深厚松散層土體結(jié)構(gòu)特征及綜放提限開采分析

孫廣京　+張文泉　張貴彬　等

摘要：由于煤系地層距松散含水層的距離越來越近，松散層底部或潛在威脅的含水層對礦井安全生產(chǎn)的威脅程度也逐漸增加。通過現(xiàn)場鉆探取芯、鉆孔資料統(tǒng)計分析及土工試驗的方法，分析并掌握了2301N工作面附近深厚松散層底部地層的垂向沉積結(jié)構(gòu)特征、深埋粘土及砂土的巖性特征；通過深厚松散層“底含”賦存特征、富水性、水力聯(lián)系的分析，并結(jié)合研究區(qū)域深埋粘土特殊的土體特性，綜合分析認為2301N綜放工作面可留設(shè)防砂煤巖柱，并且該區(qū)域深厚松散層底部的厚粘土層可作為安全煤巖柱的保護層。

關(guān)鍵詞：深厚松散層；土體結(jié)構(gòu)；綜放；提限開采

中圖分類號：TD823 文獻標志碼：A文章編號：1672-1098（2014）04-0010-05

華東地區(qū)各礦區(qū)（如淮南、淮北、兗州、魯西南等）普遍被厚松散層所覆蓋，并且不同地區(qū)松散層的分布特征、厚度、地層沉積組合結(jié)構(gòu)及地層砂土物理力學(xué)特性存在明顯的差異。例如，淮南、淮北礦區(qū)松散層厚度普遍在200 m以上，自上而下分為“一含”、“一隔”、“二含”、“二隔”、“三含”，部分區(qū)域還存在“三隔”、“四含”[1]；兗州礦區(qū)第四系松散層厚度平均在170 m左右，分上、中、下三組，上組和下組主要為以砂質(zhì)層為主的含水層，中組是以粘土、砂質(zhì)粘土為主的隔水層[2]；而對于魯西南地區(qū)，特別是菏澤巨野井田，被巨厚的松散層覆蓋，且松散層厚度變化較大，為300～800 m，其包含第四系（Q）和新近系（N）。

近年來，隨著煤炭資源開采程度的不斷擴大，很多礦區(qū)開展提高開采上限或縮小安全煤巖柱的試驗研究，并取得了重大進展。但由于煤系地層距松散含水層的距離越來越近，松散層底部或潛在威脅的含水層對礦井安全生產(chǎn)的威脅程度也逐漸增加。一直以來，松散層“底含”及潛在威脅含水層的富水性、水力聯(lián)系及底粘分布特性、粘土的物理力學(xué)特性等因素，決定著提限開采的程度及所留設(shè)安全煤巖的尺寸和類型。因此，認為分析松散層底部地層的巖性結(jié)構(gòu)特征，對厚松散層薄基巖區(qū)域煤層的提限開采具有重要意義。

山東新巨龍能源有限責(zé)任公司屬于新投產(chǎn)礦井，其上覆的松散地層厚度要遠大于兩淮、兗州礦區(qū)，且存在較厚的新近系松散地層。根據(jù)山東新巨龍能源有限責(zé)任公司工作面生產(chǎn)接續(xù)計劃，首次涉及深厚松散層淺部煤層的提限開采問題。為嘗試這種特殊條件下煤層提限開采研究，本文以2301N工作面為工程研究背景，重點分析了工作面附近深厚松散地層的沉積特征、深厚粘土砂土的土體特征及富水性，綜合分析了工作面提限開采的可行性。本次研究是巨野井田內(nèi)首例巨厚松散層覆蓋下淺部厚煤層綜放面的提限開采，將對今后礦井或相似條件礦井的提限開采具有一定的指導(dǎo)意義。

1工程研究背景概況

山東新巨龍能源有限責(zé)任公司位于菏澤市巨野縣境內(nèi)，礦井設(shè)計能力為600萬t/a，服務(wù)年限65 a，2008年6月投產(chǎn)，采用立井平大巷開拓，通風(fēng)方式為中央并列抽出式，目前主采煤層是-810 m水平的3（3上）和3下煤層，采煤工藝為綜放開采。根據(jù)礦井接續(xù)安排，計劃對2301N工作面進行回采。但2301N工作面最小基巖厚度約53 m，已小于原設(shè)計的最小防水煤巖柱高度（60 m），為最大程度上回收優(yōu)質(zhì)煤炭資源，需進行提高開采上限研究。

2301N工作面位于-810水平二采區(qū)下山以北， 東為尚未準備的2302N工作面， 走向長度1 608 m， 傾斜長度270～271 m， 工作面底板高程-650～-785 m。主采3煤， 厚度為86～92 m，煤層傾角035°～50°，區(qū)域構(gòu)造簡單。

