近浅埋薄基岩煤层季节性地表水体下分段限厚开采研究

吕 波

(内蒙古北联电能源开发有限责任公司 高头窑煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 014316)

内蒙古鄂尔多斯和陕西榆林位于我国能源“金三角”的核心区域,该区域蕴藏着大量优质煤炭资源，浅埋深、薄基岩、上覆厚松散风积沙含水层是该矿区目前开采煤层的典型赋存特征[3]。近浅埋煤层基岩厚度相对典型浅埋煤层较大，松散荷载层厚度相对较小，其矿压显现规律介于普通工作面与典型浅埋工作面之间，顶板结构呈现出两组关键层，存在轻微的台阶下沉现象，覆岩破坏规律有一定的特殊性[4]。

对于近浅埋薄基岩煤层的安全开采，国内学者展开过大量的研究，并取得了一定的成果。例如薛东杰等对浅埋深薄基岩采动裂隙演化的规律进行了相似模拟试验研究，并提出岩柱失稳的主要方式及其判断准则[5]；许延春等采用地面钻孔观测法对赵固一矿深厚松散层薄基岩条件下的覆岩高度进行了实测，得出了首采面的垮采比为3.85，裂采比大于8.59的结论[6]；应治中对近浅埋薄基岩煤层开采隔水层破坏机理进行研究，给出了导水裂缝带高度理论预测的新方法[7]；张万斌利用UDEC和FLAC3D软件对浅埋薄基岩煤层开采覆岩运动破坏规律进行分析，得出在浅埋薄基岩煤层开采过程中，通过减小工作面长度来减轻采动对覆岩的破坏是可取的[8]。

虽然对于近浅埋薄基岩煤层的安全开采研究成果较多，但针对该条件下煤层在季节性地表水体下的安全开采方案研究，成果较为匮乏。尤其在当前煤炭效益日渐转好的形势下，对季节性地表水体下煤层避开雨季进行回采的简单思路，已经不能满足现代化高产高效矿井的接续需求，因此开展近浅埋薄基岩煤层在季节性地表水体下安全开采方案的研究，显得尤为重要。

高头窑煤矿位于内蒙古自治区东胜煤田北部边缘，矿井G3-1101，G3-1103工作面开采3-1煤，地表有季节性地表水体大哈它土沟流经，煤层平均埋深156m，基岩厚度平均138m，松散层厚度平均15.64m，属于近浅埋薄基岩煤层[9]。本文以高头窑煤矿为研究背景，对矿井G3-1101，G3-1103工作面在季节性地表水体大哈它土沟下的安全开采进行研究，旨在通过对工作面实行分段限厚的开采方案，实现地表水体下近浅埋薄基岩煤层的安全开采。

1 开采技术条件

高头窑煤矿位于内蒙古自治区东胜煤田北部边缘，矿井G3-1101，G3-1103工作面开采3-1煤，工作面东北部部分地表位于季节性河流大哈它土沟区域，大哈它土沟在枯水季节一般干涸无水，但在丰雨季节，可形成短暂的溪流或洪流，洪流具有历时短、流量较大的特点。G3-1101，G3-1103工作面3-1煤层开采采用综合机械化采煤法，煤层位于延安组中岩段顶部，煤层赋存稳定，煤层厚度3.10～5.55m，平均4.09m。煤层上覆水体主要包括碎屑岩孔隙-裂隙含水层、基岩风化带含水层、第四系含水层及地表水。其中第四系含水层富水性中等～强，基岩风化带含水层富水性弱～中等，含水层富水性在河床及河漫滩区域较强，基岩山体区域较弱，第四系含水层一般15m左右，可直接接受降雨补给，在雨季可与大哈它土沟产生直接水力联系。图1为G3-1101，G3-1103工作面地层柱状剖面及与季节性地表水体平面关系。可以看出，煤层顶板基岩厚度在大哈它土沟区域变薄且差异较大，煤层开采一旦波及到上述水体，则可间接导通大哈它土沟，势必会影响矿井的安全生产，给煤矿井下生产造成安全威胁甚至不可估量的损失。

