基于控水开采的塔然高勒煤矿首采工作面优化研究

张 凯，李全生

(1.国家能源投资集团有限责任公司 2030项目办公室，北京 100011；2.煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室，北京 100011)

鄂尔多斯盆地是我国重要的能源生产供应基地，油气、煤、铀等矿藏主要赋存在侏罗系、三叠系、二叠系等煤系地层中，在平面投影上相互重叠，在垂向上位于不同层位[1，2]。随着国家加大西部矿产资源勘探以及协同勘查技术的进步，煤与煤系伴生资源开采的矛盾逐渐显现，其中煤炭与煤系铀的矛盾尤为突出[3]。鄂尔多斯盆地砂岩型铀矿的赋存特征只适宜采用地浸法开采[4，5]，地浸采铀工艺需“保水”，而煤炭开采“放水”导致地下水位下降，可能使地浸采铀丧失经济性，甚至破坏开采条件。鄂尔多斯盆地油、气、煤、铀赋存关系见表1。

目前，围绕鄂尔多斯盆地煤系伴生资源勘探开发已开展众多研究，提出了多能源矿产协同勘查理论与技术[6，7]，分析了煤系伴生资源的分布、成因及赋存特征[8-12]，总结了开发利用现状[13，14]，初步建立了资源共采理论框架[15]。这些研究对保障我国能源供应、推动矿产资源综合利用发挥了重要作用。现有研究在协调开发模式和开采方法方面研究较少，煤与煤系伴生资源协调开采的矛盾凸显，多种矿产资源协调开采尚没有经济可行的技术途径。其中，煤铀资源的协调开发，关键在于地下水位的控制，本文以鄂尔多斯塔然高勒井田为例，探讨多资源协调开发条件下的煤炭控水开采路径。

1 煤炭开采对铀矿开采条件的影响

塔然高矿区是国家规划的“十一五”重点矿区，年产量规模2600万t，该区及周边区域新发现多个特大型砂岩型铀矿[17]。该类铀矿的地浸开采工艺对水文地质条件要求极高，如地下水位过低，将提高地浸开采工艺难度和成本，当水位下降至铀矿体以下，将导致铀矿无法开采。

井田位于鄂尔多斯高原的西北部，区域性地表分水岭“东胜梁”的北侧，属黄土高原地带。井田内地形总体趋势是南高北低，在此基础上又表现为中西部高两侧低，最高点位于井田中东部Q90钻孔位置，海拔标高为+1848.20m，最低点位于井田东北部黑赖沟沟底，海拔标高为+1366.4m，最大地形标高差为481.8m；地形海拔标高在+1410～+1530m之间，一般地形高差为120m左右。

塔然高勒煤矿主采3-1煤层顶部侏罗系地层的沉积环境为河流沉积，多形成不连续或不稳定的含水层和隔水层，塔然高勒井田地层岩性见表2。

表2 塔然高勒井田地层岩性

根据对井田范围内341个钻孔的统计分析，3-1煤覆岩以砂岩类岩层为主，砂岩类岩层平均厚度占比在80%以上，泥岩类岩层不足20%，；3-1煤顶板以上200m范围内泥岩类岩层厚度大部分仅10～30m。从钻孔揭露的砂岩类岩层岩性组成来看，砾岩在砂岩类岩层中的含量占绝对优势，泥岩类岩层多以砂质泥岩形式存在。煤层顶板岩性组合特征表明，塔然高勒煤矿及周边煤矿开采将对上覆岩层和区域地下水位造成较大影响，可能破坏铀矿开采条件。井田内长期水文观测得到的地下水位变化曲线如图1所示，其中2013年2月至2014年8月地下水位平均下降约24.8m，区域地下水位受矿井生产建设影响明显。

图1 地下水位变化曲线

为进一步掌握煤炭开采对铀矿开采条件的影响，2014年3月至4月分三阶段在试采工作面开展了井下放水试验，放水试验不同距离的水位降深如图2所示。由图2可知：疏放水对地下水的影响范围约4.5km，漏斗中心地下水位下降224.33m，距放水孔2343m处水位下降5.31m，如采用常规开采方案，煤炭大规模开采造成区域地下水位大幅下降，可能严重影响铀矿开采条件。

图2 放水试验不同距离的水位降深曲线

因此，为实现“保护资源、保护环境、保证安全”的资源协调开采，使相互影响最小化、对环境影响最小化，要求煤炭开采对地下水的影响可控，同时考虑到减少经济效益影响，迫切需要寻找经济可行的控水开采方案。

2 煤炭保水开采方法比较分析

目前应用比较成熟的保水采煤方法主要有充填法和部分煤柱法[16-20]，因此分别选择充填开采、房柱式开采、条带开采及综采长壁全部垮落法4种采煤方法来对塔然高勒煤矿3-1煤层进行开采方案设计，对比分析各采煤方法的适用性。

