综合地质保障技术在崔木煤矿开采中的应用

李 亮，田增辉

(陕西省一八六煤田地质有限公司，陕西 西安 710065)

0 引言

煤矿地质保障技术作为煤矿安全、高效生产的关键技术之一，列入安全高效矿井的5大保障体系。长期以来，我国煤田地质和矿井地质工作者在煤矿开采地质条件等方面进行了大量探索，地质保障技术的应用，取得了丰硕成果。

崔木煤矿于2012年3月建成并投产，目前生产规模达4.0 Mt/a。随着矿井的开采，一些地质问题逐渐显现出来，成为影响矿井安全高效开采的主要地质因素，通过对这些地质因素的分析研究，运用综合地质保障技术服务于矿井生产，确保了矿井持续安全高效生产。

1 煤矿地质特征

崔木煤矿位于黄陇侏罗纪煤田永陇矿区东端，为掩盖式煤田，地表在沟谷中零星出露有白垩系下统洛河组，其上为新近系及第四系广泛覆盖。地层由老到新依次为：中生界三叠系中统铜川组，侏罗系下统富县组，中统延安组、直罗组、安定组，白垩系下统宜君组、洛河组，新生界新近系、第四系。延安组为本矿唯一含煤地层，含有可采煤层。

崔木煤矿位于麟游褶带北部边缘，隐伏构造总体为一走向NEE，倾向NW-NNW向的单斜构造。受同沉积构造作用的影响，煤矿所在区域发育有次级褶曲，煤矿构造赋存于北部的太峪背斜和南部的遥远背斜之南北翼的含煤凹陷，如图1所示。煤系地层由中三叠统铜川组基底继承而来，倾角平缓，一般3°～5°，局部较大，但不超过17°。

图1 崔木煤矿构造分布图

延安组3个含煤段自上而下分别含1#煤层及2、3两个煤组，煤层编号为1、2-1、2-2、2-3、3-1、3#煤。其层位位于延安组各中级旋回的中下部和下部。矿区范围内主要发育第二段和第一段，第三段不甚发育，个别见煤点仅含1#煤层，第二段发育2煤组，第一段发育3煤组。3#煤层为大部可采的较稳定型煤层，是煤矿唯一主采煤层，其余为不可采煤层。3#煤为特低硫，低磷，富油，中高挥发分，中等软化温度灰，高热值不粘煤31号(BN31)为主，主要供动力用煤。

2 煤矿生产中主要地质问题

2.1 小断层发育

煤矿在巷道掘进过程中遇到了一些小断层，有些是对勘探阶段查明断层的揭露，比如在21305机巷在标志点5P4至5J1之间揭露了DF1断层，揭露点5处。在其它地段还揭露小断层9处，均为正断层，落差一般2～5 m，最大6.5 m。这些小断层共有的特征是均为正断层，且断距较小，无揉皱现象，无明显破碎带，煤层层理受力牵引向上，落差向左帮及外侧延伸增大，下盘煤层变薄，如图2所示。

图2 断层DF1揭露点剖面图

2.2 煤层厚度变化较大

煤层是煤矿开采的工作对象。煤层厚度不同，开采方法也不同，煤层厚度发生变化，必然要影响矿井的采掘工作。所以，煤层厚度变化是影响煤矿生产的重要地质因素之一。

崔木煤矿工作面揭露煤厚与钻探成果一致，目前开采的区域是煤层相对稳定区。但在资源量控制程度较低的区域，煤层厚度变化大，且存在突然由巨厚煤层短距离内尖灭消失的情况。特别是最低可采边界线控制不清，需要进一步补充查明。经探采对比分析，煤厚分布情况如图3所示。

图3 探采对比煤厚分布情况

煤矿开采5年，采用一次性综采全放顶采全高，已开采区煤厚一般为13.5～28.4 m的巨厚煤层，可以看出，未采区的煤厚分布将以中厚～厚煤层为主，且稳定类型属于较稳定，这是本矿将来煤厚变化的主要特征。

