松散含水層下提高開采上限研究與實(shí)踐

陳喜恩

(平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十三礦，河南 襄城 461700)

?

松散含水層下提高開采上限研究與實(shí)踐

陳喜恩

(平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十三礦，河南 襄城 461700)

基于井田已有地質(zhì)、水文資料和第四系水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探的基礎(chǔ)上，吸收國內(nèi)類似水體下開采的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，分析研究了提高開采上限壓煤區(qū)的水文地質(zhì)、開采條件。通過研究與實(shí)踐，工作面第一分層已安全地采出第四系松散含水層下0.618Mt煤炭，結(jié)果表明采用合理的開采方法縮小防水煤柱，提高開采上限，對(duì)解放全區(qū)水體下壓煤具有十分重要的意義。

松散含水層；開采上限；防水煤柱

Studying and Practical of Improving Mining Upper Limit under Loose Aquifer

平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十三礦(以下簡(jiǎn)稱十三礦)各可采煤層淺部大部分處在汝河及其厚沖積層下，因第四系地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，中間發(fā)育有三層松散含水層，造成淺部煤層開采受第四系松散含水層影響較大。為確保礦井安全，武漢設(shè)計(jì)院在礦井設(shè)計(jì)時(shí)在己組煤層淺部-185～-200m以上留設(shè)了防水煤柱，煤柱壓二1煤12.923Mt。其中，已一采區(qū)西翼二1煤層防水煤柱最大高度為140m，使大量的煤炭資源成為“呆滯”(壓煤3.664Mt)，不能進(jìn)行開發(fā)利用。為了解放礦井因留設(shè)煤柱“呆滯”煤量，提高礦井資源采出率和延長礦井服務(wù)年限，開展了工作面上覆松散層結(jié)構(gòu)及含隔水性、松散層下基巖風(fēng)化帶厚度及含水性、基巖巖性結(jié)構(gòu)和厚度及防隔水性能、采動(dòng)覆巖破壞、兩帶發(fā)育高度等規(guī)律[1]和試采方法的優(yōu)化、防水煤巖柱的設(shè)計(jì)及安全度評(píng)估等調(diào)研工作，在此基礎(chǔ)上十三礦成功實(shí)施了松散含水層下提高開采上限的設(shè)計(jì)開采[2-3]。

1　提高開采上限可行性分析

1.1水體及含水層對(duì)開采的影響分析

(1)地表水體提高開采上限區(qū)東南部地表有汝河流過，其歷年最高洪水位標(biāo)高+86.10～+93.00m，最大洪流量3950m3/s。汝河距離提高回采上限區(qū)域較遠(yuǎn)，其對(duì)己組煤層的開采不直接造成影響。

(2)第四系礫石含水層由于水文地質(zhì)補(bǔ)充勘查(圖1)，第四系地層厚度158.75～177.05m，自上而下分為3個(gè)中等富水性的砂礫石含水層

(Q上，Q下2，Q下1)和3個(gè)穩(wěn)定黏土隔水層(Q上～Q下2，Q下2～Q下1，Q下1～基巖)。Q上與Q下2之間黏土層厚度13.45～16.10m；Q下2與Q下1之間黏土層厚度17.35～39.10m。由于上、中部含水層之下賦存有穩(wěn)定的黏土隔水層且與下部含水層沒有水力聯(lián)系，因此，對(duì)開采不會(huì)產(chǎn)生影響。

Q下1與基巖之間黏土層厚度16.60～52.30m，這些黏土隔水層阻隔了各礫石含水層之間的水力聯(lián)系，特別是Q1，Q2，Q4鉆孔抽水試驗(yàn)證實(shí)Q下1與Q下2之間沒有水力聯(lián)系，加之Q下1底板賦存層位穩(wěn)定的黏土層，從而減少了煤層開采過程中第四系地下水直接潰入礦井的可能。

但區(qū)內(nèi)4114鉆孔出現(xiàn)Q下“天窗”現(xiàn)象。由于4114鉆孔Q下含水層下沒有黏土隔水層，因此，Q下1含水層在“天窗”區(qū)將對(duì)該區(qū)域的開采構(gòu)成一定的影響，在“天窗”區(qū)域需增大留設(shè)防水煤巖柱尺寸。

(3)頂板含水層該區(qū)域煤層頂板中含水層不多，含水性不強(qiáng)，其中砂巖含水層單位涌水量?jī)H0.0041～0.0074L/(s·m)，滲透系數(shù)0.0101～0.0521m/d，屬于弱含水層。雖然開采中導(dǎo)水裂縫帶將波及到砂巖含水層，但由于頂板砂巖水含量不大，一般不會(huì)對(duì)礦井開采造成嚴(yán)重影響。在局部砂巖厚度大、裂隙發(fā)育地段可能會(huì)導(dǎo)致礦井涌水量增大，但由于上覆巖層中的隔水層作用，砂巖水的補(bǔ)給量有限，且砂巖水基本為靜儲(chǔ)量，隨著開采疏降，礦井涌水量會(huì)逐漸減小。因此，頂板砂巖含水層對(duì)開采影響不大[4]。

