威远县红炉井煤矿水库下采煤工程实践分析

叶学辉 曾文忠 丁华君

摘  要：文章以威远县红炉井煤矿水库下采煤工程实践为例，简述了煤矿水体下采煤可行性分析内容和开采过程中煤柱留设、顶板控制的基本方法，为小型矿井“科学、安全、可靠”地在水体下实施采煤具有较强的示范和借鉴作用。

关键词：煤矿水体;采煤工程;实践分析

中图分类号：TD79 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）26-0053-02

Abstract： Taking the practice of coal mining under the reservoir of Honglujing Coal Mine in Weiyuan County as an example， this paper briefly describes the contents of feasibility analysis of coal mining under water body and the basic methods of coal pillar setting and roof control in the process of coal mining. This research has a strong demonstration and reference for small mines to carry out coal mining under water body "scientifically， safely and reliably".

Keywords： coal mine water body; coal mining engineering; practical analysis

引言

煤矿，尤其是地方小型煤矿，多处山区，常有地面水库和堰塘，甚至河流、溪沟穿过矿区，对矿井开采安全生产、资源回收带来隐患。如何在水体下实施“科学、安全、可靠”采煤显得尤为突出和重要。

威远县红炉井煤矿针对矿区地表范围内的船石湖水库、红旗水库的具体情况，经过科学论证，采取了留设保护煤柱和有针对性的采煤方法、顶板控制等措施，经过近4年的开采实践，成功地采出了约80万吨主焦煤，为地方经济发展、农民就业作出了较大贡献，也为地方小型煤矿“水体下采煤”提供了经验和示范。

1 煤矿基本情况

威远县红炉井煤矿位于威远县连界镇，距威远县城公路里程约29km。矿山通过2km乡村公路与威（钢）～沙（湾）公路相连，到连界镇约8km，交通方便。

矿井所在区域系潮湿温暖气候，降雨量与蒸发量大致相当;年降雨量826.3mm～1321.4mm，平均为1022.8mm。常年平均气温15.5℃-16℃，最低零下7℃，最高37℃。最大积雪厚度10cm-14cm。常年主导风向为北风与东北风，最大风力为8级。有雷电冰雹，冬季多雾，年相对湿度为78.2%，属亚热带气候。

矿井所在井田属山地侵蚀地形，切割剧烈，沟谷两侧成悬岩陡壁，山岳起伏较大，地形复杂。地貌呈南高北低，山脉走向与构造线基本一致，最高点在井田西南边，标高为+804.3m，最低点在井田北边熊家沟附近，标高为+524.2m，相对高差280.1m，大部区域在+600m以上，属中等切割丘陵地形。

矿井处在四川盆地西南部的资威穹窿背斜构造区。地层倾向沿穹窿成放射状。小范围内呈单斜构造，略呈椭圆形，长轴长约70km，短轴约42km所圈定面积为1755km2。此构造的南北两翼倾角不等，北翼倾角3°～5°，南翼倾角6°～14°。矿井位于资威短轴穹窿背斜北西翼，井田地层属宽缓褶皱之单斜构造，地层与煤层走向一致，为北偏东65°-85°，倾向北偏西25°～5°，倾角2°～4°。

矿井所处区域自然生态环境良好，空气清新，植被发育。矿区西向12km处为白牛寨森林公园，西18km处为船石湖公园。

矿井核定生产能力210kt/a，设有+629m主斜井、+629m副斜井、+630m人行斜井、+630进风斜井、+631m回风斜等5个安全出口。矿井开采的草皮炭煤层划分为2个水平，即+389m和+332m水平，开采的大白煤层划分为1个水平，即+480m水平。矿井+389m水平划分为一带区和二带区，+332m水平划分为四带区、五带区和六带区、+480m水平划分为七带区、八带区和九带区;矿井现在+389m水平一、二带区分别布置有3121对拉采煤工作面和3221对拉采煤工作面;工作面长度为160m（2×80m）、煤层采高为0.7m;均采用高档普采工艺，采煤机为MG-100TP型，溜子为SGD-420/22型刮板运输机、全部垮落法管理顶板。

2 煤矿地面主要水体

矿井法定开采区域对应地表范围内存有两大水库水体[2]，即船石湖水库和红旗水库。

（1）船石湖水库：位于东径104°28′、北纬29°42′处， 坝顶高程+616.42m，库面标高615.60m，库底标高+598.00m，水面面积46.3万m2，库容481万m3～585万m3，死库容99万m3;对应区域草皮炭煤层416.0kt、大白炭煤层195.0kt。

（2）红旗水库：位于东径104°28′、北纬29°42′处， 坝顶高程+630.00m，库面标高627.79m，库底标高+614.60m，水面面积15.6万m2，库容164.20万m3～214.50萬m3，死库容7.90万m3;对应区域草皮炭煤层413.0kt、大白炭煤层184.0kt。

