文學(xué)寬，黎 靈，李 健

(煤炭科學(xué)研究總院礦山安全技術(shù)研究分院，北京100013)

1 概況

港口煤礦是湖北省黃石市金海煤炭開發(fā)區(qū)5對(duì)礦井之一，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力0.15Mt/a。該礦處在大冶湖區(qū)之下，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，長(zhǎng)期處于被關(guān)停狀態(tài)。由于與其他4個(gè)煤礦為同一水文地質(zhì)單元，水力聯(lián)系密切，該礦的開采制約著其他礦井的安全開采。從2000年開始，煤炭科學(xué)研究總院、武漢煤礦設(shè)計(jì)研究院多次對(duì)大冶湖下開采進(jìn)行可行性論證、設(shè)計(jì)，2003年批準(zhǔn)試采。

2008年5月按照設(shè)計(jì):在湖區(qū)－78m標(biāo)高以下進(jìn)行了頂水試采，采出近萬(wàn)噸煤炭，采后未發(fā)生湖水下滲、礦井涌水量增加現(xiàn)象，達(dá)到了預(yù)期效果。

2 礦井水文地質(zhì)條件

港口井田走向長(zhǎng)1.4km，傾斜寬1.8km，開采二迭系龍?zhí)睹航M2號(hào)煤層，煤層厚度0～4.51m，平均1.91m，傾角0～26°。礦井開拓方式為片盤斜井，走向短壁炮采。井田濱臨長(zhǎng)江，大冶湖區(qū)之下，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，對(duì)開采有影響的水源和水體有以下4類:

(1)地表水 井田地表水發(fā)育，井田中、深部之上的大冶湖面積60km2，最長(zhǎng)處達(dá)40km，最高洪水位23.66m，與長(zhǎng)江相通，是長(zhǎng)江的分洪區(qū)。井田淺部有大冶河穿過(guò)，寬120m，深6m，下行16km可達(dá)長(zhǎng)江。地表水為礦井關(guān)停的主要水體。

(2)地下水 港口井田煤系之上的主要含水層為:第四系坡積殘積亞黏土夾碎石孔隙含水層，厚度3～10m，含水性弱;大冶灰?guī)r第二層 (T1d2)巖溶裂隙含水層，局部可見溶蝕現(xiàn)象，且厚度達(dá)50m，但單位涌水量不大，僅為0.00023L/s·m，為富水性弱的含水層，且其下賦存有厚達(dá)60m的大冶灰?guī)r第一層 (T1d1)相對(duì)隔水層阻隔，該含水層對(duì)礦井開采影響不大。

(3)斷層的富水性和導(dǎo)水性 井田內(nèi)分布的斷層共3條，其中F2斷層將港口井田分隔為南北2個(gè)區(qū)域。該斷層為逆斷層，傾角50～70°，斷距25～80m，據(jù)抽水資料，該斷層的導(dǎo)水性很強(qiáng)，可能成為礦井充水通道。

(4)小煤窯采空積水 港口井田范圍內(nèi)，小煤窯星羅棋布。上世紀(jì)80年代，受“有水快流”和其他因素的影響，小煤窯急劇增加，井口多達(dá)100多處。小煤窯采空區(qū)無(wú)疑存在大量積水，由于處在露頭，易接受大氣降水的補(bǔ)給，因此，是中深部煤層開采的充水水源和大氣降水進(jìn)水通道。

3 水體下開采安全技術(shù)措施

3.1 大冶湖下開采上限的合理確定

水體下壓煤安全開采的關(guān)鍵是開采上限，過(guò)高不安全，過(guò)低會(huì)丟煤。開采上限確定的依據(jù)是防水安全煤柱高度。根據(jù)“三下”采煤規(guī)程，直接位于基巖上方的大冶湖下采煤必須留設(shè)防水安全煤柱。按照防水安全煤柱高度確定的開采上限才能實(shí)現(xiàn)大冶湖下安全開采。

3.1.1 防水安全煤柱高度計(jì)算

“三下”采煤規(guī)程規(guī)定:防水安全煤柱的垂高應(yīng)等于覆巖破壞導(dǎo)水裂縫帶的最大高度加上保護(hù)層的厚度，即:

式中，H水為防水安全煤柱高度，m;H裂為導(dǎo)水裂縫帶高度，m;H保為保護(hù)層厚度，m。

導(dǎo)水裂縫帶最大高度與采空區(qū)頂板巖性、煤層傾角，開采厚度有關(guān)。湖區(qū)下煤層厚度平均為1.91m，煤層的傾角為0～26°，故按緩傾斜煤層計(jì)算公式計(jì)算H裂。

采空區(qū)頂板巖性是影響導(dǎo)水裂縫帶高度最主要因素之一，湖區(qū)下煤層直接頂為8m左右的軟弱巖層，直接頂以上的基本頂為厚層的石灰?guī)r，抗壓強(qiáng)度均在60MPa以上，為堅(jiān)硬巖層，故選用堅(jiān)硬型公式預(yù)計(jì)導(dǎo)水裂縫帶的高度，即:

