上組煤老空積水對(duì)下組煤開采的影響分析

劉會(huì)明

(榆次煤炭技術(shù)服務(wù)中心，山西 榆次 030600)

采掘范圍內(nèi)不明的古井、小窯積水，以及近代礦井采空區(qū)與廢巷的積水，統(tǒng)稱為老空積水。老空積水一般位置不清，水體幾何形狀極不規(guī)則，空間分布無(wú)規(guī)律，積水區(qū)位置難以分析判斷和準(zhǔn)確掌握，突水來(lái)勢(shì)兇猛，破壞性強(qiáng)。老空水多為酸性水，并具有腐蝕性，也有含諸如硫化氫等有害氣體的老空水。

老空水事故約占總水害事故的80%以上，因此，礦井老空水分布狀況作為水文地質(zhì)類型劃分的一個(gè)重要指標(biāo)。

礦井工作面由上組煤轉(zhuǎn)入下組煤，上部老空積水成為下組煤開采的潛在安全隱患，為了確定疏干范圍，必須對(duì)下組煤層開采的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度主要與煤層開采厚度和開采面積、覆巖巖性和組合方式、煤層傾角和埋深、煤層開采方法和頂板管理方法等因素有關(guān)。

確定煤層覆巖垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶最大高度的方法有經(jīng)驗(yàn)公式法、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法和數(shù)字模擬法等。有條件時(shí)要采用多種方法綜合確定。下面重點(diǎn)介紹經(jīng)驗(yàn)公式法：

1 礦井地質(zhì)概況

大山溝煤業(yè)有限公司為兼并重組整合礦井，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力90萬(wàn)t/a，井田內(nèi)地表大部為第四系中上更新統(tǒng)地層覆蓋。賦存地層由老至新有：古生界奧陶系中統(tǒng)、石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組、二疊系上統(tǒng)上石盒子組、第四系中上更新統(tǒng)。井田地層總體為一向南傾斜的單斜構(gòu)造，南部發(fā)育一軸向近南北向的小型背斜構(gòu)造，地層傾角4°～8°，井田內(nèi)發(fā)現(xiàn)有3條正斷層，井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造總體上屬中等類型。

井田內(nèi)主要可采煤層為山西組的1#、2#煤層和太原組的 9#、10#、11#煤層，1#、2#煤層已采空。據(jù)地質(zhì)報(bào)告提供資料，1#煤層估算采空區(qū)積水量約25 294 m3。2#煤層估算采空區(qū)積水量約57 757 m3。

礦井在二采區(qū)聯(lián)合布置開采9#、10#、11#煤層，9#煤層布置一個(gè)長(zhǎng)壁綜采工作面，一次采全高，全部垮落法管理頂板;10#與11#煤層間距小，采用長(zhǎng)壁綜合機(jī)械采煤法分層開采，先采10#煤上分層3．00 m，后采10#煤下部與11#煤合并層2．96 m，全部垮落法管理頂板。

根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》要求，采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》(以下簡(jiǎn)稱三下采煤規(guī)程)導(dǎo)水裂縫帶計(jì)算公式，對(duì)各可采煤層開采所形成的導(dǎo)水裂縫帶高度進(jìn)行計(jì)算分析。

在老空積水區(qū)下的煤層中進(jìn)行回采時(shí)，防隔水煤(巖)柱的尺寸，不得小于導(dǎo)水裂縫帶最大高度與保護(hù)帶高度之和。

2 上覆巖層的巖性及地層結(jié)構(gòu)分析

上覆巖層的巖性及地層結(jié)構(gòu)不僅影響巖層的含隔水性，而且影響采動(dòng)后覆巖的破壞程度。

2．1 巖性的影響

1)巖石的礦物成分：在造巖礦物中，黏土礦物遇水后會(huì)產(chǎn)生可塑性，具有良好的隔水性和抗裂性，如黏土巖、頁(yè)巖、泥巖等。

2)巖石的顆粒組成：巖石的顆粒粒徑愈小，級(jí)配適當(dāng)，則其隔水性能愈好。黏土膠結(jié)的巖石，強(qiáng)度最低，易風(fēng)化和泥化，一旦開裂后很容易恢復(fù)其原有的隔水性能;鐵質(zhì)、石膏質(zhì)膠結(jié)的巖石強(qiáng)度較低，開裂后再受壓，其隔水性能可以恢復(fù);鈣質(zhì)膠結(jié)的巖石強(qiáng)度高，易受溶蝕，開裂后再受壓，其隔水性能不易恢復(fù);硅質(zhì)膠結(jié)的巖石強(qiáng)度高，不易風(fēng)化和泥化，開裂后再受壓，其隔水性能不能恢復(fù)。

