厚松散含水層薄基巖下厚煤層防水煤柱綜放安全開采分析

常聚才，陳 貴，許文松

(1.安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院，安徽淮南 232001;2.淮北礦業(yè)股份有限公司朱仙莊煤礦，安徽宿州 234111)

國內(nèi)外在含水層下采煤時(shí)，為保障開采安全，主要采取留設(shè)防水或防砂煤柱的方法［1～3］，己經(jīng)在不同礦區(qū)、不同富水程度的松散含水層下開采得到成功實(shí)施，并取得了大量的重要理論成果，如鄰近松散承壓含水層開采安全煤巖柱設(shè)計(jì)方法和突水防治原則與措施［4］，基于關(guān)鍵層位置的導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計(jì)方法［5］，水體下采煤留設(shè)安全煤巖柱的有效隔水厚度方法［6］，松散含水層突水危險(xiǎn)系數(shù)防水煤柱確定方法［7］等。然而對兩淮礦區(qū)厚松散含水層薄基巖條件下防水煤柱厚煤層安全開采研究很少，特別是厚煤層一次采全厚綜放開采時(shí)，由于覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度增大，能否實(shí)現(xiàn)安全高效開采的研究較少，有必要進(jìn)行深入研究。

1 工程概況

朱仙莊礦井田為一隱伏型煤田，上部為松散沉積物，下部為煤系地層，主采煤層上方覆蓋巨厚松散含水層，可對煤系地層進(jìn)行滲透補(bǔ)給，對淺部煤層的安全開采構(gòu)成極大威脅。87采區(qū)是礦井最南部采區(qū)，主采煤層為8煤層，平均厚度10m，煤層傾角平均8°。煤系地層之上覆蓋厚度為242.3～247.8m的松散沉積物，平均245m，發(fā)育4個(gè)含水層和3個(gè)隔水層，自上而下依次為第一含水層、第一隔水層、第二含水層、第二隔水層、第三含水層、第三隔水層(下稱“三隔”)、第四含水層(下稱“四含”)。初始為保證安全開采8煤層的開采上限設(shè)計(jì)為-280m，留有50～60m的防水煤柱，整個(gè)采區(qū)600多萬噸儲量作為防水煤柱無法開采，煤炭資源損失巨大。

2 水文地質(zhì)特征分析

2．1 “三隔”分布規(guī)律及巖性特征

三隔分布較穩(wěn)定，厚度平均80 m，據(jù)X射線衍射儀測定，其礦物成分主要以砂質(zhì)粘土、粘土及鈣質(zhì)粘土巖為主，具有塑性強(qiáng)、膨脹性大的特點(diǎn)，其塑性指數(shù)為21～32，膨脹量為0.02～3.705?？梢娙艟哂休^好的隔水性能，能有效阻隔下部含水層與上部含水層之間的水力聯(lián)系，威脅87采區(qū)8煤安全開采的主要含水體為松散層下部的“四含”含水層組。

2．2 “四含”分布規(guī)律及沉積特征

采區(qū)內(nèi)“四含”底界面標(biāo)高為-216m～-225m，平均約為-222m，起伏變化不明顯;“四含”厚度變化較穩(wěn)定，為0～20m，平均厚度為5.6m。含粘量較高，為8% ～13%，且呈致密固結(jié)、半固結(jié)狀態(tài)。抽水試驗(yàn)測定四含滲透系數(shù)K為0.017m/d，單位涌水量q為0.0009～0.0029L/(s·m)，甚至抽不出水，富水性弱，透水性差，垂直與水平補(bǔ)給均不太通暢，徑流補(bǔ)給條件不暢。

2．3 基巖風(fēng)氧化帶特征

風(fēng)氧化帶厚10～20 m，占煤層覆巖厚度的80%以上，以泥巖、粘土質(zhì)粉砂巖為主，巖石中粘土礦物含量較大，占65%左右，且?guī)r石抗壓強(qiáng)度低，浸水泥化程度較高。因此，基巖風(fēng)氧化帶具有較強(qiáng)的隔水性能，具有阻止和抑制導(dǎo)水裂隙高度發(fā)展的雙重作用［8］。