由公式 (1)計(jì)算:式中，H裂為導(dǎo)水裂縫帶高度，m;∑M為累計(jì)開采厚度，取2.0m;±8.9為計(jì)算中誤差，與巖性有關(guān)，取8.9m。導(dǎo)水裂縫帶最大高度計(jì)算結(jié)果為54.4m。

由公式 (2)計(jì)算:

導(dǎo)水裂縫帶最大高度計(jì)算結(jié)果為52.4m。取兩式中的最大者，即導(dǎo)水裂縫帶最大高度54.4m。

由于大冶湖底部有厚層湖積黏土隔水層，按4倍采厚選取，其保護(hù)層厚度H保為8.0m。

根據(jù)湖下開采后計(jì)算的導(dǎo)水裂縫帶最大高度為54.4m和保護(hù)層的厚度為8.0m，得出大冶湖下防水煤柱高度H水為62.4m，取62m。

3.1.2 開采上限的確定

根據(jù)港口井田剖面圖，按湖區(qū)第四紀(jì)黏土層底部最低標(biāo)高－10m，確定出大冶湖下開采上限為－72m(見圖1)。

3.1.3 開采上限的保障措施

圖1 大冶湖下防水安全煤柱設(shè)計(jì)及開采上限

大冶湖下確定的開采上限－72m標(biāo)高，與礦井第一生產(chǎn)水平標(biāo)高一致。為了避免留設(shè)的防水安全煤柱縮小，礦井停止了水平大巷以上煤層的開采，并封閉了通往上山采場(chǎng)的通道。礦井限制在確定的開采上限之下進(jìn)行開采，試采工作面回采標(biāo)高為－78m，比設(shè)計(jì)的開采上限低6m。

3.2 留設(shè)斷層防隔水安全煤柱

地質(zhì)構(gòu)造對(duì)水體下采煤的威脅和危害是很大的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)礦井水害的80%是斷層導(dǎo)水通道造成的。特別是當(dāng)采掘工作接近到較大的斷裂帶時(shí)，可能發(fā)生寶塔形破壞，冒落帶和導(dǎo)水裂縫帶高度會(huì)增加，防水安全煤柱遭到破壞。

對(duì)于井田范圍已探明的導(dǎo)水性強(qiáng)的F2斷層，留設(shè)了寬度為70～110 m的防隔水安全煤柱。在湖下工作面布置時(shí)，根據(jù)地質(zhì)資料，均避開了斷層。掘進(jìn)過(guò)程中，如發(fā)現(xiàn)斷層的跡象，采取了“有疑必探，先探后掘，先治后采?！?/p>

3.3 截排淺部小煤窯采空區(qū)積水

為了避免淺部小煤窯采空區(qū)成為中深部煤層開采的充水水源和大氣降水進(jìn)水通道，礦井建立了淺部截排水系統(tǒng)。利用原慶利煤礦的井筒作為專用排水井，在形成獨(dú)立通風(fēng)、供電、排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將淺部老窯積水和地表水截流在－72m標(biāo)高的廢棄巷道內(nèi)，通過(guò)水溝由南向北流入水倉(cāng)，由2臺(tái)125D－25×5離心式水泵和2趟D159×4無(wú)縫鋼水管排至地面。淺部截排水系統(tǒng)的建立，實(shí)現(xiàn)了礦井淺部水淺排、深部水深排、節(jié)約能源、減少排水費(fèi)用的目的。

3.4 地表水防治綜合措施

(1)加高加固大冶湖堤 為防止雨季大冶湖水上漲，湖水潰堤淹沒(méi)礦區(qū)茅口硅質(zhì)巖出露地區(qū)及小窯塌陷區(qū)，湖水將通過(guò)茅口硅質(zhì)巖或老窯采空區(qū)直接補(bǔ)給井下，使礦井涌水量增加，從2002年開始就對(duì)大冶湖堤進(jìn)行了加高加固。近幾年來(lái)，投入2900多萬(wàn)元加高加固湖堤，堤壩由18m標(biāo)高加高到23m以上，迎水面拋石防浪。每年雨季之前對(duì)湖堤進(jìn)行檢察，發(fā)現(xiàn)開裂等及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)加固。

(2)提高井口標(biāo)高 港口煤礦是資源整合、重組礦井，全礦井有6個(gè)斜井，井口分布在露頭、湖畔，井口標(biāo)高一般為21m，大冶湖洪水位曾達(dá)到23m。為了防止雨季湖水暴漲倒灌，礦井根據(jù)斜井井口特點(diǎn)，采取加長(zhǎng)井筒措施，從而提高了井口標(biāo)高。

