新疆某煤礦流沙層下采煤可行性說明

一、煤礦流沙層探放水治理方案概述
 現(xiàn)某生產(chǎn)礦井目前所采中侏羅統(tǒng)西山窯組7號(hào)煤層頂板上部為第三系流沙含水層，俗稱“流沙層”，隨著煤層開采，采空區(qū)頂板的冒落，上部第三系流沙含水層將呈“豆渣狀”涌入井下巷道，淹沒礦井。該含水層與煤層頂板的垂直間距為20～40m，前期由于各生產(chǎn)礦井均采用傳統(tǒng)落后的“房柱式、巷柱式”采煤方法，所形成的采倉(cāng)面積相對(duì)較小，采空區(qū)冒落帶高度有限，對(duì)礦井所構(gòu)成的危害相對(duì)并不明顯。
  “自治區(qū)十五煤炭調(diào)整規(guī)劃”期間，疆內(nèi)所有已列入規(guī)劃的生產(chǎn)礦井必須淘汰落后的“房柱式、巷柱式”采煤方法，采用先進(jìn)的壁式液壓支架支護(hù)采煤方法，以提高礦井采區(qū)回采率，確保煤炭資源的合理利用。
 煤礦7號(hào)煤層采煤工作面設(shè)計(jì)確定采用壁式液壓支架支護(hù)采煤方法。如不對(duì)“流沙層”進(jìn)行治理，將有可能導(dǎo)致“流沙層”大面積垮塌，涌入井下，淹沒巷道，嚴(yán)重地威脅礦井安全生產(chǎn)。
 第三系含水流沙層孔隙發(fā)育，含水量豐富，長(zhǎng)期接受地面雨后或融雪季節(jié)產(chǎn)生的地表水流及地面河床水的補(bǔ)給，地面補(bǔ)給水源范圍大。礦井試采工作面位于東部采區(qū)7號(hào)煤層，煤層平均厚度為9.58m，第三系含水層與工作面巷道頂部垂直距離為25～30m，通過計(jì)算，煤層開采后，冒落導(dǎo)水裂隙帶高度為51.1m左右，已超過了第三系底部含水層，因此，礦井煤層在采用放頂煤開采過程中，如對(duì)上部含水層不進(jìn)行治理，將會(huì)導(dǎo)致煤層頂板上部第三系含水層的水進(jìn)入，致使頂板流沙潰入工作面，造成安全事故。
 2007年元月，新疆某研究所組織項(xiàng)目組赴礦區(qū)主要生產(chǎn)礦井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，通過對(duì)前期地質(zhì)資料的熟悉了解和井下生產(chǎn)巷道的現(xiàn)場(chǎng)察看，并會(huì)同國(guó)內(nèi)水害防治方面具有最高水平的西安煤科院水文地質(zhì)研究所初步擬定了頂板流沙防治和采法改造的具體方案，其主要內(nèi)容如下：
 1、第三系流沙含水層補(bǔ)給水源的探明；
 2、掌握第三系流水沙含水層厚度、含水及導(dǎo)水性質(zhì)、范圍、含水情況，以及含水層及隔水層與采掘工作面的距離；了解第三系深度、范圍、積水區(qū)域及其分布狀況等；
 3、第三系流沙含水層鉆孔帷幕注漿參數(shù)確定；
 4、地面和井下疏排水鉆孔參數(shù)布置方式。
 新疆某研究所通過實(shí)地調(diào)研，于2007年8月編制了《煤礦探放水設(shè)計(jì)》。
 煤礦依據(jù)探放水設(shè)計(jì)布置了探放水鉆孔。依據(jù)2007年12月25日項(xiàng)目組在井下對(duì)探放水鉆孔的實(shí)際調(diào)查，前期單個(gè)探放水孔流量從288m3/d已減少至90m3/d，水量大幅度減少。由此說明，由于探放水、空區(qū)排水及礦井抽排水的作用，其首采區(qū)上部第三系底礫巖含水性已較探放水初期在明顯減少。2007年8月初未施工探放水工作前，礦井總涌水量為600m3/d，至2007年8月16日礦井總涌水量為1800m3/d，涌水量增加值為1200m3/d。至2007年10月16日礦井總涌水量為1740m3/d，涌水量增加值為1140m3/d。
 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，新疆某研究所于2008年1月編制了《礦井探放水工作及煤層頂板流沙含水層調(diào)查報(bào)告》，確認(rèn)對(duì)煤層頂板流沙含水層進(jìn)行了探放水可保證煤層開采安全，解除煤層頂板流沙含水層對(duì)采煤工作面的威脅。
 二、煤礦流沙層探放水治理措施及效果
 （一）礦井含水層和隔水層
 1、第四系孔隙含水層
 廣泛分布于礦區(qū)，主要為坡積、沖洪積物，厚度為0～50m，滲透性好，其含水性受控于大氣降水，根據(jù)當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面，可分為透水層和含水層，大氣降水通過該含水層，補(bǔ)給下部含煤地層，為下部地層直接補(bǔ)給源。
 2、第三系孔隙含水層
