老公營(yíng)子煤礦第四系含水層下特厚煤層綜放開采研究

封占軍，李 磊，劉治國(guó)，魏耀軍

(1.內(nèi)蒙古平莊能源股份有限公司老公營(yíng)子煤礦，內(nèi)蒙古赤峰024076;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013)

綜放開采是將特厚煤層一次性開采出來(lái)的高產(chǎn)高效的采煤方法，其優(yōu)點(diǎn)是采煤生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)效率高、經(jīng)濟(jì)效益顯著。缺點(diǎn)是由于采煤強(qiáng)度大造成覆巖破壞高度增大，對(duì)水體下采煤十分不利［1］。

老公營(yíng)子煤礦位于內(nèi)蒙古赤峰市，第四系含水層富水性強(qiáng)，直接覆蓋于煤系地層之上，其主采煤層5煤平均厚度10.34m，屬特厚煤層［2］。本文通過(guò)對(duì)老公營(yíng)子煤礦水文地質(zhì)條件的研究，對(duì)5煤第四系含水層下綜放開采可行性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，對(duì)礦井實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效開采具有重要的指導(dǎo)意義。

1 礦井地質(zhì)采礦條件

老公營(yíng)子煤礦位于元寶山煤田中部，含煤地層為侏羅系地層，主采煤層5煤平均厚度為10.34m，適合采用綜放開采。

礦井主要含水層有第四系孔隙潛水含水層、第四系玄武巖承壓含水層、第四系孔隙承壓含水層、白堊系基巖含水層及侏羅系基巖承壓含水層。

第四系含水層為強(qiáng)富水含水層，直接覆蓋在煤系地層之上;煤系地層基巖含水層為弱富水含水層。由于第四系含水層與基巖含水層之間沒有穩(wěn)定的隔水層，兩者形成了統(tǒng)一水體對(duì)工作面進(jìn)行充水，對(duì)5煤的綜放開采造成了嚴(yán)重威脅，且礦井在開采3煤期間在最小柱厚比為22的情況下發(fā)生過(guò)異常出水事故，也說(shuō)明了礦井地質(zhì)采礦條件的特殊性。

2 煤層的覆巖結(jié)構(gòu)特性

水體下采煤的實(shí)踐結(jié)果顯示:軟、硬巖層的力學(xué)參數(shù)不同，采動(dòng)后巖體內(nèi)應(yīng)力的分布和破壞類型不同，一般的軟弱巖層塑性大，采動(dòng)后透水性弱，有時(shí)被水浸潤(rùn)后軟化，還可以構(gòu)成水體下采煤的隔水層;而堅(jiān)硬的砂巖脆性較大，采動(dòng)后產(chǎn)生脆性破壞，且被水浸潤(rùn)后不軟化，透水性強(qiáng)，對(duì)水體下采煤不利。因此分析煤層上覆巖層的結(jié)構(gòu)特性對(duì)于研究覆巖的破壞規(guī)律有著重要的意義［3］。

根據(jù)老公營(yíng)子煤礦5煤頂?shù)装宓膸r石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果 (表1)，結(jié)合對(duì)礦井5煤頂板以上基巖柱的巖性結(jié)果統(tǒng)計(jì)，5煤頂板以上基巖柱中砂巖類巖石所占比例約為79.18%，泥巖類巖石所占比例約為20.82%，經(jīng)綜合分析認(rèn)為，老公營(yíng)子礦井5煤上覆巖層屬軟弱類型。

為了解5煤上覆巖層含隔水性能，對(duì)5煤上覆巖層中泥巖及粉砂巖取樣進(jìn)行了物理性質(zhì)、水理性質(zhì)、物質(zhì)組成的定量測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明巖層較軟，泥巖類活性大，遇水易膨脹，具有較好的隔水性能，對(duì)水體下采煤有利。

表1 老公營(yíng)子煤礦5煤頂?shù)装鍘r石力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果

3 5煤綜放開采覆巖破壞高度預(yù)計(jì)