(3)封填小煤窯塌陷區(qū) 對(duì)礦井開采范圍內(nèi)的小煤窯塌陷區(qū)周圍疏通溝渠，避免地表水直接流入塌陷區(qū)內(nèi)。對(duì)已勒令停產(chǎn)的小煤窯進(jìn)行了治理，如井口支護(hù)尚未垮塌，且井口標(biāo)高偏低的，采取先炸井口，再?gòu)?fù)蓋2m以上的黃土填平壓實(shí);對(duì)有的井口雖已垮塌，但井口標(biāo)高偏低，也采取了黃土填平壓實(shí);對(duì)井口標(biāo)高較高或不見井口，但有積水的塌陷區(qū)進(jìn)行了回填。

4 大冶湖下開采的認(rèn)識(shí)

港口煤礦在大冶湖下已安全開采4年多時(shí)間，采出20多萬(wàn)噸煤炭。在總結(jié)安全開采經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，結(jié)合大冶湖下開采條件的分析，得出大冶湖區(qū)下安全開采的原因，并通過(guò)采后觀測(cè)資料的分析，對(duì)位于長(zhǎng)江中下游大型水體下、不穩(wěn)定煤層開采有了一些認(rèn)識(shí)。

4.1 湖底黏土層是安全開采的重要因素

大冶湖區(qū)面積60km2，水深6m，汛期洪水位可達(dá)20m以上，從水體大小來(lái)看僅次于海區(qū)。通過(guò)大冶湖下的開采證實(shí):由于湖區(qū)處在長(zhǎng)江中下游平原地帶，江水流速減緩，江水中從上游攜帶的粉細(xì)土有利于沉積，在湖底形成淤泥層。大冶湖底就有厚達(dá)10～25m穩(wěn)定的第四系湖積黏土層，這些湖積黏土層因厚度大，塑性強(qiáng)，隔水性好，可以隔阻湖水與礦井含水層的直接水力聯(lián)系。

湖下開采后，若湖底基巖表面出現(xiàn)拉伸裂縫，由于湖積黏土層含水量飽和，具有良好的可塑性，當(dāng)采動(dòng)裂縫一出現(xiàn)就會(huì)由這些湖泥塑變而自動(dòng)封閉，湖水下滲通道被堵，從而使湖下開采安全。

4.2 “兩帶”高度低于按“規(guī)程”的計(jì)算

大冶湖下首采面試采結(jié)束后，對(duì)覆巖破壞“兩帶”高度進(jìn)行了探測(cè)，實(shí)測(cè)導(dǎo)水裂縫帶最大高度為27m，比按照“三下”采煤規(guī)程計(jì)算公式計(jì)算的導(dǎo)水裂縫帶最大高度54.4m低了27.4m。分析其原因，“三下”采煤規(guī)程計(jì)算公式是根據(jù)長(zhǎng)壁工作面連續(xù)推進(jìn)50m，回采空間達(dá)到5000m2以上的條件下得出的，而大冶湖區(qū)下煤層與湖北省其他礦區(qū)煤層類似，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，煤層不連續(xù)，厚度變化大，工作面難以按壁式布置，回采不連續(xù)，采空面積達(dá)不到導(dǎo)水裂縫帶最大高度的要求，所以“兩帶”高度低于按“規(guī)程”計(jì)算的高度。

4.3 大冶湖下有提高開采上限的可能

由于大冶湖水底界面之下有厚達(dá)10～25m穩(wěn)定的第四系湖積黏土層，煤層厚度變化大，煤層不連續(xù)，單一回采面積小，覆巖導(dǎo)水裂縫帶高度偏低的實(shí)際，在武漢煤礦設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)的開采上限基礎(chǔ)上存在提高的可能。“三下”采煤規(guī)程第50條對(duì)類似大冶湖這種水體，可以留設(shè)防砂安全煤巖柱。防砂安全煤巖柱比防水安全煤巖柱的高度低，其開采上限也就相應(yīng)提高了。

5 結(jié)束語(yǔ)

湖北港口煤礦大冶湖下壓煤開采，十幾年的時(shí)間里，經(jīng)過(guò)多家科研院所的論證，當(dāng)?shù)馗骷?jí)政府組織召開了多次專家評(píng)審，最終實(shí)現(xiàn)了安全開采。

通過(guò)大冶湖下安全開采實(shí)踐和對(duì)開采條件的進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，大冶湖由于所處的地理環(huán)境，具備了水體下開采得天獨(dú)厚的條件，為安全開采打下了基礎(chǔ)。

［1］煤炭科學(xué)研究院北京開采研究所.煤礦地表移動(dòng)與覆巖破壞規(guī)律及其應(yīng)用［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1981.

［2］國(guó)家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2000.

［3］王廟春.孔莊礦湖堤下采煤沉陷規(guī)律實(shí)測(cè)研究 ［J］.煤礦開采，2011，16(4):55－57.

［4］王大尉，高展鵬，張德龍，等.規(guī)劃區(qū)內(nèi)水體下采煤可行性［J］.煤礦開采，2010，15(3):45－46.

［5］宋子文，常 穎.龍口海下綜放開采關(guān)鍵技術(shù)研究 ［J］.煤礦開采，2009，14(1):48－51.