3)力學(xué)強(qiáng)度：

從水體下采煤角度，通常按巖石的單向抗壓強(qiáng)度，將巖石分為5個(gè)巖石等級(jí)(見表1)。巖石等級(jí)愈軟弱，其抗裂性能和隔水性能愈好，對(duì)于水體下采煤愈有利。

表1 巖石等級(jí)及其典型巖石

2．2 地層結(jié)構(gòu)的影響

根據(jù)地層中不同力學(xué)強(qiáng)度的巖層及其組合關(guān)系，分為如下4種類型：

1)軟弱－軟弱型，全部巖層由軟弱巖層構(gòu)成，具有良好的隔水性和抗裂性。

2)堅(jiān)硬－堅(jiān)硬型，全部巖層由堅(jiān)硬巖層構(gòu)成，其隔水性和抗裂性差。

3)軟弱－堅(jiān)硬型，近煤層處為軟弱巖層，遠(yuǎn)煤層處為堅(jiān)硬巖層。當(dāng)軟弱巖層厚度大于導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨葧r(shí)，其隔水性和抗裂性好;反之，其隔水性和抗裂性差。

4)堅(jiān)硬－軟弱型，近煤層處為堅(jiān)硬巖層，遠(yuǎn)煤層處為軟弱巖層。當(dāng)堅(jiān)硬巖層厚度大時(shí)，則導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨却螅涓羲院涂沽研匀Q于軟弱巖層，反之，其隔水性和抗裂性好。

2．3 井田二采區(qū)上覆巖層巖性分析

據(jù)位于二采區(qū)中部的ZK03號(hào)鉆孔柱狀圖，9#煤層與2#煤層的層間距86．58 m，由泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖、石灰?guī)r、煤層組成，其中：泥巖、砂質(zhì)泥巖厚度42．82 m，砂巖厚度23．35 m，石灰?guī)r厚度17．00 m，煤層共 8 層(3#、4#、5#、6#、7#上、7#、8#，均為不可采煤層)，總厚度3．41 m。

9#煤層直接頂為 K2灰?guī)r，厚度7．13 m，其上為泥巖、砂巖互層，厚度19．51 m，按力學(xué)結(jié)構(gòu)分析屬堅(jiān)硬－軟弱型。上覆巖層巖性厚度統(tǒng)計(jì)表見表2。

表2 上覆巖層巖性厚度統(tǒng)計(jì)表

從表2可以看出，軟弱的泥巖、砂質(zhì)泥巖厚度占總厚度的一半，中硬的的砂巖占總厚度的1/4多，堅(jiān)硬的石灰?guī)r占近1/5，煤層單向抗壓強(qiáng)度一般介于軟弱～中硬之間，但其隔水性和抗裂性較差，其隔水性和抗裂性能可歸為中硬巖層一類。根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，計(jì)算垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶高度應(yīng)采用中硬巖層經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，為保證安全誤差取(+)值。

3 煤層綜合開采厚度的確定

9#煤層：位于太原組下部，距2#煤層底86．58 m，煤層厚度為1．18 m。不含夾矸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，層位、厚度穩(wěn)定，為穩(wěn)定的全區(qū)可采煤層，頂板為K2灰?guī)r，底板為泥巖。

10#煤層：位于太原組下部，距9#煤層底1．20 m，煤層厚度為3．45 m，含2層夾矸，夾矸最大厚度為0．21 m，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，層位穩(wěn)定，為穩(wěn)定的全區(qū)可采煤層;頂、底板均為泥巖。

11#煤層：位于太原組下部，距10#煤層底0．58 m，煤層厚度為1．93 m，含1～2層夾矸，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，層位較穩(wěn)定，為穩(wěn)定的全區(qū)可采煤層，其頂、底板均為泥巖。ZK03號(hào)鉆孔煤層特征表見表3。

表3 ZK03號(hào)鉆孔煤層特征表

10#煤與11#煤層間距0．58 m，上、下煤層之間的距離很小，開采厚度為累計(jì)厚度。

則：

10#煤與11#煤在計(jì)算垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶時(shí)可視作一層煤，9#煤與(10+11)#煤層間距1．20 m，綜合開采厚度按下式計(jì)算：