 大部為第四系覆蓋，巖性主要為紅色泥質(zhì)粉砂巖、黃色中、粗砂巖，膠結(jié)程度較弱，易松散，厚度為0～200m，基本都位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以下，富水性較好，主要通過第四系含水層進(jìn)行補(bǔ)給。第三系系底部礫巖厚度10～15m，為富水性中等含水層，對(duì)下覆煤系地層特別是與煤層接觸面影響較大，根據(jù)附近水文資料，滲透系數(shù)為5.4m/d。此含水層為主采煤層6-7號(hào)煤層的間接充水水源，也是影響煤礦安全生產(chǎn)的主要水害隱患。
 3、中侏羅統(tǒng)西山窯組上段孔隙-裂隙含水層
 要本區(qū)只有個(gè)別出露，主要由灰白色、淺灰色砂礫巖、砂巖、灰色的粉砂巖及煤層組成，該組厚度150～300m，砂巖大部為鈣質(zhì)、泥質(zhì)膠結(jié)，遇水松散、膨脹，特別淺部地層受地下水侵蝕后易碎、易散，在礦井西部巷道、煤層頂板尤其明顯。依據(jù)前期地質(zhì)報(bào)告資料，在6-7號(hào)煤層直接頂板以上距煤層頂界約9m的位置，有一層8m左右厚的粗砂巖，該巖層為泥質(zhì)膠結(jié)、結(jié)構(gòu)松散，遇第三系含水層水流補(bǔ)給后易呈流沙狀，穩(wěn)定性差，很易發(fā)生頂板冒落，是影響礦井安全生產(chǎn)的主要安全隱患。下侏羅統(tǒng)西山窯組上段孔隙～裂隙含水層的滲透系數(shù)K=0.114m/d，此含水層為主采煤層6-7號(hào)煤層的直接充水水源。
 （二）礦井探放水實(shí)驗(yàn)
 1、探放水鉆孔布置
 （1）煤礦東翼+652m水平配風(fēng)巷布置探放水點(diǎn)，巷道長(zhǎng)度為160m，按間距第20m布置探放水點(diǎn)，每個(gè)探水點(diǎn)布置1個(gè)鉆孔，共布置7組探水點(diǎn)；探放水鉆孔必須穿透侏羅系基巖段，進(jìn)入第三系底礫巖含水層6～7m，探放水鉆孔深度為28～33m；
 （2）煤礦東翼+680m水平回風(fēng)巷布置探水點(diǎn)進(jìn)行探放水，巷道長(zhǎng)度為160m，按間距第20m布置探放水點(diǎn)，每個(gè)探水點(diǎn)布置1個(gè)鉆孔，共布置5組探水點(diǎn)；探放水鉆孔必須穿透侏羅系基巖段，進(jìn)入第三系底礫巖含水層6～7m，探放水鉆孔深度為38～44m。
 2、探放水設(shè)備
 探放水設(shè)備選用TXU-75型鉆機(jī)，鉆桿直徑60mm，最大鉆孔深度為75m,外形尺寸為1150×600×1080mm，電機(jī)功率為5.5kw。
 在施工過程中，如發(fā)現(xiàn)管子出口水壓過大，不易控制時(shí)，要求不撤鉆桿，讓水從鉆孔和外桿間間隙流出，防止發(fā)生突發(fā)性涌水。
 （三）煤礦流沙層探放水試驗(yàn)效果
 煤礦東翼+652m水平配風(fēng)巷、東翼+680m水平回風(fēng)巷按設(shè)計(jì)布置探水點(diǎn)進(jìn)行探放水，共布置12組探水點(diǎn)，共12個(gè)鉆孔。
 進(jìn)行了探放水后，由于鉆孔對(duì)第三系含水層的疏排作用，礦井涌水量發(fā)生重大變化，最大涌水量為1800m3/d（其中探放水鉆孔總排水量為1200m3/d）。而隨著鉆孔疏排的繼續(xù)，以及地下水徑流緩慢的緣故，其單個(gè)鉆孔最大涌水量為288m3/d（2007年6月13日），之后（2007年12月25日）變?yōu)?44m3/d，礦井總排水量已趨于穩(wěn)定，正常涌水量為1450m3/d（其中探放水鉆孔總排水量為850m3/d）。
 由于7號(hào)煤層上部第三系底礫巖含水層可通過探放水鉆孔排出，大幅度減少了試采面的水流補(bǔ)給，從而使礦井首采區(qū)東翼+670m水平試采面范圍內(nèi)煤層頂板上部第三系底礫巖含水層探放水鉆孔水量隨時(shí)間推移面逐漸減少，使原趨于飽和狀態(tài)下的粗砂巖流沙層補(bǔ)給水量大幅減少，使之該粗砂巖流沙層（距煤層頂板9m，流沙層厚度8m）成為濕潤(rùn)的固體砂。
 2008年元月以后，煤礦在+670m水平試采工作面進(jìn)行試驗(yàn)，使用懸移支架炮采放頂煤采法，煤層開幫高度2m，放頂煤高度4m，采面推進(jìn)距離16m。經(jīng)觀察，其上部粗砂巖流沙含水層已變成濕潤(rùn)的固體砂，上部第三系水流對(duì)試采面采空區(qū)未造成較大影響，煤層頂部及煤壁呈相對(duì)干燥狀態(tài)。充分證明，由于第三系含水層的水流進(jìn)行了了先期疏排，使試采工作面的推進(jìn)達(dá)到相對(duì)安全的效果。
 
