“第三十七屆科技論文交流會”三等獎?wù)撐?
大平礦S1S4工作面水庫下試采采放高度研究與應(yīng)用
大平礦? 崔 昊
摘? 要 大平煤礦S1S4試采工作面整體位于三臺子水庫下方且賦存較淺，根據(jù)三維地震顯示在工作面切眼及運(yùn)順附近存在兩條落差較大斷層，為防止地表水下滲，確保水庫下開采的安全，大平煤礦與沈陽煤炭科學(xué)研究所合作對S1S4試采工作面覆巖情況進(jìn)行了觀測、研究并制定了相應(yīng)的控制采高措施。目前，工作面已安全推進(jìn)260m。
關(guān)鍵詞? ? 水庫下開采?? 斷層?? 控制采高?? 覆巖觀測
引言
?? 大平煤礦井田中部為三臺子水庫，水庫面積17.0km2，庫容56.0×106m3。礦井七個采區(qū)有五個處于水庫下，水庫下壓煤1.32億噸，占礦井礦井工業(yè)儲量2.68億噸的49.4％。 礦井井筒位置受水庫影響偏離中心，井田兩翼儲量不均衡，生產(chǎn)初期即需要在水庫下開采。目前回采的S1S4試采工作面的特點(diǎn)是煤層厚，賦存淺，受斷層影響較大。因此，對上覆巖層移動規(guī)律的研究及如何控制回采高度是本文研究的核心內(nèi)容。
一、工作面概況
大平煤礦采用立井單一水平集中大巷分區(qū)石門上下山開拓方式，水平標(biāo)高-535m。全礦井共劃分為7個采區(qū)，分別為北一、北二、北三、南一、南二、南三和南四采區(qū)。
S1S4 試采工作面為南一采區(qū)首采面 , 埋深-290m～-380m；工作面南以SDF128號斷層為界；西側(cè)為2015年8月回采完畢的N1S3段綜放工作面，北接S1采區(qū)膠帶上山和軌道上山；東鄰未開采的S1S3段工作面。
S1S4 試采工作面地表為三臺子水庫，水庫底地表高程在+75m至+80m之間。S1S4試采工作面運(yùn)、回順走向長度分別為1056m和1006m，平均走向長1031m，傾斜寬3 0 0m ，面積為309300m2。S1S4試采工作面井上下對照圖如圖1所示。
圖 1? S1S4試采工作面井上下對照圖
二、工作面地質(zhì)構(gòu)造
三維地震資料顯示，工作面內(nèi)主要發(fā)育有1個軸向?yàn)闁|西向的向斜構(gòu)造。地層傾角7°～9°，向斜軸北側(cè)傾角稍緩，南側(cè)略急，工作面內(nèi)整體構(gòu)造受向斜控制。工作面影響范圍內(nèi)由三維地震解釋斷層6條,實(shí)見斷層4條，如圖2所示。
圖 2? S1S4 試采工作面構(gòu)造分布圖
根據(jù)三維地震資料及N1S2、N1S3工作面實(shí)見斷層分析，預(yù)計S1S4回順材料道上平盤距回順抬棚8m左右可能遇N1F13斷層，該斷層落差3m，傾向80°，傾角40～50°；S1S4試采工作面回順掘進(jìn)至抬棚前29m左右可能遇N1S3FH7斷層，該斷層落差3m，傾向94°，傾角55～60°；S1S4試采工作面回順掘進(jìn)至抬棚前191m左右可能遇N1S3FH9斷層，該斷層落差3m，傾向101°，傾角55～65°；S1S4試采工作面回順掘進(jìn)至S1S4切眼附近可能遇SDF130斷層，該斷層落差10m，傾向74°，傾角35～45°。S1S4試采工作面運(yùn)順掘進(jìn)至抬棚前702m左右可能遇S1S4F2斷層，該斷層落差 0 m ～3m，傾角50～60°。S1S4試采工作面運(yùn)順掘進(jìn)至抬棚前770m左右可能遇煤層異常帶，影響范圍218m；S1S4試采工作面運(yùn)順掘進(jìn)至抬棚前818m左右可能遇SDF139斷層，該斷層落差 0 ～12m，傾角50～60°。三維地震預(yù)測斷層SDF129，該斷層落差 0 ～18m，傾角45～55°，與運(yùn)順近乎平行，距離較近，可能對運(yùn)順、切眼及工作面有所影響。S1S4試采工作面切眼距SDF128斷層較近，該斷層落差28～32m，傾角30～35°，可能對切眼有所影響。