2.1 充填开采

根据充填开采设计方案，采厚及充填高度1.4～4.5m，工作面长150m，开采初期投资较大，开采效率比综采效率低，充填成本高，产量无法达到设计生产能力。但充填开采时工作面随采随充，顶板有充填体支撑，煤层上覆岩层不会发生破坏，技术上可以实现控水采煤的要求。经计算，充填开采充填吨煤增加成本为117～127元/t，且开采效率无法满足千万吨矿井要求，经济效益低下。

2.2 房柱式开采

根据房柱式开采设计方案，设计开采尺寸为采6m留13m，采出率仅为31.57%，造成了资源的极大浪费。根据国内现有开采实践经验，房柱式采煤法适用于埋深不超过500m的煤层，塔然高勒煤矿3-1煤层埋深约600m，不在房柱式采煤法的适用范围内。经计算，房柱式开采采宽为6m时直接顶不会垮落，但由于煤层埋深而造成的自重应力过大，直接顶岩石力学强度较低，直接顶在开采后有垮落的可能，开采时需要锚杆支护才能保证直接顶不垮落，不波及到上覆含水层，进一步增加了开采时的成本，因此从经济效益及技术上不适宜采用房柱式开采。

2.3 条带开采

根据条带开采设计方案，设计开采尺寸为采6m留18m，采出率仅为25%，低于房柱式开采方案的采出率。根据国内现有开采实践经验，条带开采同样不适用于埋深超过500m的煤层开采。且条带开采的采宽同样为6m，在不采取支护措施的前提下，直接顶也会由于自重应力的缘故发生垮落，因此条带开采也不适宜。

2.4 综采长壁全部垮落法

综采一次全高开采是一种高产高效的采煤方法，采出率高、资源浪费少，工作面单产高，增产潜力大，可以达到矿井的设计生产能力。塔然高勒煤矿3-1煤层厚度变化大，煤层厚度一般在2～5m之间，煤层厚度变化较大，采用综采一次采全高方法在厚度变化较大处难免造成丢煤，除此之外，由于开采厚度大，覆岩破坏发育高度大，开采时可能会波及上覆含水层，但通过人工调控的方法控制覆岩破坏发育高度及工作面涌水量，进而实现控水采煤的目的，经济效益明显。

综上所述，房柱式开采和条带开采不适用本区的顶板岩性条件，技术上不可行；充填开采技术上具有可行性，但吨煤生产成本增加117～126.8元/t，经济上不合理；塔然高勒煤矿3-1煤层可选择的开采方法仅为长壁全部垮落法。

3 煤炭控水开采方案论证

3.1 长壁全部垮落法覆岩破坏高度预计

由于塔然高勒煤矿属新建矿井，无法进行“两带”高度实测，因此采用经验公式法、类比分析法及数值模拟法分别对矿井3-1煤层的覆岩破坏发育高度进行预计。

采用离散元软件3DEC进行数值模拟，模型水平方向600m，两侧各留设150m煤柱，模拟采出煤层厚度4.0m，以塔然高勒煤矿为母体模型，模拟煤层开采后的覆岩破坏变形特征，工作面推进180m覆岩移动变形模拟结果如图3所示。

图3 工作面推进180m覆岩移动变形模拟结果

鉴于3-1煤层厚度变化较大，上覆岩层沉积不稳定，综合得出三种不同岩性的覆岩破坏发育高度：坚硬岩层条件下裂采比约为18～23，垮采比约为5～6；中硬岩层条件下裂采比约为12～16，垮采比约为4～5；软弱条件下裂采比约为9～12，垮采比约为2～3。3-1煤层全厚开采时，导水裂缝带发育高度为15～174m。

导水裂缝带高度随工作面推进变化曲线如图4所示，由图4可知，覆岩导水裂隙带高度随工作面推进距离的增加而增加，当工作面初次来压时(工作面推进40～50m)，导水裂隙带高度急剧增加；初次来压后随工作面推进，导水裂隙逐渐向上发育，当工作面推进至140m时达到最大值；此后，工作面继续推进导水裂隙带高度趋于平稳。

图4 导水裂缝带高度随工作面推进变化曲线

3.2 砂砾岩含水层对3-1煤层的充水影响

对3-1煤层开采有影响的含水层是侏罗系中统-侏罗系中下统砂砾岩裂隙承压含水层，该含水层富水性弱至中等，井田范围内富水性不均。3-1煤层顶板与侏罗系中统-侏罗系中下统延安组(J1-2y)裂隙孔隙承压含水层层间隔水层厚度为0～59.56m，平均14.39m，厚度变化较大且不稳定。当煤层全厚开采时，导水裂缝带基本波及侏罗系中统-侏罗系中下统砂砾岩含水层，砂砾岩含水层将直接向工作面充水。由于导水裂缝带发育高度与采厚关系密切，采厚减小时，导水裂缝带发育高度将明显减小，为了评价上部砂砾岩含水层对3-1煤层开采的影响，对采厚2m时的覆岩破坏发育高度进行了预计，并评价含水层对采厚2m时工作面的充水影响。