(4)斷層對(duì)開采的影響分析礦井?dāng)鄬佣嘁愿呓嵌日龜鄬訛橹?，走向近NEE居多。已一采區(qū)西翼為侯村正斷層，傾角60°，落差9～21m，經(jīng)查證，該斷層含水性弱。從附近工作面來看，該區(qū)域落差小于5m的斷層很多，但對(duì)開采均未產(chǎn)生影響[5-6]。

綜上所述，區(qū)內(nèi)對(duì)二1煤層開采有一定影響的水體或含水層只有Q下1含水層，但該含水層的單位涌水量為0.403～0.611L/(s·m)，屬于富水性中等的含水層。

圖1　第四系水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探工程布置

1.2基巖的防隔水性能

二1煤層頂板覆巖基本為泥巖、砂質(zhì)泥巖和砂巖互層結(jié)構(gòu)，這種巖性結(jié)構(gòu)，有利于控制頂板垮落開裂高度。當(dāng)煤層開采后，由于堅(jiān)硬巖層的支撐，處在下部的軟弱巖層可以得到充分的垮落、碎脹，并對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填。只有當(dāng)軟弱巖層充分垮落之后，剩余采空區(qū)才會(huì)引起上部堅(jiān)硬巖層的垮落充填。如果軟弱巖層的垮落、碎脹和充填物能接觸到堅(jiān)硬巖層，則硬巖層就不會(huì)再繼續(xù)往上垮落，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)覆巖破壞高度的控制[7]。

根據(jù)觀4孔、4001和4006孔提供的資料表明覆巖軟硬交互、含水層與隔水層交互特征比較明顯。觀4孔所示的含煤段中，泥巖類巖層厚度為44.38m，占含煤段總厚度的81%；在4001孔所示的含煤段中，泥巖類巖層厚度為21.39m，占含煤段總厚度的66%；在4006孔所示的含煤段中，泥巖類巖層厚度為24.3m，占含煤段總厚度的29%；這種軟硬交互結(jié)構(gòu)的覆巖巖體，使巖體強(qiáng)度大大降低，由于巖體強(qiáng)度的降低，對(duì)開采后抑制覆巖破壞和導(dǎo)水裂縫高度非常有利。

1.3基巖風(fēng)化帶比原設(shè)計(jì)厚度薄

通過此次補(bǔ)充勘探得知，基巖風(fēng)化帶厚度在擬縮小防隔水煤(巖)柱區(qū)域變化較大，原設(shè)計(jì)參考的厚度28～74m，平均47m，而補(bǔ)充勘探確定僅為1.5m，風(fēng)化帶對(duì)煤巖防水性的影響較弱，有利于提高開采上限。

通過進(jìn)行水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探，并根據(jù)區(qū)內(nèi)第四系、基巖的含水層、隔水層影響分析得知各含水層之間沒有水力聯(lián)系；基巖為軟硬交互結(jié)構(gòu)的覆巖巖體，使巖體強(qiáng)度大大降低，由于巖體強(qiáng)度的降低，對(duì)開采后抑制覆巖破壞和導(dǎo)水裂縫高度非常有利[8]；基巖風(fēng)化帶厚度僅為1.5m，而原設(shè)計(jì)參考地質(zhì)資料平均47m，風(fēng)化帶大范圍縮小，對(duì)防隔水煤(巖)柱厚度的影響較小。因此，縮小防隔水煤(巖)柱尺寸，提高開采上限是可行的。

2　提高開采上限方案設(shè)計(jì)

由補(bǔ)充勘探鉆孔可知，區(qū)內(nèi)地層主要為中砂巖、細(xì)粉砂巖、砂質(zhì)泥巖和泥巖，巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)表明巖層的單軸抗壓強(qiáng)度多在20～40MPa之間，只有個(gè)別細(xì)砂巖和砂質(zhì)泥巖巖樣的抗壓強(qiáng)度在50～70MPa之間。根據(jù)覆巖巖性分類標(biāo)準(zhǔn)，提高開采上限區(qū)內(nèi)覆巖類型為中硬類。

2.1分層開采

根據(jù)已知鉆孔和補(bǔ)充勘探鉆孔得知，二1煤平均厚5.3m。采用人工假頂分層開采的方式，即第一分層開采3m，第二分層開采2.3m。

(1)覆巖破壞最大高度根據(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》(以下簡(jiǎn)稱“三下”采煤規(guī)程)中厚煤層分層開采的導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算公式，中硬巖層的兩個(gè)計(jì)算公式為：