工作面內(nèi)運(yùn)順側(cè)有三維地震勘探斷層S1S4F1斷層，該斷層落差 0 ～5m，傾角50～60°；工作面回采至設(shè)計采止線左右有可能遇N1F12斷層，該斷層落差5.5m，傾向208°，傾角32～45°。
工作面內(nèi)運(yùn)順側(cè)有一個煤層缺失帶，該煤層缺失帶長度約為233m，寬度約為90m，面積約18712m?;，將對工作面回采產(chǎn)生一定影響。
根據(jù)國家《“三下”開采規(guī)程》規(guī)定，對Ⅰ類水體，不允許導(dǎo)水裂縫帶波及水體底界面，應(yīng)留設(shè)防水安全煤巖柱。防水安全煤巖柱高度（垂高Hsh）應(yīng)大于或等于導(dǎo)水裂縫帶高度（Hli）與保護(hù)層的厚度（Hb）之和，即：Hsh≥Hli＋Hb。
根據(jù)覆巖破壞觀測成果，導(dǎo)水裂縫帶高度按最大19.97倍(取20倍)采高計算。
《“三下”開采規(guī)程》關(guān)于防水安全煤巖柱保護(hù)層厚度選取的相關(guān)內(nèi)容中沒有明確綜放條件下的保護(hù)層厚度最小值?？紤]到綜放開采的特殊性 , 參考普通綜采條件下保護(hù)層厚度應(yīng)為采高4倍的規(guī)定，結(jié)合大平煤礦水庫下已經(jīng)開采的N1S1、S2S2、S2N1和N1S2四個工作面覆巖破壞實(shí)際觀測數(shù)據(jù)，在大平煤礦水庫下綜放試采時，保護(hù)層厚度最小應(yīng)為采高的6倍。
計算S1S4面綜放最大采高時，采高M≤Hzx/26。
Hzx - 最小安全煤巖柱厚度。
S1S4 水庫下試采工作面水庫區(qū)域庫底最低標(biāo)高為＋75.0m，1煤底板等高線在-290m～-380m，1煤最大厚度10.78m。據(jù)此確定S1S4試采工作面自然分層時最小安全煤巖柱厚度為290+75-10.78=354.22m，人工分層11.6m時最小安全煤巖柱厚度為290+75-11.6=353.40m。
S1S4 試采面綜放最大采高計算結(jié)果如下:M≤354.22/26=13.62m
四、工作面采放高度分析
鑒于開切眼處存有眾多斷裂，必須充分重視斷裂對采動覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度的影響作用。在四條斷裂中有三條斷層的落差大于10m，發(fā)育高度高，工作面采動對導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度要產(chǎn)生較大的影響。S1S4HF8斷層斷層的落差4.0m，但傾角大，傾角80～90°幾乎直立，盡管發(fā)育高度可能在煤層內(nèi)，引起采動覆巖冒落帶發(fā)育高度也將增大，進(jìn)而致使采動覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度大（見圖3）。開切眼100m范圍正處于SDF129斷層的尖滅處，斷層尖滅處是巖層應(yīng)力集中處，該處巖石破碎，采后易于抽冒，容易造成覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育增高。?????