2.3 矿井瓦斯

矿井开采工作面监测结果表明，瓦斯含量为0.49～12.40 m3/t，属于复杂地质类型的高瓦斯矿井，需结合采掘资料进一步论证瓦斯抽放及利用的可行性。

2.4 水文地质

崔木煤矿受采掘破坏或影响的含水层为侏罗系延安组和直罗组含水层，以及白垩系洛河组砂岩含水层。延安组和直罗组属弱富水性含水层，埋藏深而裂隙不甚发育，补给来源单一，导水性差，迳流滞缓，富水性弱，易于疏干，对矿井开采威协不大。白垩系洛河组砂岩孔隙裂隙含水层亦属弱富水性含水层，但因其含水层厚度大，分布广，富水性较延安组和直罗组含水层强，对矿井开采构成一定威胁。

崔木煤矿突水事件时有发生，最大突水量在40～1 100 m3/h之间，其中大于600 m3/h的突水事件主要有2次；3#煤层正常涌水量为Q1=248 m3/h，最大涌水量为Q2=322 m3/h，目前开采地段观测涌水量为77.9～223.8 m3/h；矿井还存在少量积水，位置、范围、积水量清楚。主要防治水工作集中在防治离层积水对工作面安全生产的影响上，防治水工程量较大，难度较高，难易程度属复杂类型。为了防治煤矿水害，需预先防治或井上下疏放。

3 综合地质保障技术

3.1 技术手段及成果

崔木煤矿综合保障技术手段及取得的成果见表1。

表1 地质技术方法及应用成果汇总表

3.2 三维地震技术

地震勘探技术在煤矿采区应用已近50年，现已成为煤矿安全高效开采前构造勘探的首选技术之一，是煤矿地质保障系统的核心技术，其勘探成果已成为采区设计和综采工作面布置的重要依据。地面采用高分辨率三维地震勘探，可基本查明落差5 m以上的断层和波幅大于5 m的褶曲，解释3～5 m的断点，圈定直径大于20 m的地质异常体，在条件较好地区精度更高。

崔木煤矿三维地震解释预测区内10个小型褶曲，分别为：花园阳坡向斜、北旺背斜、汤家向斜、桐树坪-薛家坪背斜、B1背斜、X1向斜、B2背斜、X2向斜、B3背斜、X3向斜。

首采区及22盘区内共解释断层25条，其中首采区三维地震勘探共解释断层5条，22盘区补充勘探三维地震勘探共解释断层20条，典型地震波剖面如图4所示。

图4 22DF3断层在时间剖面及水平切片上的反映

褶曲对煤层开采的影响：首采区及22盘区煤系地层构造总体为NNW向展布的背向斜交替构造，在桐树坪-薛家坪背斜和北旺背斜轴部存在无煤区。褶曲的形成对于埋藏在地底下的煤矿产生了诸多影响，对煤矿的采区及阶段划分、煤矿产量、进尺、成本、利润等主要经济指标和企业的经济效益有一定的影响。①采区及阶段划分困难，21盘区的301和302工作面在北部与汤家向斜轴部斜交，在此区域煤层走向、倾向、倾角变化大，而采区及阶段划分时只能按照条条块块划定，这就给主要运输巷和采区上山等岩石巷道的布置带来很大困难；②工作面回采难度加大，在向斜两翼，由于煤层起伏变化大，使工作量增大，开采困难。

断层对煤层开采的影响：①在采掘工作面，煤层比岩层的硬度小，受到断层的牵扯力后，容易产生塑性流动，聚集增厚形成煤包，煤层结构受到破坏，煤岩质变松。当在该煤岩层开采时，原来的平衡受到破坏，易造成了煤岩层垮落事故；②在断层上、下两盘，由于受断层牵扯影响，经常会产生次一级的向背斜构造，在背斜的轴部，煤岩层受到拉伸，煤岩层之间的粘合力降低。在向斜轴部，煤岩层的顶板受到挤压，结构受到严重的破坏，裂隙极为发育。在开采以后将其之间的平衡点破坏，极易造成垮落。