(1)

(2)

式中，Hi取兩者中的最大值，即導(dǎo)水裂縫帶高度為56m。

(2)保護(hù)層厚度水文補(bǔ)充勘探Q下1下伏16.60～52.30m厚層黏土，大于累計(jì)采厚，但4114鉆孔揭露Q下1無黏土層。為此，根據(jù)“三下”采煤規(guī)程中防水安全煤巖柱保護(hù)層厚度表，綜合考慮Q下1下伏黏土層作用范圍，在提高開采上限區(qū)西部按照“中硬巖層對(duì)應(yīng)的松散層底部黏性土層厚度大于累計(jì)采厚采用3A”計(jì)算保護(hù)層厚度；在提高開采上限區(qū)西翼壓煤區(qū)東部按照“中硬巖層對(duì)應(yīng)的松散層底部無黏性土層采用6A”計(jì)算保護(hù)層厚度。則保護(hù)層厚度計(jì)算公式為：

(3)

(4)

(3)防水安全煤柱高度及開采上限分層綜采導(dǎo)水裂縫帶最大高度為56m，提高開采上限區(qū)西部保護(hù)層厚度為7.95m，取8m，防隔水煤(巖)柱高度為64m；提高開采上限區(qū)東部保護(hù)層厚度15.9m，防隔水煤(巖)柱高度為71.9m。即提高開采上限區(qū)西部基巖厚度大于64m、東部基巖厚度大于71.9m區(qū)域可以采用分層綜采方法進(jìn)行開采。提高開采上限區(qū)域原開采標(biāo)高為-180～-203m，提高開采上限后開采上限標(biāo)高為-142～-155m，解放“呆滯”資源量約為1.766Mt。

2.2綜采放頂煤開采

(1)覆巖破壞最大高度目前，國內(nèi)已知的中硬巖性條件下導(dǎo)水裂縫帶高度最大約為15倍采高。針對(duì)十三礦而言，己組煤覆巖軟硬交互，且泥巖類巖層厚度較大，這種軟硬交互結(jié)構(gòu)的覆巖巖體使巖體強(qiáng)度大大降低，對(duì)開采后抑制覆巖破壞和導(dǎo)水裂縫高度非常有利。因此，十三礦綜采放頂煤導(dǎo)水裂縫帶最大高度取采高的12倍，提高上限開采區(qū)域煤厚平均5.3m，導(dǎo)水裂縫帶最大高度為63.60m。

(2)保護(hù)層厚度許延春研究員根據(jù)30多個(gè)綜放開采工作面覆巖“兩帶”高度實(shí)測(cè)值研究，采用最小安全厚度法確定中硬巖性中等含水條件下綜采放頂煤保護(hù)層厚度一般為3倍綜放開采高度，即15.9m。

(3)防水安全煤柱高度及開采上限綜采放頂煤導(dǎo)水裂縫帶最大高度為63.60m，保護(hù)層厚度為15.9m，防隔水煤(巖)柱高度為79.5m，即基巖厚度大于79.5m區(qū)域可以采用綜采放頂煤方法進(jìn)行開采，提高開采上限區(qū)域原開采標(biāo)高為-180～-203m，提高開采上限后開采上限標(biāo)高為-148～-168m，解放“呆滯”資源量約為1.381Mt。

2.3采高4m綜采

(1)覆巖破壞最大高度工作面埋深150～350m，走向長1480m，平均傾斜長306m，開采煤厚平均5.3m，覆巖屬于中硬巖類。該工作面采用彩色鉆孔電視、鉆孔沖洗液消耗量及瞬變電磁3種方法綜合探測(cè)，探測(cè)結(jié)果為：該工作面覆巖破壞導(dǎo)水裂縫帶高度62.5m，裂采比為11.8。從偏于安全考慮，本次導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算裂采比采用12.5，即：Hi=12.5H=12.5×4=50(m)

(2)保護(hù)層厚度采高大于4m情況下，“三下”采煤規(guī)程未規(guī)定保護(hù)層的厚度選取方法。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，保護(hù)層厚度一般為5倍采高，即為5×4=20(m)。

(3)防水安全煤柱高度及開采上限最大采高4m的綜合機(jī)械化開采導(dǎo)水裂縫帶最大高度為50m，保護(hù)層厚度為20m，防隔水煤(巖)柱高度為70m，即基巖厚度大于70m區(qū)域可以采用最大采高4m的綜合機(jī)械化開采方法進(jìn)行開采，提高開采上限區(qū)域原開采標(biāo)高為-180～-203m，提高開采上限后開采上限標(biāo)高為-140～-158m，解放“呆滯”資源量約為1.312Mt。