考慮斷裂構(gòu)造影響和工作面初采階段覆巖移動破壞劇烈等不利因素。切眼至回采100m范圍采放高度控制在9.11m左右；回采超過100m后，如果揭露了SDF129斷層，100m至400m范圍采放高度控制在10.78m左右，如該斷層不存在則根據(jù)屆時的回采煤層頂部標(biāo)高重新確定采放高度。
圖 3? S1S4 試采工作面切眼附近構(gòu)造分布圖
五、工作面采放高度控制
1. 工作面采放高度計算（0～30m）
由于構(gòu)造影響范圍為切眼至回采推進(jìn)100m,在此范圍內(nèi)工作面兩順需要做車場及組裝硐室，無法沿層掘進(jìn)，回順從距切眼32m位置起位于1煤頂部，巷道頂板全部為巖石，從回順向工作面延伸38m無煤可放。運(yùn)順從距切眼34m起巷道位于2煤層底部，運(yùn)順向工作面延伸76m長度在回采時需割巖石。因此，回順至工作面38m段為不放煤區(qū)（無煤可放），38m至116m（S1S4HF8斷層處）為頂煤厚度不足區(qū)段（ 0 ～4.6m,平均2.3m），116m至運(yùn)順為頂煤厚度超高區(qū)段。折算成采放高度分別為2.9m、5.2m和9.11m。全工作面的實(shí)際允許的加權(quán)平均采放高度為；
Hyx=(2.9m ×38m+5.2m×78m+9.11m×184m)/300m=7.31m
2. 工作面采放高度計算（30～100m）
截至2017年11月20日S1S4試采工作面運(yùn)順推進(jìn)28.5m，回順推進(jìn)25.0m。運(yùn)順側(cè)工作面底板已全部進(jìn)入煤層，回順側(cè)工作面頂板已全部接觸煤層。工作面有三條斷層分別位于工作面的125#架、110#架和68#架，斷層要素見表1。
表1?? 斷層要素
|
斷 層 名 稱 |
落 差（m） |
傾? 向（ ° ） |
傾 角（ ° ） |
備注 |
|
S1S4F3 |
2.0 |
95 |
60 ～70 |
位于125#架 |
|
S1S4F4 |
1.0 |
96 |
60 ～70 |
位于110#架 |
|
S1S4F5 |
2.0 |
90 |
60 ～70 |
位于68#架 |
?? 涿州恒源地球物理技術(shù)服務(wù)公司提供的淺層地震探測報告給出的靠近運(yùn)順的SDF129斷層在預(yù)計位置沒有實(shí)見。工作面推進(jìn)11.0m時距運(yùn)順最近的F3斷層落差1.5m，工作面推進(jìn)28.5m時實(shí)見2.0m，工作面實(shí)見位置在68#～70#架之間，證明該斷層的走向是隨工作面推進(jìn)向運(yùn)順靠近。所以從該斷層落差增大趨勢和斷層走向隨工作面推進(jìn)向運(yùn)順靠近的趨勢看，該斷層可能是SDF129斷層的尖滅處。但根據(jù)實(shí)見斷層的傾角同SDF129斷層傾角相差大，實(shí)見位置和預(yù)計位置相差大，從運(yùn)順掘進(jìn)靠近斷層是煤層抬起狀況等情況分析實(shí)見斷層與SDF129斷層傾向不一致，對于距運(yùn)順最近的F3斷層是否為SDF129斷層的尖滅端處還有待進(jìn)一步觀察。
??? 鑒于SDF129斷層是否存在及實(shí)見工作面煤層的賦存條件，可適度提高30～100m回采推進(jìn)區(qū)段的采放高度。采動覆巖移動和破壞動態(tài)發(fā)展規(guī)律是：煤炭采出空間是由其上部煤炭及巖石冒落的碎漲體積增大和上部巖層彎曲沉降充填的，在上方巖層的最大彎曲點(diǎn)與冒落最高點(diǎn)接觸，冒落才終止。冒落和彎曲都需要時間過程，在覆巖為中硬巖層的條件下，工作面推進(jìn)到80～100m以后覆巖破壞的導(dǎo)水裂縫帶才發(fā)育到最高，所以在回采推進(jìn)100m的區(qū)段內(nèi)控制采放高度，以免引起導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育增高。考慮采動覆巖移動和破壞動態(tài)規(guī)律與SDF129斷層可能存在的兩個條件，30～100m推進(jìn)段內(nèi)，采放限制高度可提高到10.78m。
3. 工作面采放高度計算（100～200m）
? 截至2017年12月10日S1S4試采工作面運(yùn)順推進(jìn)94.0m，回順推進(jìn)94.0m。整個工作面全在2煤層中，工作面實(shí)見有三條斷層分別位于工作面的58#架、35#架和5#架，斷層的落差、傾角等要素列在表2。
表2? 斷層要素
?
