葉學(xué)輝 曾文忠 丁華君

摘? 要：文章以威遠(yuǎn)縣紅爐井煤礦水庫(kù)下采煤工程實(shí)踐為例，簡(jiǎn)述了煤礦水體下采煤可行性分析內(nèi)容和開(kāi)采過(guò)程中煤柱留設(shè)、頂板控制的基本方法，為小型礦井“科學(xué)、安全、可靠”地在水體下實(shí)施采煤具有較強(qiáng)的示范和借鑒作用。

關(guān)鍵詞：煤礦水體;采煤工程;實(shí)踐分析

中圖分類號(hào)：TD79 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：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

煤礦，尤其是地方小型煤礦，多處山區(qū)，常有地面水庫(kù)和堰塘，甚至河流、溪溝穿過(guò)礦區(qū)，對(duì)礦井開(kāi)采安全生產(chǎn)、資源回收帶來(lái)隱患。如何在水體下實(shí)施“科學(xué)、安全、可靠”采煤顯得尤為突出和重要。

威遠(yuǎn)縣紅爐井煤礦針對(duì)礦區(qū)地表范圍內(nèi)的船石湖水庫(kù)、紅旗水庫(kù)的具體情況，經(jīng)過(guò)科學(xué)論證，采取了留設(shè)保護(hù)煤柱和有針對(duì)性的采煤方法、頂板控制等措施，經(jīng)過(guò)近4年的開(kāi)采實(shí)踐，成功地采出了約80萬(wàn)噸主焦煤，為地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展、農(nóng)民就業(yè)作出了較大貢獻(xiàn)，也為地方小型煤礦“水體下采煤”提供了經(jīng)驗(yàn)和示范。

1 煤礦基本情況

威遠(yuǎn)縣紅爐井煤礦位于威遠(yuǎn)縣連界鎮(zhèn)，距威遠(yuǎn)縣城公路里程約29km。礦山通過(guò)2km鄉(xiāng)村公路與威（鋼）～沙（灣）公路相連，到連界鎮(zhèn)約8km，交通方便。

礦井所在區(qū)域系潮濕溫暖氣候，降雨量與蒸發(fā)量大致相當(dāng);年降雨量826.3mm～1321.4mm，平均為1022.8mm。常年平均氣溫15.5℃-16℃，最低零下7℃，最高37℃。最大積雪厚度10cm-14cm。常年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)與東北風(fēng)，最大風(fēng)力為8級(jí)。有雷電冰雹，冬季多霧，年相對(duì)濕度為78.2%，屬亞熱帶氣候。

礦井所在井田屬山地侵蝕地形，切割劇烈，溝谷兩側(cè)成懸?guī)r陡壁，山岳起伏較大，地形復(fù)雜。地貌呈南高北低，山脈走向與構(gòu)造線基本一致，最高點(diǎn)在井田西南邊，標(biāo)高為+804.3m，最低點(diǎn)在井田北邊熊家溝附近，標(biāo)高為+524.2m，相對(duì)高差280.1m，大部區(qū)域在+600m以上，屬中等切割丘陵地形。

礦井處在四川盆地西南部的資威穹窿背斜構(gòu)造區(qū)。地層傾向沿穹窿成放射狀。小范圍內(nèi)呈單斜構(gòu)造，略呈橢圓形，長(zhǎng)軸長(zhǎng)約70km，短軸約42km所圈定面積為1755km2。此構(gòu)造的南北兩翼傾角不等，北翼傾角3°～5°，南翼傾角6°～14°。礦井位于資威短軸穹窿背斜北西翼，井田地層屬寬緩褶皺之單斜構(gòu)造，地層與煤層走向一致，為北偏東65°-85°，傾向北偏西25°～5°，傾角2°～4°。

礦井所處區(qū)域自然生態(tài)環(huán)境良好，空氣清新，植被發(fā)育。礦區(qū)西向12km處為白牛寨森林公園，西18km處為船石湖公園。

礦井核定生產(chǎn)能力210kt/a，設(shè)有+629m主斜井、+629m副斜井、+630m人行斜井、+630進(jìn)風(fēng)斜井、+631m回風(fēng)斜等5個(gè)安全出口。礦井開(kāi)采的草皮炭煤層劃分為2個(gè)水平，即+389m和+332m水平，開(kāi)采的大白煤層劃分為1個(gè)水平，即+480m水平。礦井+389m水平劃分為一帶區(qū)和二帶區(qū)，+332m水平劃分為四帶區(qū)、五帶區(qū)和六帶區(qū)、+480m水平劃分為七帶區(qū)、八帶區(qū)和九帶區(qū);礦井現(xiàn)在+389m水平一、二帶區(qū)分別布置有3121對(duì)拉采煤工作面和3221對(duì)拉采煤工作面;工作面長(zhǎng)度為160m（2×80m）、煤層采高為0.7m;均采用高檔普采工藝，采煤機(jī)為MG-100TP型，溜子為SGD-420/22型刮板運(yùn)輸機(jī)、全部垮落法管理頂板。