2.4最大采高3m綜采

根據(jù)分層開采方法進(jìn)行計(jì)算。

(1)覆巖破壞最大高度

取兩者中的最大值，即導(dǎo)水裂縫帶高度為44.64m。

(2)保護(hù)層厚度

HB西部=3A=3×3=9(m)，

HB東部=6A=6×3=18(m)。

(3)防水安全煤柱高度及開采上限

最大采高3m的綜合機(jī)械化開采的導(dǎo)水裂縫帶最大高度為44.64m。提高開采上限區(qū)西部保護(hù)層厚度為9m，防隔水煤(巖)柱高度為53.64m；提高開采上限區(qū)東部保護(hù)層厚度18m，防隔水煤(巖)柱高度為62.64m。即提高開采上限區(qū)西部基巖厚度大于53.64m、東部基巖厚度大于62.64m區(qū)域可以采用最大采高3m綜采。提高開采上限區(qū)域原開采標(biāo)高為-180～-203m，開采上限提高后開采上限標(biāo)高為-133～-146m，解放“呆滯”資源量約為1.211Mt。

2.5分區(qū)段分層開采(3m+2.3m)根據(jù)上述最大采高3m綜采計(jì)算結(jié)果可知，提高開采上限區(qū)西部基巖厚度大于53.64m、東部基巖厚度大于62.64m區(qū)域可以采用最大采高3m綜采；根據(jù)分層綜采計(jì)算結(jié)果可知，提高開采上限區(qū)西部基巖厚度大于64m、東部基巖厚度大于71.9m區(qū)域可以采用3m+2.3m分層綜采方法進(jìn)行開采。

結(jié)合2個(gè)方案計(jì)算結(jié)果，可以將2個(gè)方案進(jìn)行融合優(yōu)化得出分區(qū)段分層開采(3m+2.3m)方案，即前期在提高開采上限區(qū)西部基巖厚度大于53.64m區(qū)域、東部基巖厚度大于62.64m區(qū)域采用最大采高3m綜采，其開采上限標(biāo)高為-133～-146m。待上分層開采結(jié)束后，在該區(qū)內(nèi)西部基巖厚度大于64m區(qū)域、東部基巖厚度大于71.9m區(qū)域采用3m+2.3m分層綜采方法進(jìn)行開采，開采厚度為2.3m，開采上限標(biāo)高為-142～-155m。解放“呆滯”資源量約為1.977Mt。

2.6試采工作面方案

綜合考慮開采資源最大化和礦井安全生產(chǎn)，確定分區(qū)段分層開采(3m+2.3m)為試采方案。

3　結(jié)束語

目前工作面上分層已安全試采結(jié)束，采出第四系松散含水層下壓煤0.618Mt，對(duì)十三礦提高礦井服務(wù)年限、緩解采掘接替緊張，建設(shè)可持續(xù)高效礦井具有推動(dòng)作用，使十三礦防治水工作水平及煤礦開采技術(shù)邁上一個(gè)新的臺(tái)階，經(jīng)濟(jì)效益顯著，社會(huì)效益突出。

[1]康永華，孔凡銘，孫凱.覆巖破壞規(guī)律的綜合研究技術(shù)體系[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，1997(11)：40-43.

[2]馬明，李鳳榮.松散層水體下采煤的實(shí)踐[J].礦山壓力與頂板管理，2000(1)：72-73.

[3]康永華，唐子滋,王宗勝.鮑店煤礦松散含水層下綜放開采的研究與實(shí)踐[J].煤礦開采，2008，13(1)：34-36.

[4]陳永慶.季節(jié)性河流下特厚煤層綜放開采安全性探討[J].中州煤炭，2014(9)：39-41.

[5]譚志祥，何國清.斷層影響下導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育規(guī)律[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，1997(10)：45-47.

[6]譚志祥，周鳴，鄧喀中.斷層對(duì)水體下采煤的影響及其防治[J].煤炭學(xué)報(bào)，2000，25(3)：256-259.

[7]李宏杰，楊鵬旭，文學(xué)寬，等.漳河水庫下煤炭資源開采可行性研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2009(6)：16-20.

[8]王大尉，高展鵬，張德龍，等.規(guī)劃區(qū)內(nèi)水體下采煤可行性[J].煤礦開采，2010，15(3)：45-46.

[責(zé)任編輯：鄒正立]

2016-02-04

陳喜恩(1969-)，男，河南葉縣人，碩士，高級(jí)工程師，現(xiàn)任平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十三礦總工程師。

TD823.8

B

1006-6225(2016)05-0018-03

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.05.006

[引用格式]陳喜恩.松散含水層下提高開采上限研究與實(shí)踐[J].煤礦開采，2016，21(5)：18-20，43.