图1 工作面地层剖面图及与地表水体平面关系

2 工作面充水溃砂影响分析

高头窑煤矿季节性地表水体与第四系含水层及基岩风化带含水层具有较好的连通性，因此，含水层的充水溃砂影响分析是制定3-1煤在浅埋薄基岩地质条件下开采方案的前提。一般情况下，应先对煤层采动后的覆岩破坏高度进行预计，在覆岩破坏高度预计基础上对煤层安全煤岩柱类型及尺寸进行设计[10]，最终结合煤层特殊的浅埋深薄基岩地质条件进行工作面的充水溃砂影响分析[11]。

2.1 覆岩破坏高度预计

高头窑煤矿曾于2011年8月在G2-3101工作面上方施工了3个“两带”钻孔，对高头窑煤矿2-3煤层开采的覆岩破坏高度进行过实测，其实测结果对于3-1煤层覆岩破坏高度预计具有较大的类比意义。高头窑煤矿2-3煤层上覆岩层岩性为中硬类型，开采厚度为3.2m，实测裂采比为15.40～17.84，垮采比为5[12]，取高头窑煤矿G3-1101，G3-1103工作面3-1煤层开采裂采比为17，垮采比为5，则工作面范围内各钻孔按全厚开采时导水裂缝带高度为61.2～102.0m，垮落带高度为18.0～30.0m，如表1所示。

表1 3-1煤层覆岩破坏高度类比法预计结果

2.2 安全煤岩柱类型及尺寸设计

根据高头窑煤矿G3-1101，G3-1103工作面水文地质条件，3-1煤层上方局部地区有地表水、全部区域有第四系含水层、基岩风化带含水层及煤系地层砂岩含水层，根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》[13]，G3-1101，G3-1103工作面3-1煤层开采需对大哈它土沟区域留设防水安全煤岩柱进行开采，对非地表水覆盖区域留设防砂安全煤岩柱进行开采。《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中保护层厚度选取适用标准仅限于单层开采厚度1～3m的情况,大采高综采条件下防水安全煤岩柱、防砂安全煤岩柱保护层厚度的选取国内目前没有准确的标准。参考国内相关矿井的开采经验[14-16]并结合高头窑煤矿的水文地质条件，矿井第四系含水层与基岩面间无稳定隔水层，从安全开采角度考虑，按最稳妥原则选取高头窑煤矿综采条件下防水安全煤岩柱保护层厚度为6倍的采厚、防砂安全煤岩柱保护层厚度为3倍进行计算，工作面基岩风化带厚度统一按照20m厚进行计算。经计算后的安全煤岩柱类型及尺寸如表2所示。

表2 3-1煤层安全煤岩柱尺寸计算结果

2.3 充水溃砂影响分析

2.3.1 判别原则

充水溃砂影响判别原则如表3所示[17]。表3公式中：HJ为3-1煤层上覆基岩柱厚度，m；Hsh为防水安全煤岩柱高度，m；Hfe为基岩风化带厚度，m；Hs为防砂安全煤岩柱高度，m。

表3 3-1煤层充水溃砂影响判别

2.3.2 充水溃砂影响分析结果

根据高头窑煤矿3-1煤层充水溃砂影响判别结果，可作出G3-1101，G3-1103工作面充水溃砂影响图，如图2、图3所示。由图可知G3-1101，G3-1103工作面区域内均满足留设防砂安全煤岩柱的要求，G3-1101，G3-1103工作面部分区域内不满足留设防水安全煤岩柱的要求，其中大哈它土沟区域内均不满足留设防水安全煤岩柱的要求。

图2 3-1煤工作面充水影响

图3 3-1煤工作面溃砂影响

3 分段限厚开采方案研究

根据G3-1101，G3-1103工作面3-1煤层各段充水溃砂影响情况，结合工作面上方地表水的分布、基岩柱厚度及上覆含水层的富水性，对工作面进行分段限厚安全开采方案设计[18-19]，其限厚原则为：对于满足留设防水安全煤岩柱的区域，按照煤层的设计开采厚度或者实际煤厚进行开采；针对不满足留设防水安全煤岩柱的区域，分为两种情况进行论证，若该区域位于大哈它土沟下，采用限厚开采的方法；若该区域处于大哈它土沟外，作工作面溃砂影响图，看其是否满足留设防砂安全煤岩柱的要求，如果满足留设防砂安全煤岩柱的要求，可以按照煤层的设计开采厚度或者实际煤厚进行开采，如果不满足留设防砂安全煤岩柱的要求，采取限厚的开采措施。