2 煤礦地面主要水體

礦井法定開(kāi)采區(qū)域?qū)?yīng)地表范圍內(nèi)存有兩大水庫(kù)水體[2]，即船石湖水庫(kù)和紅旗水庫(kù)。

（1）船石湖水庫(kù)：位于東徑104°28′、北緯29°42′處， 壩頂高程+616.42m，庫(kù)面標(biāo)高615.60m，庫(kù)底標(biāo)高+598.00m，水面面積46.3萬(wàn)m2，庫(kù)容481萬(wàn)m3～585萬(wàn)m3，死庫(kù)容99萬(wàn)m3;對(duì)應(yīng)區(qū)域草皮炭煤層416.0kt、大白炭煤層195.0kt。

（2）紅旗水庫(kù)：位于東徑104°28′、北緯29°42′處， 壩頂高程+630.00m，庫(kù)面標(biāo)高627.79m，庫(kù)底標(biāo)高+614.60m，水面面積15.6萬(wàn)m2，庫(kù)容164.20萬(wàn)m3～214.50萬(wàn)m3，死庫(kù)容7.90萬(wàn)m3;對(duì)應(yīng)區(qū)域草皮炭煤層413.0kt、大白炭煤層184.0kt。

3 煤礦水體下采煤可行性分析

3.1 必要性

紅爐井煤礦開(kāi)采煤層屬中灰、低硫、中高熱值的1/3主焦煤，系四川區(qū)域內(nèi)的特殊煤種;船石湖水庫(kù)和紅旗水庫(kù)共壓煤1208.0kt。如果不采，礦井服務(wù)年將減少4.5a，如果回采，按噸煤利潤(rùn)150元估算，可增加利潤(rùn)14496萬(wàn)元。更主要的是影響礦井開(kāi)拓、開(kāi)采的合理布置和當(dāng)?shù)卮迕竦木蜆I(yè)以及川威集團(tuán)的原料供應(yīng);這對(duì)開(kāi)發(fā)利用有限的主焦煤資源，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，保持地方穩(wěn)定和諧，在安全可靠的原則下實(shí)施庫(kù)體下采煤尤顯十分必要。

3.2 可行性分析

（1）煤礦開(kāi)采跨落帶高度

式中：Hm-冒落帶高度，m;M-煤層采厚，m;？琢-煤層傾角，傾角2°～4°;K-冒落巖石碎脹系數(shù)，在一般情況下，巖層垮落后的碎脹系數(shù)為1.25-15;W-冒落過(guò)程中頂板下沉值。W=0.0m（平均采厚0.60m）

計(jì)算結(jié)果：垮落帶最大高度Hm=2.399m

（2）導(dǎo)水裂縫帶高度[3]

可知：礦井煤層開(kāi)采后，導(dǎo)水裂縫帶高度可達(dá)25.492m

（3）防水煤巖柱保護(hù)層厚度[3]

（4）安全開(kāi)采深度

安全開(kāi)采深度H水應(yīng)大于裂縫帶的最大高度H裂加上保護(hù)層厚度H保，即H水≥H裂+H保=（2.399+25.492）+3.600=31.491m

可知：礦井開(kāi)采煤層時(shí)，當(dāng)煤層與水體垂直距離大于31.491m時(shí)，若無(wú)斷層、裂隙和其它構(gòu)造與水體導(dǎo)通時(shí)，在其下開(kāi)采煤層是安全的。

（5）地表最大下沉量

礦井全冒落法管理頂板，地表最大下沉量按[3]