3 煤矿水体下采煤可行性分析

3.1 必要性

红炉井煤矿开采煤层属中灰、低硫、中高热值的1/3主焦煤，系四川区域内的特殊煤种;船石湖水库和红旗水库共压煤1208.0kt。如果不采，矿井服务年将减少4.5a，如果回采，按吨煤利润150元估算，可增加利润14496万元。更主要的是影响矿井开拓、开采的合理布置和当地村民的就业以及川威集团的原料供应;这对开发利用有限的主焦煤资源，促进区域经济发展，保持地方稳定和谐，在安全可靠的原则下实施库体下采煤尤显十分必要。

3.2 可行性分析

（1）煤矿开采跨落带高度

式中：Hm-冒落带高度，m;M-煤层采厚，m;？琢-煤层倾角，倾角2°～4°;K-冒落岩石碎胀系数，在一般情况下，岩层垮落后的碎胀系数为1.25-15;W-冒落过程中顶板下沉值。W=0.0m（平均采厚0.60m）

计算结果：垮落带最大高度Hm=2.399m

（2）导水裂缝带高度[3]

可知：矿井煤层开采后，导水裂缝带高度可达25.492m

（3）防水煤岩柱保护层厚度[3]

（4）安全开采深度

安全开采深度H水应大于裂缝带的最大高度H裂加上保护层厚度H保，即H水≥H裂+H保=（2.399+25.492）+3.600=31.491m

可知：矿井开采煤层时，当煤层与水体垂直距离大于31.491m时，若无断层、裂隙和其它构造与水体导通时，在其下开采煤层是安全的。

（5）地表最大下沉量

矿井全冒落法管理顶板，地表最大下沉量按[3]

式中：η-下沉系数，取0.20;m-开采厚度，0.60m;？琢-煤层倾角，2°～4°。

计算结果：Wmax=0.1199m～0.1197m

可知：地表可能产生的最大下沉量小于0.12m，地表变形微小。

3.3 水库下采煤可行性结论

（1）矿井开采煤层可能形成的“三带高度”为31.491m，可能产生的地表最大下沉量小于0.12m。

（2）矿井地表范围内的船石湖水库、红旗水库的库底标高分别为+598.00m和+614.60m，与井下采场垂直距离均在180m以上，远大于“安全开采深度”，导水裂缝带波及不到矿井区域内的导水裂缝带含水层，更波及不到地面水库库底;而且，该矿煤层上覆岩层还有隔水层存在，所以井下开采对矿井地表水体是没有影响的，是安全的、可行的。

4 水库下采煤工程实践

4.1 采煤方法及工艺

矿井采用倾斜长壁采煤法;工作面对拉布置，截煤机掏槽，压炮落煤，人工攉煤，单体支柱支护，条带充填管理顶板。

4.2 水库煤柱留设

（1）船石湖水库保护煤柱

船石湖水库堤坝长轴方向为东偏北24°，与煤层走向夹角29°;堤坝长101m、堤坝宽20m，堤坝煤柱按110m×30m计算井下保护煤柱。

按《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》[4]：

堤坝走向方向的煤柱保护长度为：110cos29°+30sin29°+2×20+2×20+2×180/tg75°=288m

式中：110-堤坝长度，m;20-围护带宽度，m;20-地表下20m的岩层移动角按45°计算宽度;180/tg75°-上覆岩石厚度180m，岩层移动角按75°计算。

堤坝倾斜方向的煤柱保护宽度为：110sin29°+30cos29°+2×20+2×20+2×180/tg75°=257m

式中：30-堤坝宽度，m;20-围护带宽度，m;20-地表下20m的岩层移动角按45°计算宽度;180/tg75°-上覆岩石厚度180m，岩层移动角按75°计算。

（2）红旗水库保护煤柱

红旗水库堤坝长轴方向为东偏北32°，与煤层的走向夹角为33°。堤坝长45m，堤坝宽10m，煤柱堤坝60m×20m计算井下保护煤柱。

按《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》[4]：

堤坝走向方向的保护煤柱长度为：60cos33°+20sin33°+2×20+2×20+2×260/tg75°=267m

式中：60-堤坝长度，m;20-围护带宽度，m;20-地表下20m的岩层移动角按45°计算宽度;260/tg75°-上覆岩石厚度260m，岩层移动角按75°计算。

堤坝倾斜方向的保护煤柱宽度为：60sin33°+20cos33°+2×20+2×20+2×260/tg75°=281m

式中：20-堤坝宽度，m;20-围护带宽度，m;20-地表下20m的岩层移动角按45°计算;260/tg75°-上覆岩石厚度260m，岩层移动角按75°计算宽度。

5 结束语

威远县红炉井煤矿，通过对地表水体的调查和开采可行性的分析论证，采取留设保护煤柱和确定适宜的顶板控制措施，经过2016年～2019年的开采实践，安全可靠地采出了船石湖水库、紅旗水库对应区域内的压覆煤炭约80万吨，为地方农民就业、区域经济发展和小型煤矿如何在水体下采煤践行了一条“科学开采、安全开采”之路。

参考文献：

[1]煤矿安全规程（2016年版）[S].国家安全生产监督管理总局令 第87号，2016.

[2]威远县红炉井煤矿水体下采煤设计[R].红炉井煤矿生产科，2018.

[3]采矿工程设计手册[R].煤炭工业出版社，2003.

[4]建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[S].