李志興

（寧夏回族自治區(qū)煤炭地質(zhì)調(diào)查院，寧夏銀川750000）

1 問題提出

靈新煤礦范圍內(nèi)賦存17層煤，可采煤層10層。賦存的煤層層數(shù)較多，煤層露頭分布廣泛，露頭及淺部煤層的開采范圍、開采深度各異，遺留數(shù)量眾多早年開采的古采硐和小煤窯（見圖1），富含老空水，造成二煤層、六煤層和九煤層剩余資源量遭受嚴(yán)重破壞，從探放水經(jīng)濟(jì)性分析，形成開采不經(jīng)濟(jì)的問題煤層。

靈新煤礦以五采區(qū)、六采區(qū)下組十四、十五、十六號(hào)煤層為開采對(duì)象。十三煤層開采平均厚度1.22m，煤層頂板為泥質(zhì)巖類，和十四煤層間距小于20m，除受上組煤層開采形成的采空區(qū)及其積水的威脅外，當(dāng)下部煤層開采后，“兩帶”高度穿透上部煤層，常誘發(fā)上部煤層局部出現(xiàn)垮塌現(xiàn)象，導(dǎo)致該煤層破壞而無法利用，成為開采不經(jīng)濟(jì)的問題煤層。

靈新煤礦六采區(qū)十七煤層為承壓煤層。“寶塔山”砂巖含水層組位于十七號(hào)煤底板，六采區(qū)開采其范圍內(nèi)導(dǎo)通十七煤底板含水層的地質(zhì)鉆孔對(duì)下組煤層開采造成水害威脅，十七煤層成為開采的問題煤層。

綜合分析，煤礦范圍內(nèi)之前煤炭資源開采，形成采空區(qū)積水、煤層頂板的不穩(wěn)定等致使部分煤層損壞，以及煤層開采的經(jīng)濟(jì)性分析，是本次研究的重點(diǎn)。

2 分析思路和方法

圖1 靈新煤礦小煤窯分布及采區(qū)劃分示意圖

從礦井的基本情況出發(fā)，結(jié)合煤層基本特征劃分出問題煤層，從煤層的開采的安全性和經(jīng)濟(jì)性上進(jìn)行評(píng)判。煤層可采性分析方法主要是依據(jù)地質(zhì)勘查規(guī)范、礦井地質(zhì)規(guī)程、煤礦防治水規(guī)定等，研究煤礦地質(zhì)勘查資料，分析礦井揭露的煤層及其頂?shù)装逄卣?，確定開采煤層和不可采的問題煤層。在確定問題煤層的基礎(chǔ)上，結(jié)合礦井的地質(zhì)特征和煤層開采經(jīng)濟(jì)性及安全性，評(píng)判煤層可采性，最后提出對(duì)煤層開采性的建議。

3 煤層可采性分析

靈新煤礦出現(xiàn)煤層損壞的原因是多方面的，主要表現(xiàn)為礦井涌水量大、遺留采硐和小煤礦無序開采的采空區(qū)積水、煤層間距偏小出現(xiàn)了下層煤的開采導(dǎo)致上層煤的塌陷。

3.1 主要開采煤層“兩帶”的高度確定

3.1.1 主要開采煤層頂板抗壓強(qiáng)度分析

靈新煤礦主要開采上組煤六煤層和下組煤十四、十五、十六煤層，頂板巖性和力學(xué)特征表現(xiàn)為：六煤層頂板大部為粉砂巖，軸部附近為細(xì)粒砂巖，單向抗壓強(qiáng)度151kg/cm2；十四煤層頂板為粗粒砂巖、粉砂巖，粉砂巖單向抗壓強(qiáng)度437kg/cm2；十五煤直接頂板泥巖，單向抗壓強(qiáng)度253kg/cm2；十六煤頂板為細(xì)粒砂巖、中粒砂巖，細(xì)粒砂巖單向抗壓強(qiáng)度473kg/cm2?？梢钥闯?，上下組煤頂板均為中硬巖性，但十四、十五、十六煤層頂板巖性較為相近，六頂板巖性相對(duì)十四、十五、十六煤層較軟弱。

3.1.2 二煤層“兩帶”高度

根據(jù)資料，靈新煤礦二煤層的冒落帶高度值為20～45m，導(dǎo)水裂隙帶高度值為75.80～160.87m。臨近羊場(chǎng)灣煤礦二煤層實(shí)際冒落帶高度約30m左右。