当采厚2m时，防水安全煤岩柱高度22～61m，仅局部区域满足留设防水煤岩柱要求，大部分区域不满足防水安全煤岩柱高度，含水层将对工作面产生充水影响。井田西一盘区采厚2m时侏罗系中统-侏罗系中下统砂砾岩含水层与煤层间距与采厚2m时导水裂缝带高度差值如图5所示，由图5可以看出，在西一盘区的部分地段该含水层与3-1煤层之间仍赋存有一定厚度的保护层，该保护层可以起到减弱砾岩含水层对工作面的充水影响的作用，使得砾岩含水层对工作面的充水影响变弱。

图5 采厚2m时相对隔水层与导水裂缝带高度差值等值线图

3.3 采煤工作面优化布置

由于对采煤工作面开采有充水影响的含水层为铀矿床赋存的层段，要求以最大限度控制工作面涌水量、减少对含水层扰动破坏为目标选取合理的首采工作面和接续工作面位置。因此，确定将覆岩破坏发育高度、3-1煤层顶板泥岩隔水层厚度、含水层富水性及岩性结构、煤矿建设和生产需求、工作面接续情况等作为工作面选取评价指标。综合评价井田范围内各地段的地质、采矿条件，确定了三个首采工作面开采方案。

不同方案开采条件对比见表3，通过开采条件分析、工作面涌水量计算、工程投资概算等选定首采面3作为最优方案。

表3 不同方案开采条件对比

首采面3距离主井井筒4.4km，位于侏罗系砾岩富水性弱的地段，3-1煤层顶板泥岩厚度16.12～27.65m，煤层厚度3.4～4.2m。采厚2m时，由于限厚开采使导水裂缝带高度降低，仅局部波及上部砾岩含水层，采动破坏范围内的岩体以泥岩、粉砂岩为主，岩性较软，对抑制导水裂缝带向上发育也起到良好的作用，且处于采动破坏范围边界的裂缝连通性也较脆性岩层差。涌水量计算结果显示当导水裂隙带局部波及含水层时为229m3/h，煤炭开采对地下水的影响得到一定程度控制。

3.4 控水开采对区域地下水的影响

为掌握上述控水开采方案对铀矿开采条件的影响，建立了区域地下水三维非稳定流数值模型，数值模拟模型如图6所示，模拟面积1007.8km2，分析采掘扰动影响下区域地下水位及降落漏斗变化趋势。

第20年末水位降深等值线和地下水位下降影响范围如图7、图8所示，模拟计算结果显示，随着开采时间延续，地下水位降落漏斗的范围及地下水位下降幅度不断增大，影响范围增大的速率受煤矿开采进度的影响；煤矿开采第20年末水位最大降深45.86m，水位下降大于25m的范围为62.69km2。由于地下水降落漏斗远离铀矿采区，影响范围随煤炭开采进度逐步扩展，如果同时进一步优化铀矿地浸开采工艺，缩短开发周期，将大幅降低相互影响，实现资源协调开发。

图7 第20年末水位降深等值线图

图8 地下水位下降影响范围

4 结 论

围绕鄂尔多斯盆地油、气、煤、铀等多种资源协调开采难题，以塔然高勒煤矿“下煤上铀”条件下的控水开采为例，尝试破解地浸采铀“保水”与煤炭综采“放水”之间的矛盾，探索了一种多资源协调开发条件下的煤炭控水开采途径。主要结论如下：

1)鄂尔多斯盆地砂岩型铀矿的赋存特征只适宜采用地浸法开采，塔然高勒煤矿煤层顶板岩性组合特征表明煤炭开采会对上覆岩层和区域地下水位造成较大影响，井下放水试验显示采用常规采煤方法将影响周边铀矿开采条件。根据矿井开采条件，充填开采、房柱式开采和条带开采等保水采煤方法在技术经济上不能满足煤矿大规模开采的要求，而采用综采长壁全部垮落法并控制覆岩破坏发育高度及工作面涌水量更具技术经济性。

2)通过综合分析优选的首采工作面位于砾岩含水层富水性弱、顶板岩性较软区域，采厚2m时仅局部波及上部砾岩含水层，预计涌水量229m3/h，对地下水的影响降到较低程度。通过地下水三维非稳定流数值计算，煤矿开采第20年末地下水位最大降深45.86m，降落漏斗远离铀矿采区，将大幅降低对铀矿开采条件的影响。