超薄基巖下采煤防水煤巖柱合理高度的研究

周增強(qiáng),張楓林

(皖北煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司百善煤礦，安徽 淮北 235154)

我國華東、華北等礦區(qū)許多煤礦普遍存在著厚含水松散層，加上基巖受強(qiáng)風(fēng)氧化影響后變薄(煤巖柱厚度小于20m)，煤層頂板巖層裂隙發(fā)育，孔隙率高且強(qiáng)度低。煤層開采以后形成的冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶可能會波及含水層導(dǎo)致突水潰砂事故的發(fā)生，給煤礦的安全生產(chǎn)帶來巨大的損失[1-3]。類似條件下煤炭的無法安全開采，不僅浪費(fèi)了大量的資源，也嚴(yán)重制約著礦井的可持續(xù)發(fā)展。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對強(qiáng)風(fēng)氧化超薄基巖下煤層開采做了大量的研究，主要集中在水文地質(zhì)條件及其滲透穩(wěn)定性方面，但是對煤層開采以后覆巖變形破壞移動規(guī)律研究較少，這也在一定程度上影響著類似地質(zhì)條件下煤炭的開采。

本研究結(jié)合百善煤礦64試驗采區(qū)超薄基巖區(qū)域地質(zhì)及水文條件，系統(tǒng)分析了頂板巖層的滲透性及穩(wěn)定性，通過大量的現(xiàn)場實測和實驗室試驗，設(shè)計了合理的保護(hù)煤柱和采煤方法，共安全采出煤炭32.45萬t，不僅給礦井帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，也可以為我國風(fēng)氧化帶內(nèi)煤層安全開采提供一定參考。

1 采礦地質(zhì)條件

1.1 煤層賦存特征

64試驗開采區(qū)域?qū)儆陲L(fēng)氧化帶內(nèi)，煤層底板標(biāo)高-101.3～-122.5m，平均煤厚2.8m，煤層傾角3～11°，平均傾角6°，煤層結(jié)構(gòu)較簡單。

頂板位于風(fēng)氧化帶內(nèi)，巖性為細(xì)砂巖與泥巖互層，由于風(fēng)化作用，越接近基巖面，泥化現(xiàn)象越強(qiáng)烈。該塊段基巖厚度為7.7～20m(風(fēng)氧化帶下界)，其中強(qiáng)風(fēng)化深度為4.7～18.3m，平均為10m。區(qū)域頂?shù)装寰C合柱狀圖如圖1所示。

1.2 水文地質(zhì)特征

根據(jù)該區(qū)域內(nèi)的150多個鉆孔資料，區(qū)域內(nèi)松散層有一、二、三共3個含(隔)水層，其中一、二含水層分布穩(wěn)定，由于一、二隔水層的隔水性能良好，因而對礦井生產(chǎn)無直接影響。第三含水層分布穩(wěn)定，厚20.0～35.2m，以粉砂、黏土質(zhì)砂為主，單位涌水量q=0.1050～0.419L/s·m，滲透系數(shù)K=0.696～2.750m/d，為中等富水性含水層。松散層“三含”厚度分布如圖2所示。

圖1 區(qū)域頂?shù)装寰C合柱狀圖

圖2 松散層“三含”等厚線示意

第三隔水層，以黏土、砂質(zhì)黏土為主。巖芯破碎，強(qiáng)風(fēng)化。“三隔”沉積物覆蓋于二迭系煤系地層之上，導(dǎo)致“三隔”厚度變化較大，由南向北逐漸變薄尖滅，在該區(qū)域東南部地段較薄或缺失。松散層“三隔”厚度分布如圖3所示。

圖3 松散層“三隔”等厚線

2 巖性特征及滲透水性分析

通過風(fēng)氧化帶巖石的單軸抗拉(壓)試驗、電子顯微鏡，蠕變等實驗室試驗，得到其物理力學(xué)特性主要為：風(fēng)氧化帶巖層的巖石強(qiáng)度顯著降低；同時，巖體的孔隙率較高，飽和含水量較大，泥巖和砂巖遭風(fēng)化后其黏土礦物含量較高，浸水后極易膨脹泥化，使得塑性和抗變形破壞能力增強(qiáng)，對采動引起的裂隙發(fā)育和導(dǎo)水性具有明顯的抑制和減弱作用。因此，巖層具有阻隔水能力和擾動后再生隔水性能[4-5]。

大量的現(xiàn)場觀測和實踐表明：風(fēng)氧化帶巖體在上覆巖層和自身荷載以及采動影響的作用下，具有緩慢固結(jié)壓縮特性，可以使部分原生以及采動裂隙閉合、壓實，這樣，使得其滲透水能力進(jìn)一步弱化。

3 導(dǎo)水裂隙帶實測分析

為了對比分析非風(fēng)氧化和風(fēng)氧化基巖區(qū)域工作面開采后上覆巖層中的冒落帶、導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育情況，分別在這兩個區(qū)域的工作面開采完畢后，在各個工作面的上下邊界以及中部施工了“兩帶”觀測孔，觀測結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 非風(fēng)氧化基巖區(qū)域工作面冒采、裂采比

