程莊煤礦9305 工作面水體下安全開(kāi)采可行性研究

趙延超 李 鵬 吳 濤

（中煤地華盛水文地質(zhì)勘察有限公司，河北 邯鄲 056004）

1 工作面概況

程莊煤礦井田范圍內(nèi)有一條季節(jié)性河流召三河，影響了井下工作面布置及安全開(kāi)采，其河流下壓覆9 號(hào)煤層煤炭資源約200 萬(wàn)t。為了能夠緩解程莊煤礦采煤壓力，本文開(kāi)展了程莊煤礦9305 工作面水體下安全開(kāi)采研究，主要以地表裂縫、覆巖結(jié)構(gòu)、導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度等主控因素計(jì)算分析為主[1-2]，對(duì)程莊煤礦水體下9305 工作面安全開(kāi)采進(jìn)行研究分析。

陽(yáng)泉市燕龕煤炭有限責(zé)任公司程莊煤礦，原批準(zhǔn)該礦開(kāi)采3 號(hào)-15 號(hào)煤層，生產(chǎn)規(guī)模180 萬(wàn)t/a，現(xiàn)開(kāi)采煤層變更為9 號(hào)、15 號(hào)煤層，開(kāi)采水平為+875～+785 m。9 號(hào)煤層現(xiàn)布置一個(gè)綜采工作面為9508 工作面，15 號(hào)煤層現(xiàn)布置一個(gè)綜放工作面15306 工作面，2 個(gè)綜掘工作面為15310 進(jìn)風(fēng)巷、15310 回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面，布置1 個(gè)巖巷掘進(jìn)面，為15310 高抽巷。

召三河下布置的工作面為9305 工作面，其呈南北布置，順著召三河方向，其寬度約271.82 m，長(zhǎng)度約為1 094.55 m，煤層埋深95.60 m。

2 水體下采煤安全性研究分析

2.1 覆巖結(jié)構(gòu)分析

2.1.1 覆巖破壞規(guī)律分析

根據(jù)以往收集的資料可知，巖層的移動(dòng)變形和破壞形式，上覆巖層一般形成垮落帶、裂隙帶、彎曲帶（簡(jiǎn)稱(chēng)“上三帶”），其中重點(diǎn)研究的是垮落帶和裂隙帶的變形破壞特征[3-4]。

2.1.2 覆巖層隔水性分析

9305工作面內(nèi)及周邊的鉆孔僅有D-262、D-257、A-12 鉆孔，其他鉆孔不在范圍內(nèi)，該范圍內(nèi)并未發(fā)現(xiàn)斷層、褶曲等構(gòu)造。因此，本文利用范圍內(nèi)D-262、D-257、A-12 鉆孔對(duì)其上覆巖性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表1。

表1 9305 工作面上覆覆巖厚度統(tǒng)計(jì)表

從表1 可知，9305 工作面上覆覆巖泥巖、砂質(zhì)泥巖層段占基巖柱比例59.15%～62.28%具有很好的隔水性，而砂巖占基巖柱比例31.21%～40.84%。對(duì)其上覆巖性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以發(fā)現(xiàn)9305 工作面上覆基巖主要以隔水性較好的泥巖、砂泥巖層為主，且其厚度占基巖總厚度的比例均在59.15%以上，這表明工作面上覆覆巖具有一定的隔水性能。

砂巖占基巖總厚度的比例也在31.21%以上，這表明9305 工作面上覆覆巖具有軟硬相間的巖性組合，具有一定的塑性變形能力，這對(duì)后期工作面安全開(kāi)采是有利的。

2.2 綜采導(dǎo)水裂隙帶理論發(fā)育高度分析

2.2.1 導(dǎo)水裂隙帶形態(tài)及發(fā)育規(guī)律

導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的高度與煤層開(kāi)采的方式有著很大的關(guān)系，一般情況下采高越大，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的高度也就越大。通常情況下綜采一次采全高比分層開(kāi)采的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度大，而采用綜采開(kāi)采時(shí)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度與采高呈線性關(guān)系，分層開(kāi)采時(shí)兩者呈分式函數(shù)性關(guān)系[5-6]。

由以上因素分析，程莊煤礦9305 工作面采用綜采一次采全高，根據(jù)井下周邊揭露的見(jiàn)煤點(diǎn)及鉆孔取芯數(shù)據(jù)，可以得到煤層厚度為1.80～3.40 m，其導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度計(jì)算如下。

2.2.2 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度計(jì)算

本文結(jié)合9305 工作面頂板覆巖力學(xué)性質(zhì)，采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度計(jì)算公式，公式如下：

式中：Hli為導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，m；M為煤厚，m。

根據(jù)9 號(hào)煤層井上下對(duì)照?qǐng)D，本文選取9305工作面內(nèi)地表最小標(biāo)高為+998.08 m，根據(jù)9305 工作面的底板等高線選取最大底板標(biāo)高為+900.00 m，通過(guò)計(jì)算9305 工作面煤層最小埋深為998.08-2.48-900=95.60 m。

通過(guò)計(jì)算可得出9305 工作面的導(dǎo)水裂隙帶最大理論發(fā)育高度為41.50 m，其埋深為95.60 m，導(dǎo)水裂隙帶最大理論發(fā)育高度小于埋深。因此， 9305 工作面開(kāi)采后，從理論上分析溝通到地表可能性較小。