綜放開采是一種新興的采煤方法， 《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》)中尚缺少綜放開采覆巖破壞高度的預(yù)計(jì)方法。康永華、滕永海、許延春分別總結(jié)了綜放開采覆巖破壞高度的預(yù)計(jì)公式，但主要針對(duì)于華東及東北地區(qū)的地質(zhì)采礦條件［4－6］。老公營(yíng)子煤礦屬于西北地區(qū)，其地質(zhì)采礦條件不同于華東及東北地區(qū)，有其特殊性，因此需要結(jié)合礦井的開采實(shí)踐，通過(guò)數(shù)值模擬、理論分析的方法對(duì)老公營(yíng)子煤礦5煤綜放開采的覆巖破壞高度進(jìn)行預(yù)計(jì)。

3.1 簡(jiǎn)易水文觀測(cè)

在工作面采空區(qū)上方施工“兩帶”孔，應(yīng)用鉆孔沖洗液漏失量觀測(cè)法及彩色鉆孔電視成像法對(duì)煤層開采的覆巖破壞高度進(jìn)行實(shí)測(cè)，是目前最有效的覆巖破壞高度預(yù)計(jì)方法。圖1，圖2為老公營(yíng)子煤礦5煤開采“兩帶”鉆孔沖洗液漏失量與鉆孔水位觀測(cè)圖。由圖中可以看出LD111孔在孔深180m左右沖洗液完全漏失，在孔深220m左右鉆孔無(wú)水位;LD112孔在孔深165m左右沖洗液完全漏失，在孔深225m左右鉆孔無(wú)水位。結(jié)合彩色鉆孔電視影像 (圖3)得出5煤開采厚度為2.6m時(shí)，導(dǎo)水裂縫帶高度為24.36～24.91m，裂采比為9.37～9.58。

3.2 類比分析

由于綜放開采的覆巖破壞高度預(yù)計(jì)沒有相應(yīng)的計(jì)算公式，因此需依據(jù)國(guó)內(nèi)其他礦井綜放開采的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行類比分析，如表2所示。

根據(jù)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律和老公營(yíng)子煤礦5－1煤層工作面初次開采條件下的導(dǎo)水裂縫帶高度與開采厚度的比值為9.37～9.58的實(shí)測(cè)結(jié)果，結(jié)合老公營(yíng)子煤礦和5煤賦存區(qū)的具體條件，通過(guò)類比分析，本著安全穩(wěn)妥的原則，選取5煤綜放開采時(shí)裂高采厚比為9，對(duì)應(yīng)5煤最大厚度為21.31m時(shí)，導(dǎo)水裂縫帶最大高度為190m。

圖1 鉆孔沖洗液漏失量與孔深關(guān)系曲線

圖2 鉆孔水位與孔深關(guān)系曲線

圖3 裂縫帶頂點(diǎn)裂縫發(fā)育特征

表2 部分礦井綜放開采條件下的覆巖破壞高度實(shí)測(cè)結(jié)果

3.3 數(shù)值模擬

利用FLAC3D建立了老公營(yíng)子礦工作面5煤綜放開采的數(shù)值模型 ，模型大小為1000m×400m×207m，并依據(jù)礦井實(shí)際地質(zhì)條件賦予了模型參數(shù)。經(jīng)數(shù)值計(jì)算得出 (圖4)，工作面在綜放開采厚度為21.31m時(shí)，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度約為182m，裂高采厚比為8.54，與類比結(jié)果相近，證明類比結(jié)果比較符合礦井開采實(shí)際。

圖4 數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果

4 5煤第四系含水層下綜放開采研究

4.1 5煤綜放開采相關(guān)含水層的影響

老公營(yíng)子煤礦5煤上覆基巖含水層巖性主要由灰、灰白色粗、中、細(xì)砂巖及部分粉砂巖組成，泥質(zhì)膠結(jié)，局部裂隙發(fā)育，屬于弱富水含水層。分析認(rèn)為煤層在第四系含水層下進(jìn)行綜放開采時(shí)，導(dǎo)水裂縫帶不波及第四系含水層時(shí)，第四系含水層不會(huì)對(duì)工作面直接充水，而是沿基巖對(duì)工作面進(jìn)行滲透補(bǔ)給，煤系地層中的基巖弱富水含水層為煤層開采的直接充水含水層。

4.2 防水安全煤巖柱的選取

根據(jù)《“三下”采煤規(guī)程》規(guī)定，在強(qiáng)含水層下需留設(shè)防水安全煤巖柱開采。如公式1所示，防水安全煤巖柱高度 (Hsh)應(yīng)大于或等于導(dǎo)水裂縫帶的最大高度 (Hli)加上保護(hù)層厚度 (Hb)，即:

依據(jù)老公營(yíng)子地質(zhì)采礦條件，選取保護(hù)層厚度為3倍的綜放開采厚度，則防水安全煤巖柱高度與煤層的柱厚比為12，得出按照5煤最大煤厚21.31m進(jìn)行放頂煤時(shí)應(yīng)留設(shè)的防水安全煤巖柱垂高約為255.72m。

4.3 5煤綜放開采方案的選取

由于第四系含水層為強(qiáng)富水含水層，為防止導(dǎo)水裂縫帶波及到第四系含水層，防水安全煤巖柱需在基巖柱內(nèi)選取。即當(dāng)5煤上覆基巖柱厚度大于防水安全煤巖柱高度時(shí)，第四系含水層不會(huì)對(duì)工作面直接充水。依據(jù)井田內(nèi)鉆孔資料，5煤層賦存區(qū)內(nèi)上覆基巖柱厚度由西南向東北逐步變厚，厚度約為170～416m。對(duì)比5煤上覆基巖柱厚度與實(shí)際揭露5煤開采所需的防水煤巖柱高度，得出5煤賦存區(qū)內(nèi)僅兩個(gè)鉆孔揭露基巖柱厚度不滿足留設(shè)防水安全煤巖柱的條件，其余鉆孔都滿足留設(shè)防水安全煤巖柱高度的條件。因此，建議5煤進(jìn)行綜放開采時(shí)工作面布置在井田東北部基巖柱厚度較厚的區(qū)域，對(duì)于不滿足留設(shè)防水安全煤巖柱的區(qū)域，可以采取限制采放高度的方法來(lái)進(jìn)行回采。同時(shí)考慮到3煤工作面出現(xiàn)的較大涌水的原因目前尚未查清，為了防止覆巖破壞高度異常增大而導(dǎo)致采動(dòng)裂隙直接波及第四系孔隙含水層，5煤綜放開采時(shí)應(yīng)按試采要求進(jìn)行管理，并應(yīng)根據(jù)回采工作面的水情變化等情況靈活調(diào)整，控制放煤高度。

5 結(jié)論

(1)分析了老公營(yíng)子煤礦5煤綜放開采的地質(zhì)采礦條件，認(rèn)為第四系含水層為老公營(yíng)子煤礦的主要充水含水層，是礦井進(jìn)行5煤綜放開采的嚴(yán)重威脅水源。

(2)通過(guò)統(tǒng)計(jì)礦井5煤以上基巖柱的巖性結(jié)構(gòu)以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，確定5煤上覆巖層巖性為軟弱類型，泥巖及粉砂巖類隔水性能好，對(duì)水體下采煤有利。

(3)利用簡(jiǎn)易水文觀測(cè)法、類比法及數(shù)值模擬法確定了5煤綜放開采的裂高采厚比為9，開采厚度為21.34m時(shí)，導(dǎo)水裂縫帶最大高度約為190m。

(4)老公營(yíng)子煤礦需留設(shè)防水安全煤巖柱對(duì)5煤進(jìn)行第四系含水層下綜放開采，研究區(qū)內(nèi)基本可以滿足針對(duì)第四系孔隙含水層留設(shè)綜放開采防水安全煤巖柱的要求，但為防止發(fā)生覆巖破壞高度異常增大而導(dǎo)致采動(dòng)裂隙直接波及第四系孔隙含水層，5煤綜放開采時(shí)應(yīng)按試采要求進(jìn)行管理。

［1］康永華，孔凡銘.巨厚含水砂層下頂水綜放開采試驗(yàn)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，1998，26(9):35－38.

［2］天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部.老公營(yíng)子煤礦第四系含水層下安全開采技術(shù)研究［R］.北京，2010.

［3］北京開采所.煤礦地表移動(dòng)與覆巖破壞規(guī)律及其應(yīng)用［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1981.

［4］康永華，黃福海，席京德.綜采重復(fù)開采的覆巖破壞規(guī)律［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2001，29(1):22－24.

［5］許延春，李俊成，劉世奇，等.綜放開采覆巖“兩帶”高度的計(jì)算公式及適用性分析 ［J］.煤礦開采，2011，16(2):4－7.

［6］滕永海.綜放開采導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育特征與最大高度計(jì)算［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2011，39(4):118－120.