2深厚松散層地層結(jié)構(gòu)特性分析

21垂向多層沉積結(jié)構(gòu)特征

對2301N工作面附近地面鉆孔柱狀圖的統(tǒng)計分析，得出2301N工作面煤系地層普遍被600多米的巨厚松散層覆蓋，自上而下為第四系松散層和新近系松散層。新近系地層分為上段和下段，上段平均320 m，以棕黃、淺紅色厚層粘土、砂質(zhì)粘土為主夾粉砂、細砂及粘土質(zhì)砂，大部分未固結(jié)；下段平均約176 m，主要為棕色、灰綠色厚層粘土、砂質(zhì)、粉砂質(zhì)粘土，局部夾粉砂、細砂薄層，大部半固結(jié)，局部未固結(jié)。底部為含較多鈣質(zhì)結(jié)核或礫石的粘土，與下伏石盒子地層呈不整合接觸。

由于本區(qū)內(nèi)新近系厚度很大，且存在厚度大且穩(wěn)定的粘土層，其可有效地阻隔上部含水層對下部含水層的垂向水砂補給，因此，以自新近系底界向上120 m范圍地層作為主要研究對象，通過對13-1S、13-2S等多個鉆孔資料詳細劃分，將120 m范圍內(nèi)地層自下而上又劃分為“底隔”、“底含”、“上部隔水層”和“上部含水層”。表1新近系底部地層特征統(tǒng)計

新近系地層厚度/m平均厚度/m巖性 上部含水層32～16798粉砂、細砂，紅棕色、膠結(jié)程度差，手碰即碎，主要成分：石英、長石 上部隔水層149～613342粘土，紅棕色、黏性較好，硬度較好 “底含”43～18610粉砂，灰黃色、未膠結(jié)，極松散，主要成分：石英、長石， “底隔”438～7056上部為粉質(zhì)粘土，灰綠色，膠結(jié)程度較好；下部為紅棕色粘土，膠結(jié)程度較好、粘性較好，硬度較硬。 注：樣品統(tǒng)計鉆孔總數(shù)7個。從表1可以看出，隔水層分布穩(wěn)定且厚度較大，新近系底部地層垂向結(jié)構(gòu)為粉（細）砂層——粘土（粉質(zhì)粘土）層——粉砂層——粘土層交互沉積而成。

22新近系地層巖性特征分析

堅硬程度、塑性、膨脹性和壓縮性是決定粘土隔水性的主要指標。飽和堅硬粘土、塑性和膨脹性較好的粘土、壓縮性較小的粘土均具有良好的隔水性，對防止含水層水（砂）下滲（涌）起到良好的阻隔作用。砂礫層的滲透性關(guān)鍵取決于含礫成分的高低（砂質(zhì)粒徑的大?。?，含礫成分越高，滲透性越好且富水性也越強。

已有研究成果表明[3]，土體性質(zhì)會隨著埋深的增大而發(fā)生變化，深部土有其特殊性，粘性土固結(jié)程度高，且大都為膨脹性土，屬于一種粘土向軟巖過渡的地質(zhì)介質(zhì)。因此，為詳細查明深部土體的特殊的物理力學(xué)特性，分別對13-1S、13-2S鉆孔取芯，并進行了新近系松散層土砂樣的土工試驗，試驗結(jié)果如表2、表3所示。

表2新近系底部地層硬粘土工試驗結(jié)果（13-1S鉆孔）

從表3中可以看出，新近系“底含”及上部含水層以粉砂和細砂為主，砂質(zhì)粒徑小，絕大部分砂質(zhì)粒徑為025～075 mm，其孔隙比e為0495～0696，屬于密實和中密砂層；根據(jù)松散層沉積特征，隨著埋深的增大，含水層砂質(zhì)粒徑逐漸減小，密實程度逐漸增大，且滲透系數(shù)也隨著粉粒含量的增加而減小。

綜上分析認為，本區(qū)域新近系底部粘土具有飽和度高、硬度大、塑性大、固結(jié)程度高、抗剪能力強、含水率低且遇水膨脹性好的特點，是粘土向軟質(zhì)巖的過渡性巖土體；含水砂層粒徑小，密實，滲透系數(shù)也隨深度的增加逐漸降低。

