推覆构造含水体下缩小防水煤柱开采研究与实践

2014-01-15傅先杰

华北科技学院学报 2014年9期

傅先杰

((国投新集能源股份有限公司,安徽淮南 232001))

国投新集公司新集二矿属地表水体、新生界冲积松散层水体和全国少有的推覆构造产生的推覆构造含水体下采煤。各煤层浅部均按规定留设80m防水煤柱，压煤5237万吨。防水煤柱留设在许多情况下研究得较多，如贾剑青等研究的急倾斜工作面情况下防水煤柱留设[1]，尹尚先教授研究的陷落柱情况下防水煤柱留设[2]，施龙青等研究的采场底板断层情况下防水煤柱留设[3]等等。然而推覆构造含水体下采煤方面的研究工作较少，除了合肥煤炭设计研究院刘建华、汪大发[4]和国投新集公司刘厚富、方运买、张五兵[5、6]做过些许研究外，该领域存在很大空白。因此，在推覆构造含水体下合理缩小防水煤柱开采，多回收煤炭资源，延长矿井服务年限是一个重要课题[7、8]。

1 煤层覆岩水文及工程地质条件研究

1.1 井田地质

井田位于淮南复向斜颖凤区阜凤逆冲断层为主体的迭瓦状推覆构造中段，推覆构造发育有阜凤下夹片断层、F02等分支断层，构造线方向近东西(见图1)。

图1 井田构造示意图

推覆构造将外来老地层推覆于原地系统之上，形成纵向上四套式地层结构。浅部为新生界流砂冲积层。中部为外来老地层的推覆构造含水体，其中，F02断层以南为下元古界片麻岩和奥陶系、石炭一二叠系地层，含灰岩；F02断层以北为寒武系地层，主要为灰岩。深部为原地二叠系煤系地层。底部为原地太原群灰岩及其以下地层等。可采煤层14层，总厚35.37 m，主采煤层自上而下有13-1、11-2、8、6-1、1煤层。

1.2 制约各煤层缩小防水煤柱开采的含水层

覆岩中，对11-2煤及其以下煤层缩小防水煤柱开采有直接影响的含水层有：推覆构造含水体下元古界片麻岩裂隙承压含水层、下夹片灰岩岩溶裂隙承压含水层和推覆构造带及其分支夹片断层。

对13-1煤层缩小防水煤柱开采有直接影响的含水层有：推覆构造含水体下元古界片麻岩裂隙承压含水层、体寒武系灰岩岩溶裂隙承压含水层和推覆构造带及其分支夹片断层(见图2)。

图2 井田倾向地质剖面和推覆构造含水体含水层示意图

1.3 开采覆岩水文及工程地质条件

1.3.1 推覆构造含水体下元古界片麻岩裂隙承压含水层

该层由花岗片麻岩、角闪片麻岩及混合片麻岩组成，沿走向覆盖于F02断层以南下夹片地层之上，最大厚度475.52 m，揭露漏水钻孔5个，漏水率占15%，漏失量均小于10 m3/h，漏水点均处于中上部，其他层位无出水点，故中上部富水性强而下部富水性弱。

该片麻岩裂隙承压含水层的浅部风化带岩石松散破碎，强度低；中部完整带岩石致密坚硬，强度高；底部破碎带受构造影响，岩石完整性差，强度低。

研究表明，推覆构造含水体下元古界片麻岩地层下部水文地质及工程地质条件为缩小防水煤柱开采有利条件。

1.3.2 推覆构造含水体下夹片灰岩岩溶裂隙承压含水层

该层位于阜凤逆冲断层、推覆构造含水体下元古界片麻岩下，呈细长带状透镜体顺走向直接叠覆于11-2煤及以下煤层露头之上。由石炭～二叠系、奥陶系砂岩、泥岩、煤层、灰岩组成，厚为0～183 m。其中灰岩占34%，分布于下夹片地层中上部，为主要含水层，岩溶发育，富水性强．而底部富水性弱。

下夹片为推覆构造裹带体，软弱结构面多，强度低，为软弱类覆岩。

研究表明，推覆构造含水体下夹片地层下部水文地质及工程地质条件为缩小防水煤柱开采有利条件。

1.3.3 推覆构造带及其分支夹片断层

推覆构造带即阜凤逆冲断层及分支夹片断层，为挤压性质，由砂岩、泥岩、煤屑受挤压经泥质胶结而成。富水性弱，自然条件下呈压性闭合状态，导水性差；岩石破碎，完整性差；在煤层露头控制程度差，直接影响防水煤柱留设。

研究表明，推覆构造带及其分支夹片断层在自然状态下的水文地质及工程地质条件为缩小防水煤柱开采有利条件。

1.3.4 推覆构造含水体寒武系灰岩岩溶裂隙承压含水层

综合研究井田19个揭露推覆构造含水体寒武系地层的勘探孔资料和井上、下钻探及水文地质试验成果，对比淮南区域寒武系地层取得了技术成果。

1) 推覆构造含水体寒武系地层埋深42.2～939.6 m、厚14.8～843 m，位于F02断层以北与阜凤逆冲断层之间13-1煤之上，剖面上呈Y型分布，底界面为阜凤逆冲断层，上覆新生界松散层，下伏煤系地层。