3 綜放開采覆巖移動(dòng)破壞規(guī)律

3．1 物理模擬

以87采區(qū)地質(zhì)及技術(shù)條件為背景，煤層厚度平均10m，傾角平均8°，走向推進(jìn)長度200m，采用一次采全厚放頂煤開采。平面模擬模型的長、寬、高分別為3000mm、300mm、1200mm。依據(jù)相似準(zhǔn)則，取幾何比為 1∶100;容重比為 1∶1.67;應(yīng)力比為 1∶167。

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，垮落帶高度及裂縫帶高度不斷向上發(fā)展，但當(dāng)工作面推進(jìn)一定距離時(shí)，其高度基本保持不變?；夭晒ぷ髅嫱七M(jìn)200m后，垮落帶高度為16.1m，垮采比為1.61，其兩帶高度發(fā)育特征見圖1及表1。

圖1 沿走向“兩帶”發(fā)育形態(tài)圖Fig．1 Development morphology of the caving zone and the fractured zone in the strike direction

表1 不同推進(jìn)距離時(shí)“兩帶”高度發(fā)育特征Table 1 Development characteristics of the caving zone and the fractured zone

3．2 數(shù)值計(jì)算

建立FLAC3D三維數(shù)值計(jì)算模型，模型沿走向長300m，沿傾向?qū)?50m，模型高150m。模型中包括8煤層與頂?shù)装鍘r層，煤層厚度平均10m，傾角平均8°，工作面傾斜長度為140m。三維網(wǎng)格共劃分有171000個(gè)三維單元，共183804個(gè)結(jié)點(diǎn)。

根據(jù)塑性分析和破壞準(zhǔn)則判別，8煤層采用一次采全厚放頂煤開采時(shí)，其覆巖最大冒高和最大有效裂高的位置見圖2所示。由于基巖風(fēng)氧化帶風(fēng)化程度較大，吸水后膨脹系數(shù)大，有效地抑制了冒落帶和裂縫帶的發(fā)育高度，最大有效冒落帶高度發(fā)育到四含的底部，冒落帶發(fā)育高度為16.2m。

圖2 覆巖塑性破壞區(qū)分布Fig．2 Plastic damage distribution of the overlying strata

3．3 現(xiàn)場測試

為探明煤層開采后上覆巖層內(nèi)垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育高度，在87采區(qū)二區(qū)段873綜放工作面上方地表施工2個(gè)鉆孔，采用鉆孔沖洗液漏失量方法進(jìn)行覆巖破壞高度測試。

1#鉆孔第四系松散層厚度為246.15 m，采用清水作為沖洗液鉆進(jìn)至孔深295.75m，每次上下鉆水位穩(wěn)定在27.80～40.37 m。鉆進(jìn)至296.4m時(shí)發(fā)生了掉鉆現(xiàn)象，提鉆后孔深299.12m處的水位陡然下降(圖3);303.42m深處孔口發(fā)生吸風(fēng)現(xiàn)象，且在299.12～303.42m處層段掉鉆現(xiàn)象十分頻繁，可以判斷孔深303.42 m處為垮落帶頂點(diǎn)。1#鉆孔處煤層底板標(biāo)高為-296.67 m，周圍50 m范圍內(nèi)采厚平均為7.85 m，通過分析計(jì)算，1#鉆孔垮落帶高度為11.34m，為采厚的1.44倍。

2#鉆孔第四系松散層厚度為250.25 m，在271.65～280.15 m處孔內(nèi)水位發(fā)生較大幅度回升現(xiàn)象，原因?yàn)殂@孔穿過的泥巖遇水后經(jīng)采動(dòng)影響形成了再生隔水層。在孔深283.26m處，上鉆水位迅速下降至218.6m(圖4)。在283.26～286.37m深處層段發(fā)生掉鉆現(xiàn)象，且上鉆的水位觀測不到，孔口出現(xiàn)吸風(fēng)現(xiàn)象，可以判斷孔深286.37m處為垮落帶頂點(diǎn)。2#鉆孔處煤層底板標(biāo)高為-288.3m，周圍50m范圍內(nèi)采厚平均為9.3m，通過分析計(jì)算得2#鉆孔垮落帶高度為15.74m，為采厚的1.69倍。

圖3 1#鉆孔水位隨孔深變化曲線Fig．3 Relationship between water level and drill hole depth variation of NO．1 hole