2.3 地表裂縫發(fā)育深度分析

（1）MohrCoulomb（摩爾庫(kù)倫）破壞準(zhǔn)則計(jì)算地表裂縫

本文主要采用摩爾庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則定理來(lái)對(duì)9305工作面進(jìn)行地表裂縫深度計(jì)算[7-8]，其計(jì)算公式為：

式中：C為土體的內(nèi)聚力，kPa；φ為內(nèi)摩擦角，（°）；γ為土體的飽和容重，kN/m3。

（2）9305 工作面范圍內(nèi)地表裂縫計(jì)算

根據(jù)礦方地質(zhì)勘察資料及鉆孔柱狀圖的巖性描述，召三河周邊及河床多為中、上更新統(tǒng)黃土層，土壤主要以黃土狀亞黏土為主。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采指南》及程莊煤礦周邊的地質(zhì)勘察報(bào)告，可以得出MohrCoulomb（摩爾庫(kù)倫）破壞準(zhǔn)則的計(jì)算參數(shù)。

根據(jù)公式（3）計(jì)算9305 工作面內(nèi)地表裂縫，根據(jù)已有資料可知9305 工作面地表水體內(nèi)多為黃色亞黏土，按照規(guī)范參考值，其內(nèi)摩擦角選取24°，內(nèi)聚力為26 kPa，土體飽和容重為18.30 kN/m3，其計(jì)算結(jié)果如下：

根據(jù)公式計(jì)算，9305 工作面地表裂縫預(yù)計(jì)發(fā)育深度為4.38 m。在工作面周?chē)靺^(qū)內(nèi)，會(huì)出現(xiàn)永久裂縫帶，裂縫平行工作面巷道及切眼分布，9305 工作面開(kāi)采后地表裂縫寬度最大可能為10～300 mm。

2.4 防水安全煤（巖）柱分析

2.4.1 防水安全煤巖柱高度驗(yàn)算

本文將依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》的公式來(lái)計(jì)算防水安全煤（巖）柱的厚度，因9305 工作面周邊地表有一定的黃土覆蓋，水體不與基巖接觸，故不考慮基巖風(fēng)化帶高度。

其防水安全煤巖柱垂高見(jiàn)公式（4）：

式中：Hsh為防水安全煤巖柱的高度，m；Hli為導(dǎo)水裂隙帶高度，m；Hb為保護(hù)層厚度（見(jiàn)表2），m。

表2 防水安全煤（巖）柱保護(hù)層厚度

根據(jù)地質(zhì)勘探資料可知，9305 工作面對(duì)應(yīng)地表黃土層最小厚度為4.09 m，而煤層厚度最大為2.48 m，黃土層屬于亞黏土，且煤層上覆巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖等中硬性巖層。保護(hù)層厚度應(yīng)取3倍的煤層厚度，該范圍內(nèi)煤層最大厚度為2.48 m，故保護(hù)層厚度為7.44 m。

通過(guò)前述9305 工作面煤層開(kāi)采后導(dǎo)水裂隙帶理論發(fā)育高度為41.50 m，依據(jù)公式（4）保護(hù)煤巖柱厚度為48.94 m，計(jì)算如下：

Hsh≥Hli+Hb=41.50+7.44=48.94 m。

2.4.2 防水安全煤巖柱影響分析

9305 工作面最大的防水安全煤巖柱垂高為48.94 m，地表裂縫深度為4.38 m，其范圍內(nèi)9305工作面開(kāi)采最小埋深為95.60 m，減去地表裂縫深度91.22 m，大于所需防水安全煤巖柱48.94 m，故9305 工作面煤巖柱尺寸是足夠的。

9305 工作面上覆基巖主要以隔水性較好的泥巖、砂泥巖層為主，厚度占基巖總厚度的比例均在59.15%以上，召三河范圍內(nèi)9 號(hào)煤層工作面上覆覆巖具有一定的隔水性能，可阻止地表水體下滲。

3 結(jié)論

（1）本研究通過(guò)對(duì)鉆孔統(tǒng)計(jì)分析，9305 工作面頂板覆巖巖性泥巖、砂質(zhì)泥巖二者綜合占基巖柱比例59.15%～62.28%，主要以隔水性較好的泥巖、砂質(zhì)泥巖層段為主，該巖性組合具有一定塑性及隔水性，對(duì)9305 工作面的安全開(kāi)采是有利的。

（2）本研究得出9305 工作面的最小埋深為95.60 m，導(dǎo)水裂隙帶理論發(fā)育高度為41.50 m，而其地表裂縫發(fā)育預(yù)測(cè)高度為4.38 m，研究表明9305工作面開(kāi)采后理論上不會(huì)導(dǎo)通地表水體。

（3）本研究通過(guò)對(duì)防水安全煤巖柱的計(jì)算與分析，水體下9305 工作面頂板基巖柱高度均大于防水安全煤巖柱高度，符合各水體采動(dòng)等級(jí)要求留設(shè)的相應(yīng)類(lèi)型安全煤（巖）柱尺寸，在理論上分析9305 工作面安全開(kāi)采具有可行性。