|
斷 層 名 稱 |
落 差（m） |
傾 向（ ° ） |
傾 角（ ° ） |
備注 |
|
S1S4F5 |
1.4 |
90 |
60 ～70 |
位于58架 |
|
S1S4F6 |
2.3 |
90 |
60 ～70 |
位于35架 |
|
S1S4F7 |
2.3 |
89 |
60 ～70 |
位于5架 |
??? SDF129 斷層在預(yù)計位置仍然沒有實(shí)見。距運(yùn)順最近的S1S4F7斷層落差實(shí)見2.3m，該斷層與SDF129斷層傾向不一致分析，斷層的傾角60～70°與SDF129斷層也相差較大。可以初步判斷，S1S4F7斷層不是SDF129斷層的尖滅端。
??? 工作面推進(jìn)采放高度控制在10.78m的結(jié)論是依據(jù)SDF129斷層存在預(yù)計位置分析論證得出的，但鑒于SDF129斷層沒有實(shí)見，依據(jù)工作面煤層的賦存條件及所見三條斷層落差小等原因考慮可適度提高100～200m回采推進(jìn)區(qū)段的采放高度。根據(jù)煤層賦存（最高回采上限）及斷層落差較小回采條件，全工作面采放高度均定為11.6m。
六、結(jié)論
S1S4 試采工作面是大平煤礦第8個水庫下開采的工作面。經(jīng)查實(shí)井田區(qū)域地層、含隔水層等有關(guān)水文地質(zhì)資料，通過對覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度的預(yù)計和保護(hù)層厚度、斷層和鉆孔導(dǎo)水通道等安全可靠性的分析，最終得出結(jié)論：S1S4試采工作面可以采用自然分層和人工分層相結(jié)合的綜合機(jī)械化放頂煤方法開采。
位于回采工作面內(nèi)的SDF129斷層延展長度為380m且延展方向與工作面推進(jìn)方向相近，該斷層落差 0 ～18m，傾角45～55°，是對工作面安全回采影響最大的斷層。為確保開采安全，在開切眼起至推進(jìn)400m范圍（SDF129斷層延展長度區(qū)域）開采時，應(yīng)適當(dāng)提高保護(hù)層厚度及安全系數(shù)，選用自然分層（最大采高10.78m）方案并采取限制放煤高度措施（切眼至煤層底板-310m等高線處的100m范圍采放高度控制在1煤平均厚度9.11m），該方案最小保護(hù)層厚度為68.07m，為采高的6.31倍。
S1S4 試采工作面已推進(jìn)200m，期間SDF129斷層并未在預(yù)計位置出現(xiàn)，因此根據(jù)實(shí)際情況對采放高度進(jìn)行了重新核算，確定為11.6m（人工分層）。如在之后的回采過程中發(fā)現(xiàn)該斷層，則需要對采放高度再重新核定。
試采工作面范圍內(nèi)的所有斷層均不含水或含水量小且斷層導(dǎo)水性差；試采工作面附近的勘探鉆孔都進(jìn)行了啟封檢查，封孔質(zhì)量良好，并重新封閉；在S1S4試采工作面回風(fēng)順槽采掘時，對臨近的N1S3工作面采空區(qū)進(jìn)行了探查，未發(fā)現(xiàn)該采空區(qū)存在積水。
因此，S1S4試采工作面采用自然分層和人工分層相結(jié)合的綜放開采方案并根據(jù)實(shí)際情況隨時調(diào)整采放高度，技術(shù)上可行，經(jīng)濟(jì)上合理，安全上可靠，可以確保大平煤礦水庫下開采安全。
?
作者簡介： 崔昊 （1985.12.24 - ），男，工程師，2008年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)能源學(xué)院采礦工程專業(yè)，現(xiàn)在大平煤礦地測防治水科任主任工程師，聯(lián)系電話：18704100282。
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