式中：

MZ1－2—9#、10#、11#煤層綜合開采厚度;

M1—9#煤層開采厚度，m，取 1．18;

M2—(10+11)#煤層開采厚度，m，取 5．96;

h1－2—9#煤與(10+11)#煤之間的法線距離，m，取 1．20;

4 導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算

礦井采用厚煤層分層開采采煤法，選用《三下采煤規(guī)程》附表6－2緩傾斜煤層中硬巖石導(dǎo)水裂縫帶高度公式，計(jì)算導(dǎo)水裂縫帶高度。

下層煤的垮落帶接觸到或完全進(jìn)入上層煤范圍內(nèi)時(shí)，上層煤的導(dǎo)水裂縫帶最大高度采用本層煤的開采厚度計(jì)算，上層煤的導(dǎo)水裂縫帶最大高度，則應(yīng)采用上、下層煤的綜合開采厚度計(jì)算，取其中標(biāo)高最高者為兩層煤的導(dǎo)水裂縫帶最大高度。

1)1#、9#煤層導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算：公式一：

∑M—煤層綜合采高，m，取6．66;則： HLi=61．61 m。

取大值，則，開采9#、10#、11#煤層導(dǎo)水裂縫帶高度取 HLi=61．61 m。

導(dǎo)水裂縫帶最大高度為61．61 m。

5 保護(hù)層厚度的確定：

1#與2#煤層間距4．04 m，2#煤的開采會(huì)導(dǎo)通1#煤老空積水。據(jù)ZK03號(hào)鉆孔資料，2#煤層底板為泥巖、砂巖、薄煤層互層，泥巖厚度大于累計(jì)開采厚度6．66 m，根據(jù)《三下采煤規(guī)程》附表6－4防水安全煤巖柱保護(hù)層厚度中硬巖層取值計(jì)算公式：

保護(hù)層厚度=3×(∑M/n)

式中：

∑M—累計(jì)采高，m，取 6．66;

n—分層層數(shù);本采區(qū)為3層。則：保護(hù)層厚度=6．66 m。

經(jīng)分析計(jì)算，采用長(zhǎng)壁分層開采采煤法開采9#、10#、11#煤層時(shí)，導(dǎo)水裂縫帶最大高度 61．61 m，防水安全煤巖柱保護(hù)層厚度6．66 m，兩者之和68．27 m，9#煤與2#煤層間距86．58 m，可以滿足安全開采的要求，上組煤老空積水在無(wú)構(gòu)造導(dǎo)通時(shí)對(duì)下組煤的開采沒有影響。導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算示意圖見圖1。

圖1 導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算示意圖

礦井在二采區(qū)布置綜采工作面進(jìn)行試采，第一個(gè)工作面長(zhǎng)度120 m，在9#煤層開采6．5個(gè)月后，聯(lián)合布置開采(10+11)#煤層，工作面涌水量無(wú)明顯變化，第二個(gè)工作面長(zhǎng)度改為150 m，生產(chǎn)正常。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)大山溝煤業(yè)二采區(qū)中部的ZK03號(hào)鉆孔資料，對(duì)下組煤覆巖巖性進(jìn)行了定性定量分析評(píng)價(jià)，運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算了導(dǎo)水裂縫帶最大高度，得出了下組煤可以安全開采的結(jié)論。

由于《三下采煤規(guī)程》提供的經(jīng)驗(yàn)公式并非來(lái)自本礦區(qū)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在工作面推進(jìn)中要隨時(shí)監(jiān)測(cè)頂板涌水量變化情況，發(fā)現(xiàn)異常時(shí)采取物探、鉆探、巷探等方法查明原因，及時(shí)處理，保證安全生產(chǎn)。

在導(dǎo)水裂縫帶最大高度接近上覆老空積水時(shí)，可以合理選擇采煤方法，充填開采和條帶式開采都可有效地減輕覆巖的破壞程度，其導(dǎo)水裂縫帶高度比全部垮落法開采時(shí)大為減小，因此，應(yīng)盡量采用;當(dāng)采用垮落法開采近水平、緩傾斜煤層時(shí)，應(yīng)采用傾斜分層間歇開采，不宜采用一次采全厚的采煤方法(如大采高綜采、放頂煤采煤法等);應(yīng)保持工作面連續(xù)勻速推進(jìn)，避免推進(jìn)速度過(guò)慢或停頓，防止工作面頂板超前斷裂;合理布置工作面及其推進(jìn)方向，使頂板含水層的水流向采空區(qū)后排出。