根据限厚开采原则，可将G3-1101，G3-1103工作面各分为2个块段进行开采。其中II块段需要进行限厚开采，开采厚度M确定及安全煤岩柱验证公式如表4所示，分段限厚开采方案如表5所示，分段限厚开采方案如图4所示。

表4 限厚开采确定公式

表5 分段限厚开采方案

图4 工作面分段限厚开采方案

4 结 论

根据近浅埋薄基岩煤层在季节性地表水体下的开采条件特殊，通过得到该地质条件下较为可靠的煤层覆岩破坏高度，对安全煤岩柱类型及尺寸进行合理的设计，最后通过煤层的充水溃砂影响分析结果进行合理的分段限厚开采设计，可以较好地达到矿井安全与高效的平衡。研究结论认为，将G3-1101，G3-1103工作面大哈它土沟范围内分别限定开采厚度为3.5m和3.6m，即可以实现近浅埋薄基岩煤层在季节性地表水体下的安全开采。

[参考文献]

[1]武 涛.浅埋深特厚煤层综放开采覆岩破坏规律研究[J].能源技术与管理，2014,39(3):82-84.

[2]张有为，冯 刚.浅埋深煤层长壁工作面矿压显现规律研究[J].煤炭科学技术，2014，42(S1):35-36.

[3]罗利卜，樊珂奇.浅埋薄基岩煤层顺沟开采防治水体系[J].煤矿安全，2015,46(12):203-206.

[4]翟鸿良.庙哈孤矿区浅埋深煤层过沟开采技术研究[J].科技创新导报，2014(1):16-17.

[5]薛东杰,周宏伟,任伟光,等.浅埋煤层超大采高开采柱式崩塌模型及失稳[J].煤炭学报,2015,40(4):760-765.

[6]许延春,李振华,贾安立,等.深厚松散层薄基岩条件下覆岩破坏高度实测分析[J].煤炭科学技术,2010,38(7):21-23.

[7]应治中.近浅埋薄基岩煤层开采隔水层破坏机理研究[D].淮南：安徽理工大学，2015.

[8]张万斌.浅埋薄基岩煤层开采覆岩运动破坏规律数值分析[D].淮南：安徽理工大学，2014.

[9]李常文，汪 锐，何孜孜，等.高头窑煤矿河下开采导水裂隙带高度的试验研究[J].煤矿安全，2011,42(3):12-15.

[10]煤炭科学研究院北京开采研究所.煤矿地表移动与覆岩破坏规律及应用[M].北京：煤炭工业出版社，1981.

[11]刘 斌，梁则虎.下沟煤矿泾河下开采对覆岩破坏机理的研究[A].煤矿隐蔽致灾因素及探查技术研究[C].北京：煤炭工业出版社，2015.

[12]李 磊.浅埋深薄基岩地表水体下厚煤层重复开采研究[J].煤矿开采,2016,21(4):84-86.

[13]煤炭工业部.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M].北京：煤炭工业出版社，1986.

[14]贾永勇，娄 芳，徐海东.地表河流下大采高综采安全煤岩柱留设分析[J].内蒙古煤炭经济，2016(9):131-132.

[15]许光泉，胡友彪，涂 敏，等.松散含水体下合理安全煤岩柱高度留设回顾与探讨[J].煤炭科学技术，2003,31(10):41-44.

[16]许延春，李江华，李卫民，等.赵固二矿露头区砂砾含水层下安全煤岩柱留设研究[J].煤矿开采，2014,19(3):47-50.

[17]来兴平，蔡美峰，任奋华.河下开采扰动诱致采空区动态失稳定量预计与综合评价[J].岩土工程学报，2005,27(12):1421-1424.

[18]刘万荣，马海峰，彭 超.浅埋薄基岩煤层合理采高的选择[J].煤矿安全，2014,45(5):194-196,200.

[19]赵文涛，翟剑平，李秀山，等.厚松散层薄基岩条件下提高开采上限的研究[J].江西煤炭科技，2014(2):112-113.

[20]李来源.浅埋深薄基岩原煤层大采高综采覆岩破坏高度实测研究[J].能源与环保，2017(5)：206-209.