3.1.3 主要開采煤層導(dǎo)水裂隙帶高度

六煤層導(dǎo)水裂縫帶最大高度的計(jì)算由于缺乏實(shí)測(cè)資料，采用以下兩種公式進(jìn)行預(yù)計(jì)。

公式一：

公式二：

基于偏安全考慮，六煤層頂板導(dǎo)水裂縫帶高度取36.1m。

采用十四煤層裂高采厚比對(duì)下組煤的導(dǎo)水裂縫帶高度進(jìn)行預(yù)計(jì)。計(jì)算公式：

Hli=21×M

式中：Hli——導(dǎo)水裂隙帶高度，m；

M——采厚，m。

通過類比分析選取L3414綜采工作面的裂高采厚比為21，十四煤層煤厚0.67～5.39m，平均2.73m，采厚按2.8m 計(jì)算，十五煤煤厚1.32～5.20m，平均3.18m，采厚按3.2m 計(jì)算，十六煤煤厚0.14～7.51m，平均4.28m，采厚按4.3m計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 靈新煤礦主要開采煤層的導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算結(jié)果

靈新煤礦主要開采煤層的導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算結(jié)果表明，煤層賦存層位越低，導(dǎo)水裂隙帶高度越大。

3.2 礦井涌水量問題

靈新煤礦富水性較強(qiáng)的含水層為基巖風(fēng)化裂隙帶、侏羅系中統(tǒng)直羅組砂巖和上組煤的砂巖層。由于本礦井生產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng)，含水層和采空區(qū)積水存在水力聯(lián)系。

根據(jù)靈新煤礦近幾年礦井涌水量監(jiān)測(cè)成果，礦井正常涌水量平均值為369m3/h，礦井最大涌水量為516m3/h。礦井充水通道為頂板導(dǎo)水裂隙帶，充水水源主要為頂板砂巖水及上部老空區(qū)水。

按照《煤礦防治水規(guī)定》要求，綜合考慮礦井受采掘破壞或者影響的含水層及水體、礦井及周邊老空水分布狀況、礦井涌水量或者突水量分布規(guī)律、礦井開采受水害影響程度以及防治水工作難易程度等多種因素，靈新煤礦水文地質(zhì)類型劃分為“復(fù)雜”類型。

3.3 古采硐和小煤礦采空區(qū)

3.3.1 古采硐

古采硐主要分布煤礦北部和中西部，以北部最為集中，北部主要開采下組煤各煤層；中西部主要開采上組煤之二煤層和六煤層。開采方式一般是沿煤層露頭下掘斜井，也有少數(shù)豎井，一般深度40m，最大深度80m。古小窯采空區(qū)多有積水，積水量不明，靜水位標(biāo)高較高。僅磁礦古小窯采空區(qū)已知靜水位標(biāo)高為+1243.0m，積水范圍不清，預(yù)計(jì)積水量不小于100×104m3。據(jù)靈新礦四采區(qū)探放水及探巷揭露，古小窯為房柱式開采，頂板多數(shù)冒落。在四采區(qū)建井時(shí)在+1234m 水平開拓時(shí)探測(cè)到六號(hào)煤層古小窯老空區(qū)，老空區(qū)內(nèi)有大量積水，最大涌水量160m3/h，抽排水歷時(shí)一年積水未疏干，經(jīng)礦方?jīng)Q定將+1234m 水平封閉，在采區(qū)L4306、L4406 均探測(cè)到了二、六煤層老空區(qū)并疏放積水150m3/h。四采區(qū)出水最大采空區(qū)相互獨(dú)立，采場(chǎng)走向長(zhǎng)34～52m。2002 年12 月北側(cè)永寧縣煤礦開采二煤層時(shí)，曾發(fā)生過掘通小窯發(fā)生突水事故，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

古采硐開采的煤層與靈新煤礦開采的煤層基本一致，區(qū)別只是分布范圍不同。古采硐內(nèi)聚集著大量積水，對(duì)礦井采區(qū)和工作面的布置帶來一定的影響，尤其是未探明的古采硐，直接威脅到礦井的安全生產(chǎn)。

