松散含水层下提高开采上限研究与实践

2016-11-11陈喜恩

采矿与岩层控制工程学报 2016年5期

关键词：导水覆岩基岩

陈喜恩

(平顶山天安煤业股份有限公司十三矿，河南襄城 461700)

松散含水层下提高开采上限研究与实践

陈喜恩

(平顶山天安煤业股份有限公司十三矿，河南襄城 461700)

基于井田已有地质、水文资料和第四系水文地质补充勘探的基础上，吸收国内类似水体下开采的实践经验，分析研究了提高开采上限压煤区的水文地质、开采条件。通过研究与实践，工作面第一分层已安全地采出第四系松散含水层下0.618Mt煤炭，结果表明采用合理的开采方法缩小防水煤柱，提高开采上限，对解放全区水体下压煤具有十分重要的意义。

松散含水层；开采上限；防水煤柱

Studying and Practical of Improving Mining Upper Limit under Loose Aquifer

平顶山天安煤业股份有限公司十三矿(以下简称十三矿)各可采煤层浅部大部分处在汝河及其厚冲积层下，因第四系地层结构复杂，中间发育有三层松散含水层，造成浅部煤层开采受第四系松散含水层影响较大。为确保矿井安全，武汉设计院在矿井设计时在己组煤层浅部-185～-200m以上留设了防水煤柱，煤柱压二1煤12.923Mt。其中，已一采区西翼二1煤层防水煤柱最大高度为140m，使大量的煤炭资源成为“呆滞”(压煤3.664Mt)，不能进行开发利用。为了解放矿井因留设煤柱“呆滞”煤量，提高矿井资源采出率和延长矿井服务年限，开展了工作面上覆松散层结构及含隔水性、松散层下基岩风化带厚度及含水性、基岩岩性结构和厚度及防隔水性能、采动覆岩破坏、两带发育高度等规律[1]和试采方法的优化、防水煤岩柱的设计及安全度评估等调研工作，在此基础上十三矿成功实施了松散含水层下提高开采上限的设计开采[2-3]。

1　提高开采上限可行性分析

1.1水体及含水层对开采的影响分析

(1)地表水体提高开采上限区东南部地表有汝河流过，其历年最高洪水位标高+86.10～+93.00m，最大洪流量3950m3/s。汝河距离提高回采上限区域较远，其对己组煤层的开采不直接造成影响。

(2)第四系砾石含水层由于水文地质补充勘查(图1)，第四系地层厚度158.75～177.05m，自上而下分为3个中等富水性的砂砾石含水层

(Q上，Q下2，Q下1)和3个稳定黏土隔水层(Q上～Q下2，Q下2～Q下1，Q下1～基岩)。Q上与Q下2之间黏土层厚度13.45～16.10m；Q下2与Q下1之间黏土层厚度17.35～39.10m。由于上、中部含水层之下赋存有稳定的黏土隔水层且与下部含水层没有水力联系，因此，对开采不会产生影响。

Q下1与基岩之间黏土层厚度16.60～52.30m，这些黏土隔水层阻隔了各砾石含水层之间的水力联系，特别是Q1，Q2，Q4钻孔抽水试验证实Q下1与Q下2之间没有水力联系，加之Q下1底板赋存层位稳定的黏土层，从而减少了煤层开采过程中第四系地下水直接溃入矿井的可能。

但区内4114钻孔出现Q下“天窗”现象。由于4114钻孔Q下含水层下没有黏土隔水层，因此，Q下1含水层在“天窗”区将对该区域的开采构成一定的影响，在“天窗”区域需增大留设防水煤岩柱尺寸。

(3)顶板含水层该区域煤层顶板中含水层不多，含水性不强，其中砂岩含水层单位涌水量仅0.0041～0.0074L/(s·m)，渗透系数0.0101～0.0521m/d，属于弱含水层。虽然开采中导水裂缝带将波及到砂岩含水层，但由于顶板砂岩水含量不大，一般不会对矿井开采造成严重影响。在局部砂岩厚度大、裂隙发育地段可能会导致矿井涌水量增大，但由于上覆岩层中的隔水层作用，砂岩水的补给量有限，且砂岩水基本为静储量，随着开采疏降，矿井涌水量会逐渐减小。因此，顶板砂岩含水层对开采影响不大[4]。

(4)断层对开采的影响分析矿井断层多以高角度正断层为主，走向近NEE居多。已一采区西翼为侯村正断层，倾角60°，落差9～21m，经查证，该断层含水性弱。从附近工作面来看，该区域落差小于5m的断层很多，但对开采均未产生影响[5-6]。

