新疆某煤礦流沙層下采煤可行性說明
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
現某生產礦井目前所采中侏羅統西山窯組7號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，前期由于各生產礦井均采用傳統落后的“房柱式、巷柱式”采煤方法，所形成的采倉面積相對較小，采空區冒落帶高度有限，對礦井所構成的危害相對并不明顯。
“自治區十五煤炭調整規劃”期間，疆內所有已列入規劃的生產礦井必須淘汰落后的“房柱式、巷柱式”采煤方法，采用先進的壁式液壓支架支護采煤方法，以提高礦井采區回采率，確保煤炭資源的合理利用。
煤礦7號煤層采煤工作面設計確定采用壁式液壓支架支護采煤方法。如不對“流沙層”進行治理，將有可能導致“流沙層”大面積垮塌，涌入井下，淹沒巷道，嚴重地威脅礦井安全生產。
第三系含水流沙層孔隙發育，含水量豐富，長期接受地面雨后或融雪季節產生的地表水流及地面河床水的補給，地面補給水源范圍大。礦井試采工作面位于東部采區7號煤層，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，通過計算，煤層開采后，冒落導水裂隙帶高度為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，如對上部含水層不進行治理，將會導致煤層頂板上部第三系含水層的水進入，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目組赴礦區主要生產礦井進行了現場調研，通過對前期地質資料的熟悉了解和井下生產巷道的現場察看，并會同國內水害防治方面具有最高水平的西安煤科院水文地質研究所初步擬定了頂板流沙防治和采法改造的具體方案，其主要內容如下：
1、第三系流沙含水層補給水源的探明；
2、掌握第三系流水沙含水層厚度、含水及導水性質、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確定；
4、地面和井下疏排水鉆孔參數布置方式。
新疆某研究所通過實地調研，于2007年8月編制了《煤礦探放水設計》。
煤礦依據探放水設計布置了探放水鉆孔。依據2007年12月25日項目組在井下對探放水鉆孔的實際調查，前期單個探放水孔流量從288m3/d已減少至90m3/d，水量大幅度減少。由此說明，由于探放水、空區排水及礦井抽排水的作用，其首采區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。
根據實驗結果，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查報告》，確認對煤層頂板流沙含水層進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，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，根據當地侵蝕基準面，可分為透水層和含水層，大氣降水通過該含水層，補給下部含煤地層，為下部地層直接補給源。
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粉砂巖、黃色中、粗砂巖，膠結程度較弱，易松散，厚度為0～200m，基本都位于當地侵蝕基準面以下，富水性較好，主要通過第四系含水層進行補給。第三系系底部礫巖厚度10～15m，為富水性中等含水層，對下覆煤系地層特別是與煤層接觸面影響較大，根據附近水文資料，滲透系數為5.4m/d。此含水層為主采煤層6-7號煤層的間接充水水源，也是影響煤礦安全生產的主要水害隱患。
3、中侏羅統西山窯組上段孔隙-裂隙含水層
要本區只有個別出露，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、泥質膠結，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。依據前期地質報告資料，在6-7號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，該巖層為泥質膠結、結構松散，遇第三系含水層水流補給后易呈流沙狀，穩定性差，很易發生頂板冒落，是影響礦井安全生產的主要安全隱患。下侏羅統西山窯組上段孔隙～裂隙含水層的滲透系數K=0.114m/d，此含水層為主采煤層6-7號煤層的直接充水水源。
（二）礦井探放水實驗
1、探放水鉆孔布置
（1）煤礦東翼+652m水平配風巷布置探放水點，巷道長度為160m，按間距第20m布置探放水點，每個探水點布置1個鉆孔，共布置7組探水點；探放水鉆孔必須穿透侏羅系基巖段，進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水平回風巷布置探水點進行探放水，巷道長度為160m，按間距第20m布置探放水點，每個探水點布置1個鉆孔，共布置5組探水點；探放水鉆孔必須穿透侏羅系基巖段，進入第三系底礫巖含水層6～7m，探放水鉆孔深度為38～44m。
2、探放水設備
探放水設備選用TXU-75型鉆機，鉆桿直徑60mm，最大鉆孔深度為75m,外形尺寸為1150×600×1080mm，電機功率為5.5kw。
在施工過程中，如發現管子出口水壓過大，不易控制時，要求不撤鉆桿，讓水從鉆孔和外桿間間隙流出，防止發生突發性涌水。
（三）煤礦流沙層探放水試驗效果
煤礦東翼+652m水平配風巷、東翼+680m水平回風巷按設計布置探水點進行探放水，共布置12組探水點，共12個鉆孔。
進行了探放水后，由于鉆孔對第三系含水層的疏排作用，礦井涌水量發生重大變化，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，以及地下水徑流緩慢的緣故，其單個鉆孔最大涌水量為288m3/d（2007年6月13日），之后（2007年12月25日）變為144m3/d，礦井總排水量已趨于穩定，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給，從而使礦井首采區東翼+670m水平試采面范圍內煤層頂板上部第三系底礫巖含水層探放水鉆孔水量隨時間推移面逐漸減少，使原趨于飽和狀態下的粗砂巖流沙層補給水量大幅減少，使之該粗砂巖流沙層（距煤層頂板9m，流沙層厚度8m）成為濕潤的固體砂。
2008年元月以后，煤礦在+670m水平試采工作面進行試驗，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，采面推進距離16m。經觀察，其上部粗砂巖流沙含水層已變成濕潤的固體砂，上部第三系水流對試采面采空區未造成較大影響，煤層頂部及煤壁呈相對干燥狀態。充分證明，由于第三系含水層的水流進行了了先期疏排，使試采工作面的推進達到相對安全的效果。
三、煤礦7號煤層首采面試生產情況
煤礦按探放水設計作如下工作：
1、煤礦東翼+652m水平配風巷布置探放水點，巷道長度為550m，按間距第20m布置探放水點，每個探水點布置3個鉆孔，共布置16組探水點，48個探水鉆孔。
2、煤礦東翼+680m水平回風巷布置探水點進行探放水，巷道長度為650m，按間距第20m布置探放水點，每個探水點布置3個鉆孔，共布置18組探水點，54個探放水鉆孔。
采面探放水工作結束后，試采面進行試生產，該采面已推進500m，煤層頂板垮落后，經煤礦技術人員現場勘察，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期效果。
四、7號煤層開采的可行性結論
根據新疆某研究所該項目組研究、試驗報告及煤礦采煤工作面試生產情況，可以確定通過對7號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采面的水的隱患，確保采面安全生產。