2) 地层走向近东西，倾向北，倾角80～90°，主要为灰岩、砂泥岩,砂岩次之。以寒武系下统为主、中统次之，即F10断层以南13-1煤上覆为寒武系下统的综红色砂泥岩夹数层灰岩的镘头组和上部为白云质灰岩、中部为白云质灰岩与泥灰岩互层、下部为砂质灰岩的猴家山组，富水性相对比较弱。而寒武系地层中相对富水强的中统张夏组分布在F10断层以北。

3) 溶隙为主，溶洞及溶孔次之，岩溶及漏水分布在风化带，其下次之。q=0.0006～0.981 L/(s·m)，平面及垂向分布不均，受层组制约。

4) 寒武系地下水沿走向迳流畅通，沿倾向及向底有联系但滞后，仅东部为给水边界，其余为隔水边界。

研究表明，F10断层以南13-1煤上覆推覆构造含水体寒武系地层水文地质及工程地质条件为缩小防水煤柱开采有利条件。

1.4 覆岩破坏研究

1.4.1 研究的条件和方法

井田内-500 m水平以上，开采煤层倾角一般为10°、局部增大至15°，煤厚3.5 m。观测结果表明，综采一次采全高3.5 m、月推进120 m时工作面老顶来压步距一般为5～30 m。

最大导水裂隙带高度是评价防水煤岩柱安全质量的重要参数。在研究煤层覆岩水文、工程地质条件及大量岩体物理力学试验的基础上，确定地质模型。采用相似材料模拟和数值模拟二种方法研究覆岩破坏规律。

1.4.2 相似材料模拟研究覆岩破坏规律

结合理论分析计算及矿井调查资料给定参数，建立计算模型，用大型非线性ADINA程序进行相似材料模拟此种开采水文地质及工程地质条件下综采一次采全高、开采中厚煤层的弹塑有限元分析，从而揭示采后覆岩内部应力变形、破坏的规律性：

1) 13-1煤及其以下煤层开采覆岩富水性弱、软弱一中硬覆岩类型，为缩小防水煤柱、提高开采上限开采提供可行性条件。

2) 最大导水裂隙带高度一般分布于开采边界附近的支撑应力较大位置，走向及倾向均呈两端高、中间低的“马鞍”型。

3) 冒落带高度为采厚的2～5倍，最大导水裂隙带高度为采厚的8～15倍。

1.4.3 数值模拟法研究覆岩破坏规律

根据本井田回采观测，工作面老顶来压步距一般为5～30 m。因此，本研究采用数值模拟法，计算出煤层倾角10°、来压步距为30 m时煤层顶板中应力差分布规律见图3，煤层倾角15°、来压步距为30 m时煤层顶板中应力差分布规律见图4。从图中可以看出：

图3 煤层倾角10°空顶距30 m应力差等值线

图4 煤层倾角15°空顶距30 m应力差等值线

1) 采厚3.5 m、煤层倾角10°、老顶来压步距30 m时，导水裂隙带最大发育高度为41.3 m；采厚3.5 m、煤层倾角15°、老顶来压步距30 m时，导水裂隙带最大发育高度为43.7 m。

2) 煤层倾角小于30°时，导水裂隙带最大发育高度随煤层倾角增大而增大的趋势并不明显；来压步距超过30 m后，其对导水裂隙发育影响也不显著。

二种方法研究成果表明：煤层倾角小于30°，综采一次采全高3.5 m、月推进120 m时，开采产生的最大导水裂隙带高度不超过45 m。

2 开采实践

2.1 缩小防水煤柱依据

根据研究成果，缩小防水煤柱依据为：

1) 覆岩推覆构造含水体片麻岩、下夹片地层底部和F10断层以南寒武系地层为弱含水层，可作为防水岩柱对待，允许最大导水裂隙带高度进入其底部。

2) 根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》和井下超前探水成果，缩小防水煤柱时，工作面按Ⅱ水体采动等级留设防水煤岩柱和保护层，即防水煤岩柱不小于65 m。确保最大裂高波及不到覆岩下夹片上部灰岩含水层和片麻岩、寒武系灰岩地层中上部富水的含水层。

2.2 防水煤柱留设及试采实践

实践证明，缩小防水煤柱时留设的防水煤岩柱留设安全可靠，工作面回采时涌水量为20～98 m3/h，防排水措施得力，开采成功。已安全成功回采缩小防水煤柱工作面16个，在80 m防水煤柱内回收煤炭资源393.7万吨。其中，13-1煤层3个工作面，回收防水煤柱煤炭资源86.3万吨；11-2煤层4个面，回收防水煤柱资源136.5万吨；8煤层6个面，回收防水煤柱资源85.5万吨；6-1煤层3个面，回收防水煤柱资源84.8万吨。具体见表1。