河流下斷層煤柱區(qū)殘采工作面安全開采分析

張玉軍

(天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

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特殊采煤與礦區(qū)環(huán)境治理

河流下斷層煤柱區(qū)殘采工作面安全開采分析

張玉軍

(天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

以權(quán)家河煤礦河流下斷層煤柱區(qū)殘采回采為例，在分析確定5329殘采工作面覆巖類型的基礎(chǔ)上，預(yù)計(jì)了斷層存在條件下的導(dǎo)水裂縫帶高度，對(duì)地面河流和第四系含水層這一復(fù)合水體留設(shè)了防水安全煤巖柱，并確定了合理開采厚度，根據(jù)河流與工作面、斷層的空間關(guān)系，在回采的不同階段留設(shè)了不同的斷層煤柱。研究結(jié)果表明：針對(duì)5329工作面埋深淺的條件，采高控制在2.3m的條件下能滿足留設(shè)防水煤柱巖柱的要求；在距切眼120m階段，開采該階段需要留設(shè)的斷層煤柱尺寸不小于21m，120～停采線階段，需要留設(shè)的最小斷層煤柱尺寸為72.5m，才能保證安全回采。

河流下；斷層煤柱；殘采工作面；安全性

水體下采煤技術(shù)已經(jīng)在我國(guó)近百個(gè)礦區(qū)得到成功應(yīng)用，涉及到的水體涵蓋了地表水體、第四系松散層水、基巖孔隙裂隙水、老空區(qū)積水及巖溶水等多種賦存形態(tài)的水體，解放了大量水體壓煤，延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。但是，隨著多年來煤炭資源的不斷開采,優(yōu)質(zhì)煤炭資源越來越少,但已采的礦井遺留有大量煤炭資源,進(jìn)入殘采區(qū)階段[1-8]。特別是部分礦井，由于殘采工作面回采埋深淺，且回采的是部分構(gòu)造安全煤柱。為此，地面水體成為礦井殘采工作面的主要安全威脅，而且由于斷層的存在，一旦采動(dòng)影響波及到水體，地表水體極有可能構(gòu)成斷層煤柱回采的充水水源。

1　礦井及工作面概況

權(quán)家河煤礦隸屬于陜西煤業(yè)化工集團(tuán)澄合礦業(yè)有限公司，位于渭北煤田中段澄合礦區(qū)中西部。始建于1970年4月，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力0.6Mt/a ，單采5號(hào)煤層，一、二水平大巷標(biāo)高分別為+410m和+290m，基本采用長(zhǎng)壁采煤法。截至2009年全井田已回采結(jié)束，+290m水平以下全部封閉，目前僅處于回收局部工作面、構(gòu)造安全煤柱。5329工作面開采權(quán)家河斷層煤柱區(qū)，位于一水平三采區(qū)，地面標(biāo)高+518～+570m，工作面標(biāo)高為+370～+395m，煤層埋藏深度130～200m，北為5303進(jìn)風(fēng)巷采空區(qū)，南鄰權(quán)家河正斷層，東為原二水平總回風(fēng)暗斜井，西部為原小煤窯堵截巷。走向長(zhǎng)420～570m，傾斜長(zhǎng)45～55m，煤層厚度2.2～3.2m，平均厚度2.84m，煤層傾角3～22°，平均7°。

該區(qū)域主要為k4，k中頂板裂隙水及k3底板裂隙水。5329工作面南部主要受權(quán)家河斷層影響，該斷層為正斷層，最大落差70m，傾角60°?？h西河流經(jīng)權(quán)家河井田東部，是井田范圍內(nèi)唯一的河流，最小0.1m3/s，最大3.24m3/s，洪峰流量4.23m3/s?？h西河歷史最高洪水位+565～+570m。目前權(quán)家河斷層煤柱地表已靠近縣西河，且煤柱內(nèi)部斷層發(fā)育，據(jù)29號(hào)孔、觀2孔資料，此區(qū)段5煤埋深僅為75～150m，縣西河地表水體可能構(gòu)成斷層煤柱回采的充水水源。斷層與5329工作面、縣西河相對(duì)位置如圖1所示。

