矿井隔离煤柱设计实例

巫显钧

(重庆松藻煤电有限责任公司,重庆市綦江县,401445)

★煤炭科技·开拓与开采 ★

矿井隔离煤柱设计实例

巫显钧

(重庆松藻煤电有限责任公司,重庆市綦江县,401445)

分析了渝阳煤矿与小渔沱煤矿矿井边界沿线的地质条件,并依据国家有关标准,设计了两矿间的隔离煤柱,6#、7#、8#、11#煤层的隔离煤柱倾斜宽度分别为64.33 m、74.34 m、85.29 m和112.56 m。

隔离煤柱 煤柱宽度 导水裂隙带

AbstractIn this paper,geo logical conditions of the m ine bo rdering areas betw een Yuyang Coal M ine and Xiaoyutuo Coal M ine are analyzed and in comp liance w ith relevant state norm s and standards,separating coal pillars between the two mines are designed w ith their inclined w idth in the#6,#7,#8 and#11 coal seam s being 64.33 m,74.34 m,85.29 m and 112.56 m,respectively.

Key wordsseparating coal pillar,coal pillar w idth,w ater sipping fissure zone

渝阳煤矿与小渔沱煤矿均开采二叠系上统龙潭组中的近-中等距离缓倾斜煤层群,全区可采煤层为8#煤层 (中厚煤层),另有2～3层局部可采薄煤层,各煤层均为煤与瓦斯突出煤层,必须先开采保护层。南北相邻的渝阳煤矿和小渔沱煤矿沿煤层倾向划分,以8#煤层-200 m等高线为界,边界线长度约6580 m,两矿采矿活动的标高分别为+ 464～-250 m和-150～-800 m。渝阳煤矿为生产矿井,目前北三区开拓已接近边界,小渔沱煤矿为在建矿井,刚开工建设。

1 设计原则

1.1 地质条件

分析研究两个矿井边界附近,认为应从地表到煤系的水文地质条件和充水因素出发,确定影响煤柱留设的主要因素和必须防范的含水层。综合分析边界附近地勘钻孔的地质资料后,边界附近具有的地质特征见图1。

(1)各煤层层间距比较稳定。6#煤层以上的煤系厚度、长兴灰岩含水层厚度、玉龙山一段的隔水层厚度、玉龙山二三段灰岩含水层厚度、飞仙关泥岩隔水层厚度均比较稳定。见表1。

图1 隔离煤柱设计剖面图 (方案一)

表1 煤岩层厚度层间距简表m

(2)煤系顶部相关的含水层特征。煤系顶板长兴灰岩含水层厚度48.97～52.03 m,含岩溶裂隙水,抽水试验单位涌水量 0.00000264～0.0000156 L/(s·m),水量小,含水性极弱且极不均一;玉龙山二三段灰岩含水层厚度96.38～111.22 m,含岩溶裂隙水,抽水试验单位涌水量0.00439 L/s·m,渗透系数为0.00381 m/d,含水性弱且极不均一。

(3)6#煤层以上的煤系隔水层厚度27.01～30.27 m,长兴灰岩以上的玉龙山一段的隔水层厚度29.84～40.27m,玉龙山灰岩以上的飞仙关泥岩隔水层厚度174.16～190.32 m。

(4)煤系岩层由泥岩、砂质泥岩、泥质粉砂岩、砂岩和石灰岩组成,岩石的单向抗压强度差别大,为15～177.9 M Pa;长兴和玉龙山石灰岩的单向抗压强度一般为33.7～75.9 M Pa。煤层顶部岩石为中硬-坚硬岩石。

1.2 设计原则

首先必须认真分析研究矿井边界附近的客观地质条件,收集整理规程规范的相关技术政策规定,理清设计思路,做到设计不违规;其次,应设计几个方案进行优选,对设计结论进行验算,保证设计的科学性;最后,设计结论的表述必须准确唯一、不存在歧义、方便使用。

2 煤柱设计的理论依据

2.1 理论设计

(1)松藻矿区近水平煤层群开采岩层移动观测已开展20余年,原松藻矿务局与重庆大学共同完成的《松藻矿区近水平煤层群开采地表移动规律的研究》科研报告,通过了由重庆市科学技术委员会组织的鉴定。该报告推荐松藻矿区近水平、缓倾斜矿井煤层群开采后,上下山岩层移动角均采用65°。

(2)由于松藻矿区暂无“三带”实测资料,依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程)》(煤行管字〔2000〕第81号)附表6-2中的导水裂隙带最大高度计算公式计算导水裂隙带高度。

式中:Hf——导水裂隙带最大高度,m;

M——煤层累计采高,m。

计算结果见表2。4层煤开采后,最大导水裂隙带发育高度为74.23 m,到达了长兴灰岩上部,各煤层开采后的导水裂隙带已经导通为一个整体。依据煤层群开采后最大导水裂隙带的顶部标高设计防隔水煤柱是可行的。

