源。

丁6-32060采面走向1810m，倾斜200m，可采储量110万t，煤层倾角约9°，平均煤厚2.4m。采面顶底板为多泥岩、砂质泥岩、细砂岩层。采面相对瓦斯涌出量2.0～6.0m3/t。丁组煤层具有爆炸性，自然发火期3～6个月。采煤方法为走向长壁后退式综合机械化开采，全部垮落法处理顶板。

三、丁6-32060采面灰场下开采可行性

丁6-32060采面在灰场和大坝下采煤有利条件如下：

1.不会发生积水溃入井下事故

由于粉煤灰采用湿排法入灰库，沉淀后形成的集水区对开采构成一定威胁，需留设足够的防水安全煤岩柱，防止地表积水溃入井下。

（1）岩层导水性能

根据岩层的变形规律，开采后上覆岩层将形成弯曲带、裂缝带、垮落带。冒落带透水砂能力强，若含水层处于冒落带内，含水层水体会直接突入回采空间。

垮落带和裂缝带均属导水裂缝带，位于导水裂缝带内的含水层水会沿裂隙向采空区汇流，在采空区附近形成水位下降漏斗。导水裂缝带的高度决定了回采空间涌水量的大小，对安全生产影响较大。

（2）岩层结构性质分析

采区上覆岩层从上至下软硬

式中：M—煤层累计采厚，m；

n—煤层开采分层数。

经计算导水裂缝带高度为103m。

防水煤岩柱尺寸。通过留设足够的防水煤岩柱防止积水进入回采空间，防水安全煤岩柱高度按下式计算：

式中：Hsh—防水安全煤岩柱垂高（m）；

Hli—煤层采后导水裂缝带高度（m）；

Hb—保护层厚度，取3倍采厚；

Hf—基岩风化带厚度，取50m；

丁6-32060采面开采后导水裂缝带最大高度为103m，经计算度交互特征明显，层间水力联系比较弱，主要是层内运动，为补给条件差的弱～中等含水裂隙岩组，含水空间以风化裂隙和构造裂隙为主，煤层采动后向矿井充水有限。由于开采煤层厚度小，顶板基岩厚度大，约600～700m。因此，开采后形成的导水裂缝带高度有限，顶板以上大部分岩层的原始渗透性不会受到破坏，对开采有利。

（3）灰场下防水煤岩柱尺寸

导水裂缝带发育高度。采动后的导水裂缝带最大高度主要受岩层结构、采厚、采煤方法和顶板管理方法、煤层倾角、采空区面积及推进速度等因素影响。

依据采煤导水裂缝带规律研究成果，计算公式如下：水下开采需要的安全煤岩柱高度为170m，而采场上部岩柱最小高度为660m，安全岩柱上方隔离岩柱达540m。采用的综采工艺不会改变矿井充水方式，采面充水仍以顶板基岩裂隙水为主，预计采面正常涌水量 0.17m3/min，可通过疏导、排水解决。

2.地表变形有限

煤层赋存深度600～700m，煤厚较薄约2.4m，开采深厚比250～292。根据开采地表岩移规律经验，当开采深厚比大于50时，回采造成的地表变形是缓慢渐变发生的，不会出现突然陷落。灰场地表移动时，坝和地基将呈现整体同步移动，不会出现离层。通过及时采取观测及维修加固措施，可保证坝体安全正常运行。同时，由于开采区域地质条件较为简单，构造较少，断层落差小，破坏程度有限，地表坝体不会产生非连续性断裂破坏。

3.实际开采经验

灰场区域之前已经有部分采面开采，均未对灰场及坝体造成严重影响，没有影响灰场功能，也不影响附属水工建筑物正常运行。

四、监测技术方案及坝体维修加固措施

1.监测技术方案

结合“三下”开采经验，丁 6-32060采面灰场下开采，将对大坝等产生一定程度的采动影响，必须对坝体及附属水工构筑物进行变形监测，积累经验和观测数据，为灰坝维修加固提供科学的依据，必要时可对开采方案进行调整。沿坝体纵向设三组测点，观测线长度总计2500m，测点间距25m，控制点设在不受采动影响地面区域。并及时分析观测资料，及时采取维修措施。

2.坝体维修加固原则及措施

坝体采动裂缝的处理。一是对裂缝带打钻注浆加固坝体（粘土浆或粘土水泥浆），二是对较大的坝体裂缝或灌浆效果差的裂缝，采用开挖回填的方法处理。或者打钻注浆与开挖回填两种方法相结合进行治理。

水工建筑物维修处理。水工建筑物主要包括泄洪洞和排灰水管等刚性建筑物，受采动影响可能导致砼表层脱落、结构缝变形和渗漏等问题，应及时观测并采取措施处理。要及时清理脱落杂物，保证管洞内通畅。

五、结论

经过分析论证，丁6-32060采面自2013年开始进行回采，回采期间月推进度在140m左右，采面涌水量仅0.2m3/min左右，实现了采面的安全生产。回采期间，对坝体等进行了全面监测，数据表明3年来，回采不影响坝体及附属水工建筑物的正常运行。实践证明，平煤一矿储灰场地表水体下开采安全可行，且积水区不会对采面产生充水影响，更不会对灰场坝体及附属水工建筑物产生破坏性影响。

（作者系平顶山天安煤业股份有限公司一矿矿长）

（责任编辑：周琼）