3.3.2 小煤礦無序開采

靈新煤礦范圍內(nèi)分布的小煤礦有靈武縣煤礦、磁窯堡鎮(zhèn)煤礦，永寧縣煤礦、寧夏億中煤業(yè)公司煤礦，杜木橋鄉(xiāng)煤礦、服務(wù)公司煤礦開采對(duì)象為本區(qū)上組煤，即為二煤層、六煤層、七煤層。在+1250m水平以上，開采下組煤的小煤礦從北向南依次為淺一、淺二、淺三、淺四、淺五和淺六小井，淺五是靈新煤礦的最后一個(gè)淺部小井，淺六為石溝驛煤礦的一個(gè)采區(qū)。五采區(qū)佳能煤炭公司開采的九煤層與靈新煤礦五采區(qū)北翼工作面存在壓茬關(guān)系。

由于技術(shù)落后和制度不健全等因素，在煤炭市場(chǎng)繁榮期多表現(xiàn)為超負(fù)荷開采。盡管小煤礦目前已經(jīng)關(guān)閉，靈新煤礦上部直羅組砂巖富水性強(qiáng)，無規(guī)劃的開采形成的采空區(qū)內(nèi)積水量大，尤其小煤礦開采范圍不詳?shù)囟?，?duì)靈新煤礦正規(guī)化開采形成威脅。除五采區(qū)和六采區(qū)外，其余4個(gè)采區(qū)剩余煤炭資源開采難度增大，或者存在開采的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

3.4 煤層間距問題

從表2中可以看出，靈新煤礦煤層間距分布表現(xiàn)為不均勻性。六煤層距二煤層最小間距25.11m，最大間距95.85m，平均間距為51.89m。根據(jù)六煤層導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，六煤層的開采，在局部地段會(huì)影響上部二煤層的完整性。

靈新煤礦下組煤的煤層平均間距小于20m，最小間距為十四煤層和十五煤層，煤層間距僅1.37m，最大間距為十三煤層和十四煤層，煤層間距為32.74m。從各煤層導(dǎo)水裂隙帶計(jì)算結(jié)果來看，導(dǎo)水裂隙帶高度遠(yuǎn)大于煤層間距，這充分表明下部煤層的開采，將直接影響到上部煤層完好性。

表2 靈新煤礦煤層間距統(tǒng)計(jì)表

4 煤層可采性評(píng)價(jià)

靈新煤礦范圍內(nèi)存在問題煤層。問題煤層最關(guān)鍵的表現(xiàn)就是煤層是否可采以及可采的因素。靈新煤礦問題煤層有7層，分別為二煤層、六煤層、七煤層、九煤層、十一煤層、十三煤層、十七煤層，主要分布于一、二、三、四采區(qū)，十三煤層和十七煤層尚在五采區(qū)和六采區(qū)有所表現(xiàn)。本次綜合諸多因素，對(duì)本區(qū)具有問題煤層進(jìn)行可采性評(píng)價(jià)。

4.1 二煤層開采性評(píng)價(jià)

二煤層是本區(qū)主要可采煤層之一，屬于上組煤，賦存層位較高。小煤礦及部分古采硐分布于該煤層，形成了大面積采空區(qū)段。二煤層幾乎開采完畢，所剩為古采硐和小煤礦破壞殘留的資源量，屬不能進(jìn)行開采地段。

4.2 六煤層開采性評(píng)價(jià)

六煤層是本區(qū)主要開采煤層之一，所剩余資源儲(chǔ)量分布于四采區(qū)和五采區(qū)。經(jīng)過多年開采，四采區(qū)西部受煤層露頭附近古小窯空區(qū)破壞、積水影響，部分資源無法開采。

在2012年的采掘過程中，四采區(qū)040605工作面機(jī)巷掘進(jìn)至開口向前686m 處揭露一條走向南北向的逆斷層，傾向79°，平均傾角25°，落差5.4m，最大落差14.12m，影響延伸長(zhǎng)度692m。同時(shí)，040605 工作面整體煤層厚度變化較大，煤層平均厚度為1.2m，影響導(dǎo)致工作面無法布置。

4.3 七煤層和十一煤層開采性評(píng)價(jià)

礦井地質(zhì)資料表明，七煤層和十一煤層分布不均勻，可采厚度較薄，不利于綜采技術(shù)開采，形成呆滯資源量。

4.4 九煤層開采性評(píng)價(jià)