(3)导水裂隙带顶部需要留设的隔水岩柱宽度,按照《煤矿防治水规定》 (2009年9月21日国家安全生产监督管理总局28号令)附录三中的推荐公式计算。

式中:L——导水裂隙带上限岩柱宽度,m;

H——采空区底板以上的静水位高度,m;

Hf——导水裂隙带最大高度,m;

Ts——水压与岩柱宽度的比值,取1计算。

计算结果见表2,从表2可知,开采两层以上的煤层时,L均小于20 m,一律按20 m设计。

(4)原中国统配煤矿总公司《关于印发统配煤矿 (矿井水文地质分类)的通知》 (中煤总生字〔1992〕第57号)审定渝阳煤矿水文地质条件分类为Ⅲ类 (复杂)。应该按照《煤矿防治水规定》附录三中图3-7a设计煤柱。

表2 矿井隔离煤柱设计结果表m

2.2 设计方案

鉴于边界附近煤岩层厚度和岩性比较稳定,只采用一个剖面设计沿走向等宽的隔离煤柱是可行的。

(1)方案一。参见图1。依据《煤矿防治水规定》附录三中图3-7a,首先按照最上面的6#煤层开采后的导水裂隙带高度 Hf1、上限岩柱宽度20 m、移动角65°设计6#煤层煤柱 E、F边界点,再按移动角向下设计7#煤层的煤柱G、H边界点。

由于8#煤层开采后的导水裂隙带顶部标高略高于6#煤层开采后的导水裂隙带,按照8#煤层开采后的导水裂隙带高度 Hf3、上限岩柱宽度20 m、移动角65°设计8#煤层煤柱 I、J边界点,再以 I、J点按移动角向下设计11#煤层煤柱 C、D边界点。6#、7#、8#、11#煤层的设计煤柱倾斜宽度分别为 EF64.33 m、GH74.34 m、IJ85.29 m和CD112.56 m,见表2中方案一。

(2)方案二。参见图2。按照4层煤开采后的导水裂隙带高度74.23 m(Hf8)、上限岩柱宽度20 m、移动角65°统一设计4层煤的煤柱边界点 F、H、I、J、C和D点。先开采6#或7#煤层作为保护层,按照《防治煤与瓦斯突出规定》中瓦斯卸压角划定保护范围,如果6#或7#煤层煤柱边界点定为E’或G’点,则主采8#煤层的受保护范围在I点左边 (实际煤柱会更大)。而只开采6#和7#两层煤的区域,导水裂隙带高度 Hf9只有56.31 m,没有 Hf8高,据此优化设计,将6#、7#煤层煤柱上边界点优化为 E、G点,既满足了瓦斯保护关系的需要,又保证了 Hf9～Hf8顶部之间有20 m宽的完整岩柱。

图2 隔离煤柱设计剖面图 (方案二)

优化后6#、7#、8#、11#煤层的设计煤柱倾斜宽 度 分 别为 EF84.34 m、GH94.34 m、IJ117.08 m和 CD144.35 m,见表 2中方案二。整体煤岩柱在倾斜剖面上的形状为 ABDCIGKA圈闭。

3 隔离煤柱验算

《煤矿防治水规定》附录三中规定,矿井隔离煤柱的最小宽度不得小于40 m,设计的两个方案均满足此项要求。

3.1 采空区水的富集规律

煤层开采顶板冒落下沉后,在采空区上方形成冒落裂隙导水带,地下水 (有时含地表水)以采空区为中心形成降落漏斗往采空区聚集,积水量受冒落裂隙带的含水性和导水构造双重控制。初期及井下抽排水期间表现为地下水位不断下降,随着采空区的逐渐压实稳定,特别是矿井报废停止抽水后,地下水位又逐渐上升。从顶板冒落初期-大面积冒落下沉-采空区压实稳定的过程,同体积 (空间)的冒落裂隙带的含水量变化是逐渐增加-趋于稳定-逐渐减少。任何时候采空区及其冒落裂隙带都不是纯水体,不同地点的水位高度及其水压都可能不同。

3.2 静水位高度与上限岩柱宽度

从技术理论依据和设计过程可知,导水裂隙带的发育高度和上限岩柱宽度是矿井隔离煤柱设计的两个主要参数,而采空区底板以上的静水位高度又是上限岩柱宽度计算的主要参数。从表2可以看出,不论采空区的静水位标高采用长兴顶界还是玉龙山顶界,计算的上限岩柱宽度均小于20 m,只能按规定取最小值20 m进行设计。

煤层群开采后最大导水裂隙带只发育到长兴含水层上部,而长兴灰岩以上有约40 m的玉龙山一段钙质泥岩隔水层,玉龙山灰岩顶部有170 m以上的飞仙关泥岩隔水层,上限岩柱宽度采用20 m设计是可靠而安全的。

3.3 煤柱耐侧压验算

依据《煤矿防治水规定》附录三中的经验公式验算,各煤层承受水头侧压所需要的煤柱宽度见表3。高度约200 m计算,设计的各煤层煤柱也完全能够承受采空区积水对煤层的侧压力。