圖1　5329工作面與河流、斷層相對(duì)位置

2　河流下斷層煤柱區(qū)安全開采原則

根據(jù)對(duì)5329工作面的水文地質(zhì)及采礦條件的分析，其開采面臨的主要防治水問題是如何在地表縣西河、第四系含水層和二疊系砂巖裂隙含水層多重水體威脅下安全采煤。但是，權(quán)家河煤礦地質(zhì)勘探情況和現(xiàn)有的礦井涌水量數(shù)據(jù)表明，二疊系砂巖裂隙含水層富水一般。此外，第四系含水層整體屬富水性弱～中等的含水層，但是必須考慮第四系含水層與縣西河的水力聯(lián)系。因此，針對(duì)權(quán)家河這一復(fù)合水體類型，應(yīng)該采取以防為主，頂水開采的原則。按照《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》的有關(guān)規(guī)定[2]，不允許采動(dòng)形成的導(dǎo)水裂縫帶波及到第四系含水層，以避免縣西河河水與第四系含水層導(dǎo)通區(qū)段礦井涌水量增大，導(dǎo)致河水下泄形成突水事故。因此，安全開采的首要條件是在第四系含水層底界下留設(shè)足夠的防水安全煤巖柱。

同時(shí)，由于5329工作面開采的是斷層煤柱區(qū)，工作面南部緊鄰權(quán)家河斷層，且工作面埋深淺，因此針對(duì)斷層需要在留設(shè)足夠的斷層防水煤柱的同時(shí)，保證采動(dòng)影響不波及到權(quán)家河斷層，即使得導(dǎo)水裂縫帶的最高點(diǎn)不接觸到斷層。

3　河流下防水煤巖柱留設(shè)確定

3.1斷層條件下導(dǎo)水裂縫帶高度預(yù)計(jì)

由權(quán)家河煤礦5329工作面附近區(qū)域揭露5號(hào)煤層的鉆孔資料可知，5號(hào)煤覆巖范圍的基巖柱內(nèi)，泥巖類巖層厚度約占所統(tǒng)計(jì)的基巖柱厚度的13.27%，砂巖類巖層厚度占87%。而砂巖單軸抗壓強(qiáng)度介于20.1～38.4 MPa之間，平均28.85MPa，但是從砂巖所占的比例來看，占據(jù)了覆巖的絕大部分，有利于導(dǎo)水裂縫的發(fā)育，不利于水體下安全采煤，因此研究認(rèn)為5號(hào)煤層覆巖類型可確定為中硬型。

5329工作面5號(hào)煤層厚度介于2.05～3.82m之間，因此覆巖破壞高度可依據(jù)《規(guī)程》中的中硬類型覆巖的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。

導(dǎo)水裂縫帶高度預(yù)計(jì)選取的計(jì)算公式為：

(1)

式中，Hli為導(dǎo)水裂縫帶最大高度，m；∑M為累計(jì)采厚，m。

但是，由于5329工作面南為權(quán)家河斷層，所以斷層構(gòu)造的存在將會(huì)增大導(dǎo)水裂縫帶高度的發(fā)育。根據(jù)我國(guó)實(shí)測(cè)認(rèn)為，斷層構(gòu)造條件下覆巖破壞高度可按增大43%考慮。由此計(jì)算得到的各個(gè)鉆孔的導(dǎo)水裂縫帶高度如表1所示。

表1　5329工作面鉆孔垮落帶、導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算

3.2縣西河下防水安全煤巖柱確定

一般情況下，防水安全煤巖柱由導(dǎo)水裂縫帶高度與保護(hù)層厚度組成，但是由于5329工作面區(qū)域上覆第四系為砂礫層等透水層與基巖接觸，而基巖頂面風(fēng)化帶為砂巖類，具有一定透水性，故防水安全煤巖柱設(shè)計(jì)應(yīng)考慮基巖風(fēng)化帶的厚度，在這里基巖風(fēng)化帶取20m，即：

Hsh≥Hli+Hb+Hf

(2)

式中，Hsh為防水安全煤巖柱高度，m；Hb為保護(hù)層厚度，m；Hf為基巖風(fēng)化帶厚度，m。

《規(guī)程》中規(guī)定防水安全煤巖柱的保護(hù)層厚度可根據(jù)有無松散層及其中黏性土層厚度進(jìn)行選取。縣西河和第四系松散含水層水體下防水安全煤巖柱是由石炭二疊系地層組成，主要由石盒子組地層組成。由鉆孔資料可知，第四系底部局部發(fā)育有砂礫層，部分區(qū)域黃土直接覆蓋基巖，第四系底部無黏性土相隔，而且與砂礫巖層直接接觸的基巖巖層中均為砂巖，厚度在8.00～15.84m之間，因此，保護(hù)層厚度選取中硬覆巖型6倍采高。

由此計(jì)算得到的工作面范圍內(nèi)各鉆孔揭露煤層厚度處需要的留設(shè)防水煤巖柱高度見表2。將最小防水安全煤巖柱高度與主采煤層頂板基巖厚度做差值計(jì)算，若基巖厚度大于最小安全煤巖柱厚度(兩者差值為正)則表示基巖巖柱能滿足要求，反之，則不能滿足要求。從表2可知，由于基巖厚度薄，均不能滿足防水安全煤巖柱最小高度要求。因此，5329工作面開采需要采取限高開采措施才能滿足留設(shè)防水煤巖柱的要求。