九煤層屬于不穩(wěn)定的局部可采中厚煤層，可采厚度1.42m，大部分已被靈武佳能公司開采，剩余資源已被破壞不能開采。

4.5 十三煤層開采性評(píng)價(jià)

十三煤層屬于穩(wěn)定的全區(qū)可采薄煤層。一、三、五采區(qū)中厚度為0.59～2.16m，平均厚度1.33m，煤層中含有一層厚度在0.29～0.72m 之間的夾矸；在+1050m 水平以下的六采區(qū)，十三煤煤層厚度為0.56～1.61m，平均厚度1.18m。頂?shù)装鍨樯百|(zhì)泥巖及泥巖，厚度為小于1m，遇水變軟且易破碎。根據(jù)礦井揭露，在一、三、五采區(qū)中，出現(xiàn)頂板垮落現(xiàn)象。在+1050m 水平以下，十三煤層頂板壓力及老頂發(fā)育的含水層，工作面形成后頂板容易破碎冒落，對(duì)安全回采造成影響極大。

十三煤層原煤灰分在4.57%～16.04%之間，平均值7.26%，屬特低灰煤。礦井1311工作面開采表明，垮落的0.25m 厚的頂板巖石混入原煤中，導(dǎo)致原煤灰分達(dá)到33.44%，嚴(yán)重影響原煤的質(zhì)量。

六采區(qū)共有地質(zhì)資源/儲(chǔ)量1850×104t，可采儲(chǔ)量1136×104t。在六采區(qū)十四、十五、十六煤開采系統(tǒng)的基礎(chǔ)上延長(zhǎng)區(qū)段石門至十三煤后施工十三煤繞道及順槽等，共發(fā)生井巷工程量6300m，投資約4200萬元。采用GH9.34VE/4.7薄煤層刨煤機(jī)技術(shù)，順槽輔以國(guó)產(chǎn)設(shè)備配套，投入約1000萬元。從經(jīng)濟(jì)分析上來看，為開采六采區(qū)的十三煤共需投資約1.5億元，按照目前的開采方式，每年產(chǎn)出量約30×104t，投資利潤(rùn)率小于4%，投資利稅率小于5%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，投資回收期在40 年以上，其經(jīng)濟(jì)性不可行。同時(shí)，六采區(qū)屬于接續(xù)期，十三煤層的開采將直接影響到整個(gè)六采區(qū)的生產(chǎn)進(jìn)度，更主要的是影響整個(gè)礦井的年產(chǎn)量，因此綜合考慮認(rèn)為：六采區(qū)十三煤儲(chǔ)量為非經(jīng)濟(jì)可采儲(chǔ)量，不予開采。

4.6 十七煤層開采性評(píng)價(jià)

靈新煤礦整體為向斜含水構(gòu)造區(qū)，含水層邊界東部、西部、北部以煤層露頭為界，南部以F2斷層為界。采區(qū)處于單斜構(gòu)造，東陡西緩，地形總的趨勢(shì)南高北低，四周高，中間低，受水面積大?！皩毸健鄙皫r含水層組位于十七號(hào)煤底板，富水性中等，屬于承壓含水層。

一采區(qū)在建井施工中，揭露該含水層最大涌水量231～287m3/h，當(dāng)前涌水量仍保持在80m3/h。根據(jù)1989年一采區(qū)電水1抽水試驗(yàn)單位涌水量為0.293L/（s·m），電水2抽水試驗(yàn)單位涌水量為0.415L/（s·m）及六采區(qū)水文地質(zhì)報(bào)告顯示，該砂巖含水層厚度60.45～76.95m、平均厚度67.81m，單位涌水量在0.097L/（s·m），寶塔砂巖裂隙為主孔隙次之屬承壓含水層，十六煤底板距十七煤底板含水層厚度為7.3～15.51m，平均厚度11.78m。

“寶塔山”砂巖平均突水系數(shù)0.215MPa/m，大于《煤礦防治水規(guī)定》底板正常塊段礦段突水系數(shù)大于0.1MPa/m；因此，對(duì)十七煤層的開采，需對(duì)底部“寶塔山”砂巖含水層進(jìn)行降壓疏放，確保生產(chǎn)安全。