超薄基岩下采煤防水煤岩柱合理高度的研究

2013-12-18周增强张枫林

中国矿业 2013年10期

周增强,张枫林

(皖北煤电集团有限责任公司百善煤矿，安徽淮北 235154)

我国华东、华北等矿区许多煤矿普遍存在着厚含水松散层，加上基岩受强风氧化影响后变薄(煤岩柱厚度小于20m)，煤层顶板岩层裂隙发育，孔隙率高且强度低。煤层开采以后形成的冒落带和导水裂隙带可能会波及含水层导致突水溃砂事故的发生，给煤矿的安全生产带来巨大的损失[1-3]。类似条件下煤炭的无法安全开采，不仅浪费了大量的资源，也严重制约着矿井的可持续发展。

目前，国内外学者对强风氧化超薄基岩下煤层开采做了大量的研究，主要集中在水文地质条件及其渗透稳定性方面，但是对煤层开采以后覆岩变形破坏移动规律研究较少，这也在一定程度上影响着类似地质条件下煤炭的开采。

本研究结合百善煤矿64试验采区超薄基岩区域地质及水文条件，系统分析了顶板岩层的渗透性及稳定性，通过大量的现场实测和实验室试验，设计了合理的保护煤柱和采煤方法，共安全采出煤炭32.45万t，不仅给矿井带来了巨大的经济效益，也可以为我国风氧化带内煤层安全开采提供一定参考。

1 采矿地质条件

1.1 煤层赋存特征

64试验开采区域属于风氧化带内，煤层底板标高-101.3～-122.5m，平均煤厚2.8m，煤层倾角3～11°，平均倾角6°，煤层结构较简单。

顶板位于风氧化带内，岩性为细砂岩与泥岩互层，由于风化作用，越接近基岩面，泥化现象越强烈。该块段基岩厚度为7.7～20m(风氧化带下界)，其中强风化深度为4.7～18.3m，平均为10m。区域顶底板综合柱状图如图1所示。

1.2 水文地质特征

根据该区域内的150多个钻孔资料，区域内松散层有一、二、三共3个含(隔)水层，其中一、二含水层分布稳定，由于一、二隔水层的隔水性能良好，因而对矿井生产无直接影响。第三含水层分布稳定，厚20.0～35.2m，以粉砂、黏土质砂为主，单位涌水量q=0.1050～0.419L/s·m，渗透系数K=0.696～2.750m/d，为中等富水性含水层。松散层“三含”厚度分布如图2所示。

图1 区域顶底板综合柱状图

图2 松散层“三含”等厚线示意

第三隔水层，以黏土、砂质黏土为主。岩芯破碎，强风化。“三隔”沉积物覆盖于二迭系煤系地层之上，导致“三隔”厚度变化较大，由南向北逐渐变薄尖灭，在该区域东南部地段较薄或缺失。松散层“三隔”厚度分布如图3所示。

图3 松散层“三隔”等厚线

2 岩性特征及渗透水性分析

通过风氧化带岩石的单轴抗拉(压)试验、电子显微镜，蠕变等实验室试验，得到其物理力学特性主要为：风氧化带岩层的岩石强度显著降低；同时，岩体的孔隙率较高，饱和含水量较大，泥岩和砂岩遭风化后其黏土矿物含量较高，浸水后极易膨胀泥化，使得塑性和抗变形破坏能力增强，对采动引起的裂隙发育和导水性具有明显的抑制和减弱作用。因此，岩层具有阻隔水能力和扰动后再生隔水性能[4-5]。

大量的现场观测和实践表明：风氧化带岩体在上覆岩层和自身荷载以及采动影响的作用下，具有缓慢固结压缩特性，可以使部分原生以及采动裂隙闭合、压实，这样，使得其渗透水能力进一步弱化。

3 导水裂隙带实测分析

为了对比分析非风氧化和风氧化基岩区域工作面开采后上覆岩层中的冒落带、导水裂缝带发育情况，分别在这两个区域的工作面开采完毕后，在各个工作面的上下边界以及中部施工了“两带”观测孔，观测结果如图4、图5所示。

图4 非风氧化基岩区域工作面冒采、裂采比

图5 风氧化超薄基岩区域工作面冒采、裂采比

对比图4、图5可知，风氧化带开采冒落带高度和裂隙带高度均明显小于非风氧化带内开采引起的高度。通过对钻孔资料、现场分析和室内大量实测发现，当大部分岩层风化后，围岩的力学强度降低，易于泥化，塑性增强；围岩性质的这种变化，使得泥化后的围岩层具有一定的隔水性，并抑制冒落裂隙带进一步向上扩展[6-7]，导致岩层破坏移动变得缓和，矿压显现值减小，裂隙发育程度和导水性减弱。可以说在一定的条件下，风化带的存在有利于含水松散层下缩小防护煤柱，提高开采上限。因而，顶板为风化破碎软弱岩时随工作面的推进、时间的延长，其顶部裂隙逐渐受压弥合，致使导水裂隙带高度回缩下降。覆岩导水裂隙经历了“发育—最大高度—下降—稳定”的过程。在围岩层活跃期形成漏水量较大的导水裂隙带，随时间的延长变为导水性弱的裂隙段、不漏水段，甚至形成隔水层段。