3深厚松散層底部地層富水性分析

采用地面鉆孔整體（新近系下段150 m）和分層位抽水試驗對本區(qū)域新近系底部地層的富水性進行分析，抽水試驗結(jié)果：13-1S鉆孔采用新近系下段（491～641 m）整體抽水，其單位涌水量為0000 243 L/（s·m）；13-2S鉆孔采用分層位抽水，一段為“底含”至上部含水層（515～595 m），另一段為底部隔水層（595～647 m），其單位涌水量分別為0001 086 L/（s·m）、0000 389 L/（s·m）。根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》（附錄二）中鉆孔單位涌水量q≤01 L/（s·m） 的含水層為弱富水性，從地面鉆孔抽水試驗結(jié)果可知， 2301N工作面新近系近底部近150 m范圍內(nèi)鉆孔單位涌水量小于01 L/（s·m），其地層富水性屬微弱甚至極弱。

4綜放工作面提限開采可行性分析

由于2301N工作面新近系底部含水層富水性很弱，底部存在厚度大且發(fā)育穩(wěn)定的粘土層，其滿足《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》中留設(shè)防砂安全煤巖柱的要求[4]。

41防砂安全煤柱高度預(yù)計

由于《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》中沒有明確規(guī)定綜放開采“兩帶”高度的計算方法，筆者采用相似條件礦區(qū)的經(jīng)驗公式和類比分析對2301N工作面綜放開采垮落帶高度進行了預(yù)計。

采用兗州礦區(qū)經(jīng)驗公式[5-6]，綜放開采垮落帶高度一般為4倍采高，即

Hm=4×∑M

2301N工作面附近1302N工作面曾采用井下仰孔分段注水試驗探測“兩帶”發(fā)育高度，由于現(xiàn)場施工條件限制，最終僅探測出最大導(dǎo)水裂縫帶高度為9465 m，裂采比約為10，通過數(shù)值模擬反演分析得到垮采比為467。為了安全起見，垮落帶取較大值，即467×92=4296 m。

防砂安全煤巖柱高度

Hs≥Hm+Hb

保護層（Hb）厚度取15倍的采厚，即所需最小防砂安全煤柱高度為568 m。

42綜放工作面提限開采可行性綜合分析

根據(jù)探查結(jié)果可知，2301N工作面的最小基巖厚度為53，小于上述計算所需最小防砂煤巖柱高度為568 m；從厚度方面分析，雖不滿足所需留設(shè)防砂煤巖柱高度，但考慮到本區(qū)域地層賦存的特殊性，即工作面上覆新近系底部賦存著50多米的粘土層，且粘土具有飽和度高、硬度大、壓縮性低、塑性大含水率低且遇水膨脹性較好等特點，由于埋深大，粘土的固結(jié)程度、抗剪能力均較高，因此，新近系底部粘土層承受采動影響的能力強，具有良好的阻水隔砂性能；加之，“底含”厚度相對較小，富水性微弱甚至極弱，且砂質(zhì)多為粉砂，粒徑小，一定程度上降低其滲透性，由于底粘厚度大，大大增加了“底含”與工作面的垂向距離，故不會對工作面構(gòu)成水砂威脅。

研究也表明，在水體下采煤中，一般松散層中的粘土層不作為防砂煤柱的保護層，主要是由于粘土層的強度低、塑性大甚至有流動性，當(dāng)裂縫較寬時在水壓和地壓的作用下，水砂由潰入井下的可能；但對于松散層埋深大、厚度大，并且底部粘土層呈半固結(jié)或固結(jié)狀態(tài)時，則其性質(zhì)類似于軟質(zhì)泥巖或風(fēng)化泥巖，可以作為良好的防止?jié)⑺?、潰砂的保護層。并且目前也有松散層底部粘土層作為保護層成功開采的實例[7-9]。鑒于以上分析，筆者認為2301N工作面采用綜放開采留設(shè)防砂安全煤柱是安全可行的。

5結(jié)論

1） 2301N工作面新近系下段底部地層是由粘土層、粉（細）砂層多層沉積而成，垂向結(jié)構(gòu)為粉（細）砂層——粘土（粉質(zhì)粘土）層——粉砂層——粘土層。

2） 深厚松散含水層隨著埋深增大，其砂質(zhì)粒徑也逐漸減小，特別“底含”主要以粉砂為主，密實，富水性微弱甚至極弱。

3） 2301N工作面新近系底部粘土層厚度很大，且隨著埋深的增大，粘土固結(jié)程度之間增大，呈粘土向軟質(zhì)巖的過渡性巖土體；具有飽和度高、硬度大、塑性大、固結(jié)程度高、抗剪能力強、含水率低且遇水膨脹性好等特點，承受采動能力強，阻水隔砂性能好，可作為防砂安全煤柱的保護層。故2301N綜放工作面可按留設(shè)防砂安全煤巖柱進行開采。

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（責(zé)任編輯：李麗，范君）