3.3 补充勘探对煤层厚度变化规律的揭示

随着矿井的不断开采，原有的勘探程度已经不能满足矿井的生产需要，因此及时进行补充勘探工作，须精细查明煤层的厚度及变化规律、可采范围以及受构造影响对盘区的划分、巷道的布置，有着非常重要的作用。

崔木煤矿于2014年在22盘区进行了补充勘探工作，利用机械岩心钻探、地球物理测井、采样测试化验等手段进一步查明了煤层可采范围和厚度变化规律，同时精确控制了主采煤层的最低可采边界线。

结合沉积分析得出其沉积规律是：隆起部位沉积薄或缺失，凹陷部位沉积厚，西部近河道区沉积薄，远河道区沉积厚。煤矿中部为富煤区，厚度25～30 m以上。

3.4 “两带”观测、疏放水对水害的治理

崔木矿井井巷开拓过程中，矿井直接充水含水层(侏罗系中统延安组煤系裂隙含水层及直罗组砂岩裂隙含水层)富水性较弱且裂隙不甚发育，充水方式以顶板出水为主，出水水量小，表现为顶板淋滴水。随时间推移，直接充水含水层水易于疏干因而对煤矿生产影响相对较小。随着工作面的回采，冒落带的发育以及导水裂缝带的形成与扩展，部分地段导水裂缝带发育至煤矿间接充水含水层(白垩系洛河组砂砾岩含水层)时，由于洛河组砂砾岩含水层分布广泛且厚度大，富水性强，洛河组含水层水会进入井下，对矿井生产影响较大。如21301工作面回采时于2013年2月26日开始的突水事故，瞬时最大涌水量已达1 100 m3/h左右，期间G3号水文观测孔观测到洛河组含水层水位下降了26.05 m，后经水质化验也证实此次突水水源主要为洛河组含水层水。可见煤矿局部地区导水裂缝带已经发育至洛河组含水层。

按照工作面平均采厚10.8 m，裂高采厚比取实测平均值21.49时，计算得出的3#煤层覆岩保护层厚度，统计数据显示：导水裂隙带高度大部分进入白垩系洛河组，最大进入洛河组77.65 m，平均进入洛河组25.63 m。

自2014年开始，崔木煤矿施工了大量的“两带”观测钻孔，也证实了局部地区导水裂缝已经与上部白垩系洛河组砂砾岩含水层连通，引起洛河组含水层水进入矿井，对煤矿充水影响较大。

3.5 顶板离层水的防治措施

依据岩层移动理论，崔木煤矿工作面顶部覆岩结构是典型的上强下弱型，上部白垩系地层，即洛河砂岩、宜君砾岩的岩性比较坚硬，整体性强，下部侏罗系泥岩岩石力学强度小，易风化，很容易产生大量的离层空间。3#煤层采动后，导水裂缝带开始向地表发育，初期贯通了上部离层空间会导致离层积水瞬时大量涌入矿井，对煤矿安全生产影响较大。一旦导水裂缝带扩展到离层空间，大量离层水瞬时涌入矿井，造成涌(突)水事件。如在21301工作面生产期间，多次发生突水，突水来源已经有洛河组含水层水参与，这也说明，随着导水裂缝带的发育，上部离层水开始进入矿井。

对于离层积水的治理，已经及时组织施工了地面直通式导流泄水孔，有效预防工作面离层积水涌突事故，保证了煤矿正常的开采进度，避免了水害事故的发生。

4 结语

煤矿生产是一个庞大的地下系统工程，正是由于综合地质保障技术的应用，现代化煤矿的生产发展才能够做到安全高效。崔木煤矿作为陕西宝鸡地区的大型煤矿，在建设安全高效、现代化矿山的道路上一直走在全省前列。通过三维地震勘探，盘区补充勘探，“两带”观测孔，井上、下疏放水等地质技术逐渐解决了煤矿开采过程中遇到的小构造发育、煤层可采边界不清、顶板离层水害等问题，保障了煤矿安全高效开采。随着煤矿的进一步开采生产，采空区回填技术的研究及应用将是崔木煤矿地质工作的重要任务。