式中：η-下沉系數(shù)，取0.20;m-開(kāi)采厚度，0.60m;？琢-煤層傾角，2°～4°。

計(jì)算結(jié)果：Wmax=0.1199m～0.1197m

可知：地表可能產(chǎn)生的最大下沉量小于0.12m，地表變形微小。

3.3 水庫(kù)下采煤可行性結(jié)論

（1）礦井開(kāi)采煤層可能形成的“三帶高度”為31.491m，可能產(chǎn)生的地表最大下沉量小于0.12m。

（2）礦井地表范圍內(nèi)的船石湖水庫(kù)、紅旗水庫(kù)的庫(kù)底標(biāo)高分別為+598.00m和+614.60m，與井下采場(chǎng)垂直距離均在180m以上，遠(yuǎn)大于“安全開(kāi)采深度”，導(dǎo)水裂縫帶波及不到礦井區(qū)域內(nèi)的導(dǎo)水裂縫帶含水層，更波及不到地面水庫(kù)庫(kù)底;而且，該礦煤層上覆巖層還有隔水層存在，所以井下開(kāi)采對(duì)礦井地表水體是沒(méi)有影響的，是安全的、可行的。

4 水庫(kù)下采煤工程實(shí)踐

4.1 采煤方法及工藝

礦井采用傾斜長(zhǎng)壁采煤法;工作面對(duì)拉布置，截煤機(jī)掏槽，壓炮落煤，人工攉煤，單體支柱支護(hù)，條帶充填管理頂板。

4.2 水庫(kù)煤柱留設(shè)

（1）船石湖水庫(kù)保護(hù)煤柱

船石湖水庫(kù)堤壩長(zhǎng)軸方向?yàn)闁|偏北24°，與煤層走向夾角29°;堤壩長(zhǎng)101m、堤壩寬20m，堤壩煤柱按110m×30m計(jì)算井下保護(hù)煤柱。

按《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》[4]：

堤壩走向方向的煤柱保護(hù)長(zhǎng)度為：110cos29°+30sin29°+2×20+2×20+2×180/tg75°=288m

式中：110-堤壩長(zhǎng)度，m;20-圍護(hù)帶寬度，m;20-地表下20m的巖層移動(dòng)角按45°計(jì)算寬度;180/tg75°-上覆巖石厚度180m，巖層移動(dòng)角按75°計(jì)算。

堤壩傾斜方向的煤柱保護(hù)寬度為：110sin29°+30cos29°+2×20+2×20+2×180/tg75°=257m

式中：30-堤壩寬度，m;20-圍護(hù)帶寬度，m;20-地表下20m的巖層移動(dòng)角按45°計(jì)算寬度;180/tg75°-上覆巖石厚度180m，巖層移動(dòng)角按75°計(jì)算。

（2）紅旗水庫(kù)保護(hù)煤柱

紅旗水庫(kù)堤壩長(zhǎng)軸方向?yàn)闁|偏北32°，與煤層的走向夾角為33°。堤壩長(zhǎng)45m，堤壩寬10m，煤柱堤壩60m×20m計(jì)算井下保護(hù)煤柱。

按《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》[4]：

堤壩走向方向的保護(hù)煤柱長(zhǎng)度為：60cos33°+20sin33°+2×20+2×20+2×260/tg75°=267m

式中：60-堤壩長(zhǎng)度，m;20-圍護(hù)帶寬度，m;20-地表下20m的巖層移動(dòng)角按45°計(jì)算寬度;260/tg75°-上覆巖石厚度260m，巖層移動(dòng)角按75°計(jì)算。

堤壩傾斜方向的保護(hù)煤柱寬度為：60sin33°+20cos33°+2×20+2×20+2×260/tg75°=281m

式中：20-堤壩寬度，m;20-圍護(hù)帶寬度，m;20-地表下20m的巖層移動(dòng)角按45°計(jì)算;260/tg75°-上覆巖石厚度260m，巖層移動(dòng)角按75°計(jì)算寬度。

5 結(jié)束語(yǔ)

威遠(yuǎn)縣紅爐井煤礦，通過(guò)對(duì)地表水體的調(diào)查和開(kāi)采可行性的分析論證，采取留設(shè)保護(hù)煤柱和確定適宜的頂板控制措施，經(jīng)過(guò)2016年～2019年的開(kāi)采實(shí)踐，安全可靠地采出了船石湖水庫(kù)、紅旗水庫(kù)對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)的壓覆煤炭約80萬(wàn)噸，為地方農(nóng)民就業(yè)、區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和小型煤礦如何在水體下采煤踐行了一條“科學(xué)開(kāi)采、安全開(kāi)采”之路。

參考文獻(xiàn)：

[1]煤礦安全規(guī)程（2016年版）[S].國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局令 第87號(hào)，2016.

[2]威遠(yuǎn)縣紅爐井煤礦水體下采煤設(shè)計(jì)[R].紅爐井煤礦生產(chǎn)科，2018.

[3]采礦工程設(shè)計(jì)手冊(cè)[R].煤炭工業(yè)出版社，2003.

[4]建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程[S].