圖5 風(fēng)氧化超薄基巖區(qū)域工作面冒采、裂采比

對比圖4、圖5可知，風(fēng)氧化帶開采冒落帶高度和裂隙帶高度均明顯小于非風(fēng)氧化帶內(nèi)開采引起的高度。通過對鉆孔資料、現(xiàn)場分析和室內(nèi)大量實測發(fā)現(xiàn)，當(dāng)大部分巖層風(fēng)化后，圍巖的力學(xué)強(qiáng)度降低，易于泥化，塑性增強(qiáng)；圍巖性質(zhì)的這種變化，使得泥化后的圍巖層具有一定的隔水性，并抑制冒落裂隙帶進(jìn)一步向上擴(kuò)展[6-7]，導(dǎo)致巖層破壞移動變得緩和，礦壓顯現(xiàn)值減小，裂隙發(fā)育程度和導(dǎo)水性減弱?？梢哉f在一定的條件下，風(fēng)化帶的存在有利于含水松散層下縮小防護(hù)煤柱，提高開采上限。因而，頂板為風(fēng)化破碎軟弱巖時隨工作面的推進(jìn)、時間的延長，其頂部裂隙逐漸受壓彌合，致使導(dǎo)水裂隙帶高度回縮下降。覆巖導(dǎo)水裂隙經(jīng)歷了“發(fā)育—最大高度—下降—穩(wěn)定”的過程。在圍巖層活躍期形成漏水量較大的導(dǎo)水裂隙帶，隨時間的延長變?yōu)閷?dǎo)水性弱的裂隙段、不漏水段，甚至形成隔水層段。

4 煤巖柱留設(shè)高度計算

4.1 理論計算值

百善礦64試驗區(qū)域松散含水層中的“三含”水層屬于Ⅱ類水體，根據(jù)《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》[8]，可允許導(dǎo)水裂縫帶波及松散弱含水層或已疏降的松散強(qiáng)含水層，但不允許冒落帶接近松散層底部。防砂安全煤巖柱設(shè)計如圖6所示。

圖6 防砂安全煤巖柱設(shè)計

其高度可采用以下公式計算[9]。

式中：Hm為冒落帶高度，m；Hb為保護(hù)層高度，m；Hs為防砂煤巖柱高度，m；為累計采厚，m；A為采高，m。

按照上述公式，采高2.8m，冒落帶(Hm)為7.17m，保護(hù)層高度(Hb)為5.6m，防砂煤巖柱高度(Hs)為12.77m。

4.2 經(jīng)驗值

根據(jù)大量的現(xiàn)場實測，非氧化帶內(nèi)工作面實測最大冒采比為2.84，因而，該區(qū)域回采后的冒落帶高度經(jīng)驗值為Hm=2.84×=2.84×2.8=7.95m。根據(jù)《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》，得出需要留設(shè)的最小煤巖柱高度為

Hs=HM+Hb=7.95+2×2.8=13.6m。

因而，最終選取保護(hù)煤巖柱高度為13.6m。

5 試驗區(qū)域開采狀況

5.1 安全開采技術(shù)措施

試驗區(qū)域開采前，進(jìn)行了區(qū)域水文地質(zhì)條件的詳細(xì)勘察，加強(qiáng)了工作面的探放水和水害的預(yù)測預(yù)報工作。開采過程中，為控制“兩帶”發(fā)育高度，嚴(yán)格控制提高回采上限區(qū)域內(nèi)的采高，采高不得超過2.8m。安排專人對工作面淋水、頂板冒落、煤壁片幫等進(jìn)行實時觀測，遇到異常情況及時分析處理。

5.2 開采效果

2001年9月至今，共有11個面(7個炮采面，4個綜采面)在超薄基巖區(qū)域內(nèi)進(jìn)行了小塊段試采，共采出煤炭32.45萬t，從回采實踐看，均成功回采，回采時無明顯出水，僅局部淋滴水，在6415回采時，因超薄基巖區(qū)域內(nèi)(15m左右)壓力大，最大出水20m3/h，工作面無法正常推進(jìn)而跳采。

6 結(jié)論

通過百善煤礦強(qiáng)風(fēng)氧化超薄基巖工作面的開采實踐，得出了如下幾點(diǎn)結(jié)論。

1)超薄基巖區(qū)域強(qiáng)風(fēng)氧化帶巖石受到采動影響后軟弱、泥化，塑性增強(qiáng)，具有抑制采動冒落裂隙帶發(fā)展高度的作用和擾動后再生隔水性能，有利于工作面的安全回采。

2)風(fēng)氧化帶巖層在上覆巖層和自身荷載以及采動影響的作用下，具有緩慢固結(jié)壓縮特性，能夠使部分原生和采動裂隙閉合壓實，從而進(jìn)一步減弱了了巖層的滲透水能力。

3)風(fēng)氧化帶煤層的安全開采可以為礦井帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

[1]楊本水，段文進(jìn).風(fēng)氧化帶內(nèi)煤層安全開采關(guān)鍵技術(shù)的研究[J].煤炭學(xué)報，2003(6):608-612.

[2]張宇馳，何廷峻，楊本水.風(fēng)氧化帶內(nèi)煤層開采覆巖移動破壞規(guī)律研究[J].安徽理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2003(2):1-4.

[3]楊本水，孔一繁，余慶業(yè).風(fēng)氧化帶內(nèi)煤層安全開采的試驗研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2004(1):53-57.

[4]中國礦業(yè)大學(xué)，百善煤礦．64采區(qū)超薄基巖塊段開采技術(shù)研究報告[R]．徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2012．

[5]安徽理工大學(xué)，百善煤礦．風(fēng)氧化帶內(nèi)煤層安全開采技術(shù)試驗研究總結(jié)報告[R]．淮南：安徽理工大學(xué)，2002．

[6]何廷峻.基巖風(fēng)氧化帶隔水性研究[J].能源技術(shù)與管理，2006(4):18-20.

[7]代長青，宣以瓊，楊本水.含水松散層下風(fēng)氧化帶內(nèi)煤層安全開采技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2007(7):22-26.

[8]國家煤炭工業(yè)局．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[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，2000．

[9]唐曉東，王志林,劉煥宇.煤層風(fēng)氧化帶寬度的確定方法[J].中國煤炭地質(zhì)，2008(5):17-19.