新疆某煤矿流沙层下采煤可行性说明

新疆某煤矿流沙层下采煤可行性说明

一、煤矿流沙层探放水治理方案概述
 现某生产矿井目前所采中侏罗统西山窑组7号煤层顶板上部为第三系流沙含水层，俗称“流沙层”，随着煤层开采，采空区顶板的冒落，上部第三系流沙含水层将呈“豆渣状”涌入井下巷道，淹没矿井。该含水层与煤层顶板的垂直间距为20～40m，前期由于各生产矿井均采用传统落后的“房柱式、巷柱式”采煤方法，所形成的采仓面积相对较小，采空区冒落带高度有限，对矿井所构成的危害相对并不明显。
  “自治区十五煤炭调整规划”期间，疆内所有已列入规划的生产矿井必须淘汰落后的“房柱式、巷柱式”采煤方法，采用先进的壁式液压支架支护采煤方法，以提高矿井采区回采率，确保煤炭资源的合理利用。
 煤矿7号煤层采煤工作面设计确定采用壁式液压支架支护采煤方法。如不对“流沙层”进行治理，将有可能导致“流沙层”大面积垮塌，涌入井下，淹没巷道，严重地威胁矿井安全生产。
 第三系含水流沙层孔隙发育，含水量丰富，长期接受地面雨后或融雪季节产生的地表水流及地面河床水的补给，地面补给水源范围大。矿井试采工作面位于东部采区7号煤层，煤层平均厚度为9.58m，第三系含水层与工作面巷道顶部垂直距离为25～30m，通过计算，煤层开采后，冒落导水裂隙带高度为51.1m左右，已超过了第三系底部含水层，因此，矿井煤层在采用放顶煤开采过程中，如对上部含水层不进行治理，将会导致煤层顶板上部第三系含水层的水进入，致使顶板流沙溃入工作面，造成安全事故。
 2007年元月，新疆某研究所组织项目组赴矿区主要生产矿井进行了现场调研，通过对前期地质资料的熟悉了解和井下生产巷道的现场察看，并会同国内水害防治方面具有最高水平的西安煤科院水文地质研究所初步拟定了顶板流沙防治和采法改造的具体方案，其主要内容如下：
 1、第三系流沙含水层补给水源的探明；
 2、掌握第三系流水沙含水层厚度、含水及导水性质、范围、含水情况，以及含水层及隔水层与采掘工作面的距离；了解第三系深度、范围、积水区域及其分布状况等；
 3、第三系流沙含水层钻孔帷幕注浆参数确定；
 4、地面和井下疏排水钻孔参数布置方式。
 新疆某研究所通过实地调研，于2007年8月编制了《煤矿探放水设计》。
 煤矿依据探放水设计布置了探放水钻孔。依据2007年12月25日项目组在井下对探放水钻孔的实际调查，前期单个探放水孔流量从288m3/d已减少至90m3/d，水量大幅度减少。由此说明，由于探放水、空区排水及矿井抽排水的作用，其首采区上部第三系底砾岩含水性已较探放水初期在明显减少。2007年8月初未施工探放水工作前，矿井总涌水量为600m3/d，至2007年8月16日矿井总涌水量为1800m3/d，涌水量增加值为1200m3/d。至2007年10月16日矿井总涌水量为1740m3/d，涌水量增加值为1140m3/d。
 根据实验结果，新疆某研究所于2008年1月编制了《矿井探放水工作及煤层顶板流沙含水层调查报告》，确认对煤层顶板流沙含水层进行了探放水可保证煤层开采安全，解除煤层顶板流沙含水层对采煤工作面的威胁。
 二、煤矿流沙层探放水治理措施及效果
 （一）矿井含水层和隔水层
 1、第四系孔隙含水层
 广泛分布于矿区，主要为坡积、冲洪积物，厚度为0～50m，渗透性好，其含水性受控于大气降水，根据当地侵蚀基准面，可分为透水层和含水层，大气降水通过该含水层，补给下部含煤地层，为下部地层直接补给源。
 2、第三系孔隙含水层
 大部为第四系覆盖，岩性主要为红色泥质粉砂岩、黄色中、粗砂岩，胶结程度较弱，易松散，厚度为0～200m，基本都位于当地侵蚀基准面以下，富水性较好，主要通过第四系含水层进行补给。第三系系底部砾岩厚度10～15m，为富水性中等含水层，对下覆煤系地层特别是与煤层接触面影响较大，根据附近水文资料，渗透系数为5.4m/d。此含水层为主采煤层6-7号煤层的间接充水水源，也是影响煤矿安全生产的主要水害隐患。
 3、中侏罗统西山窑组上段孔隙-裂隙含水层