 三、煤礦7號(hào)煤層首采面試生產(chǎn)情況
 
 煤礦按探放水設(shè)計(jì)作如下工作：
 1、煤礦東翼+652m水平配風(fēng)巷布置探放水點(diǎn)，巷道長(zhǎng)度為550m，按間距第20m布置探放水點(diǎn)，每個(gè)探水點(diǎn)布置3個(gè)鉆孔，共布置16組探水點(diǎn)，48個(gè)探水鉆孔。
 2、煤礦東翼+680m水平回風(fēng)巷布置探水點(diǎn)進(jìn)行探放水，巷道長(zhǎng)度為650m，按間距第20m布置探放水點(diǎn)，每個(gè)探水點(diǎn)布置3個(gè)鉆孔，共布置18組探水點(diǎn)，54個(gè)探放水鉆孔。
 采面探放水工作結(jié)束后，試采面進(jìn)行試生產(chǎn)，該采面已推進(jìn)500m，煤層頂板垮落后，經(jīng)煤礦技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)勘察，煤層上部粗砂巖流沙含水層已變成固體砂，采面探放水工作取得了預(yù)期效果。
 
 四、7號(hào)煤層開采的可行性結(jié)論
 
 根據(jù)新疆某研究所該項(xiàng)目組研究、試驗(yàn)報(bào)告及煤礦采煤工作面試生產(chǎn)情況，可以確定通過對(duì)7號(hào)煤層上部流沙層含水層探放水，可解除煤層上部流沙層含水層對(duì)采面的水的隱患，確保采面安全生產(chǎn)。