表2　防水安全煤巖柱最小高度與5煤頂板基巖厚度對(duì)比

3.3合理采高確定

合理采高厚度可由基巖厚度除以防水安全煤巖柱厚度與采高比值得出。由表2可知，設(shè)計(jì)的防水煤巖柱高度和采高比值介于28.0～40.3之間，且隨著煤層厚度的增加，柱厚比呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，在這里取柱厚比35作為計(jì)算合理采高的依據(jù)。5329工作面區(qū)域基巖厚度在80～90m之間，且由東(開切眼)至西逐漸減小，由此可以反算得到5329工作面的合理開采厚度介于2.28～2.57m之間，如圖2所示。但是，由于5329工作面范圍內(nèi)鉆孔少，對(duì)基巖及煤層厚度存在較大的誤差，因此確定5329工作面的合理開采厚度為2.3m。

圖2　5329工作面合理采高等值線

4　權(quán)家河斷層防水煤柱確定

由5329工作面與河流的相對(duì)位置關(guān)系可知，在距切眼120m階段，河流不在工作面上方，同時(shí)距離斷層也較遠(yuǎn)，因此根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》，含水或?qū)當(dāng)鄬拥拿簩禹槍臃栏羲?巖)柱的留設(shè)可參照下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[9]：

(3)

式中，L為煤柱留設(shè)的寬度，m；K為安全系數(shù)，一般取2～5；M為煤層厚度或采高，m；p為水頭壓力，MPa；Kp為煤的抗拉強(qiáng)度，MPa。

根據(jù)權(quán)家河煤礦具體地質(zhì)條件，各參數(shù)取值分別為：安全系數(shù)K取3.0，煤層采高M(jìn)取確定的合理采高2.3m，水頭壓力為1.0MPa，5煤的抗拉強(qiáng)度資料中未給出，參照相關(guān)文獻(xiàn)取0.08MPa，由此可計(jì)算得出該階段開采順層煤柱寬度L不得小于21m。

但是，為了保證采動(dòng)影響不波及到權(quán)家河斷層，需要在留設(shè)足夠的斷層防水煤柱的同時(shí)，必須使得導(dǎo)水裂縫帶的最高點(diǎn)不接觸到斷層。圖3是沿5329工作面河流距離斷層最近處做的剖面。由圖3可知，在目前留設(shè)的斷層煤柱條件下，采動(dòng)形成的導(dǎo)水裂縫帶頂點(diǎn)已經(jīng)進(jìn)入到斷層，要使采動(dòng)形成的導(dǎo)水裂縫帶頂點(diǎn)不接觸到權(quán)家河斷層，由此計(jì)算得到需要留設(shè)的最小煤柱尺寸為34.37m(在這里取35m)。

圖3　沿5329工作面河流距離斷層最近處做的剖面

根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》，當(dāng)煤層與導(dǎo)水?dāng)鄬咏佑|并局部被覆蓋時(shí)，如圖4所示。當(dāng)含水層頂面高于最高導(dǎo)水裂縫帶上顯示，防隔水煤巖柱計(jì)算公式為：

L=L1+L2+L3=Hacscθ+HLcotθ+HLcotδ

(4)

式中，L為煤柱留設(shè)的寬度，m；Ha為斷層安全防隔水煤巖柱的寬度，m；HL為最大導(dǎo)水裂縫帶高度，根據(jù)權(quán)家河煤礦具體地質(zhì)條件，采厚為2.3m時(shí)，預(yù)計(jì)導(dǎo)水裂縫帶最大高度為53.2m；θ為斷層傾角，(°)，依據(jù)斷層產(chǎn)狀資料，取70°；δ為巖層塌陷角，(°)，依據(jù)《規(guī)程》中相關(guān)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，為安全起見，取極限值65°。

圖4　斷層煤柱留設(shè)

斷層安全防隔水煤巖柱的寬度Ha應(yīng)根據(jù)礦井實(shí)際觀測(cè)資料來確定，即通過總結(jié)本礦區(qū)在斷層附近開采時(shí)發(fā)生突水和安全開采的地質(zhì)、水文地質(zhì)資料，計(jì)算突水系數(shù)的安全臨界線[4]。Ha值也可以按下列公式計(jì)算：

Ha=p/Ts+10

(5)

式中，p為防隔水煤巖柱所承受的靜水壓力，MPa；Ts為臨界突水系數(shù)，MPa/m；保護(hù)層厚度為10m。

因礦井無突水系數(shù)相關(guān)資料，依類似礦區(qū)經(jīng)驗(yàn)值取臨界突水系數(shù)Ts為0.06，求算得：

Ha=p/Ts+10=1/0.06+10=26.7(m)