圖4 2#鉆孔水位隨孔深變化曲線Fig．4 Relationship between water level and drill hole depth variation of NO．2 hole

4 防水煤柱安全開采上限分析

由87采區(qū)水文地質(zhì)特征分析，區(qū)內(nèi)“四含”富水性極弱，補(bǔ)給條件差，且基巖風(fēng)氧化帶具有較強(qiáng)的隔水性能，主采煤層淺部覆巖屬于軟弱-極軟弱型。根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》［9］和《建筑物、水體、鐵路及主要巷道煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》(簡稱《規(guī)程》)［10］之規(guī)定，確定其為三類水體，可以設(shè)計(jì)留設(shè)防塌煤柱開采。

4．1 防塌煤柱高度留設(shè)

目前，對于大采高及放頂煤開采時(shí)，覆巖導(dǎo)水裂隙帶和冒落帶高度的確定，尚無經(jīng)驗(yàn)公式。若采用《規(guī)程》中經(jīng)驗(yàn)公式估算垮落帶高度，選用軟弱型覆巖計(jì)算，如式(1)～(2)。

當(dāng)覆巖為軟弱時(shí)，冒落帶高度為:

當(dāng)覆巖為極軟弱時(shí)，冒落帶高度為:

式中:M——煤層累計(jì)厚度，取平均厚度10m。

采用實(shí)驗(yàn)室相似材料模擬試驗(yàn)、數(shù)值模擬分析、現(xiàn)場實(shí)測及《規(guī)程》中公式計(jì)算的87采區(qū)綜放開采垮落帶高度發(fā)育特征如表2所示，可以看出，87采區(qū)8煤綜放開采時(shí)垮采比最大為1.69，即開采10m厚煤層時(shí)，垮落帶高度最大為16.9m。

因此，留設(shè)最大防塌煤柱高度為:

表2 不同計(jì)算方法獲得87采區(qū)綜放開采垮落帶高度發(fā)育特征Table 2 Height of the caving zone in No．87 mining area by FMTC method with the full-seam

4．2 開采上限的確定

87采區(qū)綜放開采合理的回采上限可以采用式(4)計(jì)算。

式中:Hsx——回采上限標(biāo)高;

Had——“四含”底界面標(biāo)高，平均-222m。

經(jīng)計(jì)算，87采區(qū)綜放開采合理的回采上限為-238.9m，考慮基巖面起伏等因素，為穩(wěn)妥起見，確定開采上限的標(biāo)高為-240m，即在-240m標(biāo)高以下防水煤柱內(nèi)采用一次采全厚的放頂煤開采是安全可行的。

5 工程應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)效益分析

87采區(qū)內(nèi)布置 870、871、872、874 四個(gè)綜放工作面開采-280～-240m之間的防水煤柱，各綜放面開采地質(zhì)及技術(shù)條件如表3所示。綜放工作面配套ZF6000/17.5/28液壓支架、MG300/720AWD采煤機(jī)、SGZ-764/630前后刮板運(yùn)輸機(jī)等設(shè)備，4個(gè)綜放面實(shí)際回收防水煤柱煤炭400多萬噸，每噸煤利潤按150元計(jì)算，則產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益60000萬元。實(shí)現(xiàn)了厚煤層防水煤柱一次采全厚放頂煤安全開采，最大限度地回收了煤炭資源，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

表3 開采防水煤柱綜放工作面地質(zhì)及技術(shù)條件Table 3 FMTC face geological and technical conditions under waterproof coal pillars

6 結(jié)論

(1)“三隔”具有較好的隔水性能，能有效阻隔下部含水層與上部含水層之間的水力聯(lián)系;“四含”含粘性高、富水性極弱，補(bǔ)給條件差;基巖風(fēng)氧化帶具有較強(qiáng)的隔水性能，區(qū)內(nèi)可以留設(shè)防塌煤柱開采。

(2)采用一次采全厚綜放開采覆巖最大垮落帶高度為16.9m，在-240m標(biāo)高以下防水煤柱內(nèi)實(shí)現(xiàn)了厚煤層一次采全厚安全高效開采。

(3)工程實(shí)踐表明，研究結(jié)果可靠性高，87采區(qū)內(nèi)回收防水煤柱煤炭400多萬噸，最大限度地回收了煤炭資源，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

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