由于开采近-中等距离煤层群,下煤层开采后会破坏上煤层的完整性和连续性,设计应保证上煤层的煤柱不受下煤层开采的破坏。设计的两个方案均按照岩层移动角65°向下统一划定,设计成果能够保证各煤层煤柱的完整性。

表3 耐压煤柱宽度计算表

式中:L——煤柱留设的宽度,m;

K——安全系数,此处取5;

M——煤层厚度或采高,m;

p——水头压力,M Pa;

Kp——煤的抗拉强度,M Pa。即使按最坏的情况从采空区到玉龙山顶界水头

4 方案比较

对比两个方案,方案一的煤柱比方案二小20～30 m,可多开采煤炭资源150.4万t,经济效益显而易见,下面从技术和安全两个方面进行比较。

(1)技术方面。两个方案的技术理论依据基本一致,区别在于所采用的导水裂隙带高度不同。方案一采用独立煤层开采后的两个最高的导水裂隙带进行设计,而方案二则采用4层煤开采后的总的导水裂隙带设计,两者高差31 m,但都到达了长兴组。从技术上讲两者都可行、均不违规。

(2)安全方面。根据前面的验算结果,只需要考察两个方案因采用的导水裂隙带高度不同而导致的安全保障程度差异。

根据采空区水的富集规律,导水裂隙带上段的含水性差异大,受上部补给水源、导水构造、矿井抽排水等多因素影响,加之局部岩性的差异会导致导水裂隙带发育高度本身就有起伏。由于这两个方面的不确定因素,处在同一岩溶含水层中的两种计算方法得出的理想导水裂隙带,很难说其含水性有什么差别。

长兴组岩溶含水层含水性极弱,并且极不均匀,只有当实际的导水裂隙导通了岩溶通道,并有充足的补给水源时,对采空区才构成威胁。在这一点上两个方案都存在偶然性。

渝阳煤矿采空区冒落裂隙带水对小渔沱煤矿威胁最大的时段,出现在渝阳煤矿闭坑停止抽水后水位上升时,小渔沱煤矿又正好在上部条带回采。威胁的程度取决于两个矿井的导水裂隙带之间是否存在长兴岩溶通道导通。但不管如何,上部水只能通过40 m以上的冒落裂隙带逐渐进入小渔沱煤矿采面,只要措施得当,完全能保证不发生人员伤亡事故。况且在这一点上两个方案差别不大。

综上所述,两个方案的安全保障程度基本一致,应选择方案一,多回收煤炭资源。

采用方案一,最终确认6#、7#、8#、11#煤层的矿井隔离煤柱倾斜宽度分别为 64.33 m、74.34 m、85.29 m和112.56 m,各煤层煤柱分别采用煤柱边界点的平面坐标 X和 Y来表述。在煤层底板等高线图上,首先准确绘制矿井边界线,再根据图1分别将 EF、GH、IJ、CD煤柱分别投影到各自煤层的平面图上,最后依次求取所有边界点的平面坐标 X、Y。分煤层依次序将边界点坐标X、Y列表,同平面图、剖面图一起作为设计成果提交,便于今后准确无误地使用隔离煤柱设计成果。各煤层煤柱在平面图上均为条带状。

5 煤柱保护

相邻两矿在设计和生产过程中,都必须严格按照各煤层煤柱边界点坐标 X、Y进行控制,确保煤柱宽度和组合形状。由于勘探控制密度有限、煤层底板等高线存在误差,只能按照平面坐标 X、Y控制,各点的高程是近似值。相邻两矿均不得在隔离煤柱中进行采掘活动,不得破坏煤柱的完整性。治理瓦斯需要有少量抽采钻孔穿过煤柱时,必须从严控制钻孔数量,抽采完后必须立即进行严密填实。

6 结语

全面系统地分析客观地质条件和安全保障程度后,充分依据现有规范设计矿井隔离煤柱,并经多方面验算,设计成果是安全可靠的。本设计对矿区其它隔离煤柱的设计有重要的指导意义。在以后的生产过程中,发现新的导水构造时,必须沿导水构造留设防隔水煤柱。本文中提到的不确定因素较多,生产过程中在条件允许时应尽量予以查明,并依据查明情况对矿井隔离煤柱进行局部修正。

[1]曹树刚等.松藻矿区近水平煤层群开采地表移动规律的研究 [D].重庆:2001

[2]国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程 [M].北京:煤炭工业出版社,2000

[3]国家煤矿安全监察局.煤矿防治水规定 [M].北京:煤炭工业出版社,2009

[4]国家煤矿安全监察局.防治煤与瓦斯突出规定 [M].北京:煤炭工业出版社,2009

(责任编辑 张毅玲)

A case study of the design of coalm ine separating coal pillars

Wu Xianjun
(Songzao Coal&Electric Power Co L td,Qijiang,Chongqing 401445,China)

A

巫显钧 (1966-),男,四川泸州人,高级工程师,现任重庆松藻煤电有限责任公司地测科长,长期从事矿井地质、矿井水文地质、资源储量管理工作。