 要本区只有个别出露，主要由灰白色、浅灰色砂砾岩、砂岩、灰色的粉砂岩及煤层组成，该组厚度150～300m，砂岩大部为钙质、泥质胶结，遇水松散、膨胀，特别浅部地层受地下水侵蚀后易碎、易散，在矿井西部巷道、煤层顶板尤其明显。依据前期地质报告资料，在6-7号煤层直接顶板以上距煤层顶界约9m的位置，有一层8m左右厚的粗砂岩，该岩层为泥质胶结、结构松散，遇第三系含水层水流补给后易呈流沙状，稳定性差，很易发生顶板冒落，是影响矿井安全生产的主要安全隐患。下侏罗统西山窑组上段孔隙～裂隙含水层的渗透系数K=0.114m/d，此含水层为主采煤层6-7号煤层的直接充水水源。
 （二）矿井探放水实验
 1、探放水钻孔布置
 （1）煤矿东翼+652m水平配风巷布置探放水点，巷道长度为160m，按间距第20m布置探放水点，每个探水点布置1个钻孔，共布置7组探水点；探放水钻孔必须穿透侏罗系基岩段，进入第三系底砾岩含水层6～7m，探放水钻孔深度为28～33m；
 （2）煤矿东翼+680m水平回风巷布置探水点进行探放水，巷道长度为160m，按间距第20m布置探放水点，每个探水点布置1个钻孔，共布置5组探水点；探放水钻孔必须穿透侏罗系基岩段，进入第三系底砾岩含水层6～7m，探放水钻孔深度为38～44m。
 2、探放水设备
 探放水设备选用TXU-75型钻机，钻杆直径60mm，最大钻孔深度为75m,外形尺寸为1150×600×1080mm，电机功率为5.5kw。
 在施工过程中，如发现管子出口水压过大，不易控制时，要求不撤钻杆，让水从钻孔和外杆间间隙流出，防止发生突发性涌水。
 （三）煤矿流沙层探放水试验效果
 煤矿东翼+652m水平配风巷、东翼+680m水平回风巷按设计布置探水点进行探放水，共布置12组探水点，共12个钻孔。
 进行了探放水后，由于钻孔对第三系含水层的疏排作用，矿井涌水量发生重大变化，最大涌水量为1800m3/d（其中探放水钻孔总排水量为1200m3/d）。而随着钻孔疏排的继续，以及地下水径流缓慢的缘故，其单个钻孔最大涌水量为288m3/d（2007年6月13日），之后（2007年12月25日）变为144m3/d，矿井总排水量已趋于稳定，正常涌水量为1450m3/d（其中探放水钻孔总排水量为850m3/d）。
 由于7号煤层上部第三系底砾岩含水层可通过探放水钻孔排出，大幅度减少了试采面的水流补给，从而使矿井首采区东翼+670m水平试采面范围内煤层顶板上部第三系底砾岩含水层探放水钻孔水量随时间推移面逐渐减少，使原趋于饱和状态下的粗砂岩流沙层补给水量大幅减少，使之该粗砂岩流沙层（距煤层顶板9m，流沙层厚度8m）成为湿润的固体砂。
 2008年元月以后，煤矿在+670m水平试采工作面进行试验，使用悬移支架炮采放顶煤采法，煤层开帮高度2m，放顶煤高度4m，采面推进距离16m。经观察，其上部粗砂岩流沙含水层已变成湿润的固体砂，上部第三系水流对试采面采空区未造成较大影响，煤层顶部及煤壁呈相对干燥状态。充分证明，由于第三系含水层的水流进行了了先期疏排，使试采工作面的推进达到相对安全的效果。
 
 三、煤矿7号煤层首采面试生产情况
 
 煤矿按探放水设计作如下工作：
 1、煤矿东翼+652m水平配风巷布置探放水点，巷道长度为550m，按间距第20m布置探放水点，每个探水点布置3个钻孔，共布置16组探水点，48个探水钻孔。
 2、煤矿东翼+680m水平回风巷布置探水点进行探放水，巷道长度为650m，按间距第20m布置探放水点，每个探水点布置3个钻孔，共布置18组探水点，54个探放水钻孔。
 采面探放水工作结束后，试采面进行试生产，该采面已推进500m，煤层顶板垮落后，经煤矿技术人员现场勘察，煤层上部粗砂岩流沙含水层已变成固体砂，采面探放水工作取得了预期效果。
 
 四、7号煤层开采的可行性结论
 
 根据新疆某研究所该项目组研究、试验报告及煤矿采煤工作面试生产情况，可以确定通过对7号煤层上部流沙层含水层探放水，可解除煤层上部流沙层含水层对采面的水的隐患，确保采面安全生产。