L=L1+L2+L3=26.7×1.06+53.2×0.36+53.2×0.47=72.5(m)

經(jīng)計(jì)算，需針對(duì)斷層留設(shè)的煤柱為72.5m。

因此，綜合上述計(jì)算結(jié)果，斷層隔水煤柱留設(shè)的最小寬度為72.5m。

綜合以上分析可知，在距切眼120m階段，河流不在工作面上方，同時(shí)距離斷層也較遠(yuǎn)，因此在經(jīng)過探查證實(shí)斷層不導(dǎo)水的情況下，開采該階段需要留設(shè)的斷層煤柱尺寸不小于21m。120～停采線階段，需要留設(shè)的最小斷層煤柱尺寸為72.5m，如圖5所示。

圖5　不同階段斷層煤柱留設(shè)

5　安全性分析

實(shí)現(xiàn)縣西河和松散含水層復(fù)合水體下頂水安全開采的基本原則，就是在第四系含水層底界下留設(shè)足夠的防水安全煤巖柱，使采動(dòng)形成的導(dǎo)水裂縫帶不波及到第四系含水層。針對(duì)5329工作面埋深淺的條件，通過計(jì)算合理采高控制在2.3m的條件下，能滿足留設(shè)防水煤柱巖柱的要求。而且按照采高2.3m計(jì)算，采深采厚比為47.8，根據(jù)河流下安全開采案例可知，當(dāng)采用全部垮落方法開采時(shí)，河下安全開采的深厚比最小為30～40，因此從采深采厚比來看，也能實(shí)現(xiàn)縣西河下的安全開采。但是，在這里需要引起注意的是5329工作面回采的是斷層煤柱區(qū)，由于斷層的存在，縣西河地表水體也可能構(gòu)成斷層煤柱回采的充水水源，因此按照上述確定的安全開采厚度的條件下，針對(duì)權(quán)家河斷層在不同回采階段留設(shè)足夠的斷層煤柱，才能確保5329工作面的最終安全開采。

[1]張玉軍，李英輝，殷志剛，等.梅河礦區(qū)砂礫含水層下殘采綜放工作面防潰泥突水技術(shù)及實(shí)踐[J].煤礦開采，2013，18(5)：76-79.

[2]國(guó)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.

[3]煤炭科學(xué)研究總院北京開采研究所.煤礦地表移動(dòng)與覆巖破壞規(guī)律及應(yīng)用[M].北京: 煤炭工業(yè)出版社，1983.

[4]張玉軍，胡炳南，侯善軍，等.袁店二井82采區(qū)F高長(zhǎng)營(yíng)斷層防水煤柱留設(shè)與評(píng)價(jià)[A].全國(guó)“三下”采煤學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C].北京：中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)，2012.

[5]賈立明，張玉軍.采空區(qū)積水下急傾斜厚煤層水平分層綜放開采安全性分析[J].金屬礦山，2015(4)：97-101.

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[8]許孟和.舊采殘煤長(zhǎng)壁綜采圍巖控制及安全保障技術(shù)研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2012.

[9]國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦防治水規(guī)定[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2009.

[責(zé)任編輯：李青]

Safety Mining Analysis of Residual Mining Working Face in Coal Pillar Area Around Fault under River

ZHANG Yu-jun

(Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.,Ltd.，Beijing 100013，China)

It taking residual mining of coal pillar area around fault under river of Quanjiahe coal mine，and overburden types of 5329 residual working face were determined,then water flowing fractured zone height under fault situation was predicted，water proof safety coal and rock pillar was arranged under compound water situation，which include surface river and the Quaternary aquifer，reasonable mining thickness was determined，according spacial position relation of river，working face and fault，different size fault coal pillar was arranged in different mining step. The research showed that based on the shallow mining depth of 5329 working face，mining height kept as 2.3m，then the demand that water proof coal and rock pillar could be meet，when during the step that to open-off cut about 120m，fault coal pillar size during mining step not less than 21m，when the step to 120m to mining stop line，the minimal coal pillar size is 72.5m，then mining safety could be guaranteed.

under river；fault coal pillar；residual mining working face；safety

2015-11-18

中國(guó)煤炭科工集團(tuán)資助項(xiàng)目：半固結(jié)砂巖含水層下采煤突水潰砂機(jī)理及防治(2014MS004)

張玉軍(1978-)，男，河北懷安人，博士，副研究員，主要從事水體下采煤及礦井水害防治技術(shù)研究。

TD823.83

A

1006-6225(2016)05-0064-04

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.05.018

[引用格式]張玉軍.河流下斷層煤柱區(qū)殘采工作面安全開采分析[J].煤礦開采，2016，21(5)：64-67.