综上所述，区内对二1煤层开采有一定影响的水体或含水层只有Q下1含水层，但该含水层的单位涌水量为0.403～0.611L/(s·m)，属于富水性中等的含水层。

图1　第四系水文地质补充勘探工程布置

1.2基岩的防隔水性能

二1煤层顶板覆岩基本为泥岩、砂质泥岩和砂岩互层结构，这种岩性结构，有利于控制顶板垮落开裂高度。当煤层开采后，由于坚硬岩层的支撑，处在下部的软弱岩层可以得到充分的垮落、碎胀，并对采空区进行充填。只有当软弱岩层充分垮落之后，剩余采空区才会引起上部坚硬岩层的垮落充填。如果软弱岩层的垮落、碎胀和充填物能接触到坚硬岩层，则硬岩层就不会再继续往上垮落，从而实现对覆岩破坏高度的控制[7]。

根据观4孔、4001和4006孔提供的资料表明覆岩软硬交互、含水层与隔水层交互特征比较明显。观4孔所示的含煤段中，泥岩类岩层厚度为44.38m，占含煤段总厚度的81%；在4001孔所示的含煤段中，泥岩类岩层厚度为21.39m，占含煤段总厚度的66%；在4006孔所示的含煤段中，泥岩类岩层厚度为24.3m，占含煤段总厚度的29%；这种软硬交互结构的覆岩岩体，使岩体强度大大降低，由于岩体强度的降低，对开采后抑制覆岩破坏和导水裂缝高度非常有利。

1.3基岩风化带比原设计厚度薄

通过此次补充勘探得知，基岩风化带厚度在拟缩小防隔水煤(岩)柱区域变化较大，原设计参考的厚度28～74m，平均47m，而补充勘探确定仅为1.5m，风化带对煤岩防水性的影响较弱，有利于提高开采上限。

通过进行水文地质补充勘探，并根据区内第四系、基岩的含水层、隔水层影响分析得知各含水层之间没有水力联系；基岩为软硬交互结构的覆岩岩体，使岩体强度大大降低，由于岩体强度的降低，对开采后抑制覆岩破坏和导水裂缝高度非常有利[8]；基岩风化带厚度仅为1.5m，而原设计参考地质资料平均47m，风化带大范围缩小，对防隔水煤(岩)柱厚度的影响较小。因此，缩小防隔水煤(岩)柱尺寸，提高开采上限是可行的。

2　提高开采上限方案设计

由补充勘探钻孔可知，区内地层主要为中砂岩、细粉砂岩、砂质泥岩和泥岩，岩石物理力学性质试验表明岩层的单轴抗压强度多在20～40MPa之间，只有个别细砂岩和砂质泥岩岩样的抗压强度在50～70MPa之间。根据覆岩岩性分类标准，提高开采上限区内覆岩类型为中硬类。

2.1分层开采

根据已知钻孔和补充勘探钻孔得知，二1煤平均厚5.3m。采用人工假顶分层开采的方式，即第一分层开采3m，第二分层开采2.3m。

(1)覆岩破坏最大高度根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(以下简称“三下”采煤规程)中厚煤层分层开采的导水裂缝带高度计算公式，中硬岩层的两个计算公式为：

(1)

(2)

式中，Hi取两者中的最大值，即导水裂缝带高度为56m。

(2)保护层厚度水文补充勘探Q下1下伏16.60～52.30m厚层黏土，大于累计采厚，但4114钻孔揭露Q下1无黏土层。为此，根据“三下”采煤规程中防水安全煤岩柱保护层厚度表，综合考虑Q下1下伏黏土层作用范围，在提高开采上限区西部按照“中硬岩层对应的松散层底部黏性土层厚度大于累计采厚采用3A”计算保护层厚度；在提高开采上限区西翼压煤区东部按照“中硬岩层对应的松散层底部无黏性土层采用6A”计算保护层厚度。则保护层厚度计算公式为：

(3)

(4)

(3)防水安全煤柱高度及开采上限分层综采导水裂缝带最大高度为56m，提高开采上限区西部保护层厚度为7.95m，取8m，防隔水煤(岩)柱高度为64m；提高开采上限区东部保护层厚度15.9m，防隔水煤(岩)柱高度为71.9m。即提高开采上限区西部基岩厚度大于64m、东部基岩厚度大于71.9m区域可以采用分层综采方法进行开采。提高开采上限区域原开采标高为-180～-203m，提高开采上限后开采上限标高为-142～-155m，解放“呆滞”资源量约为1.766Mt。

2.2综采放顶煤开采

(1)覆岩破坏最大高度目前，国内已知的中硬岩性条件下导水裂缝带高度最大约为15倍采高。针对十三矿而言，己组煤覆岩软硬交互，且泥岩类岩层厚度较大，这种软硬交互结构的覆岩岩体使岩体强度大大降低，对开采后抑制覆岩破坏和导水裂缝高度非常有利。因此，十三矿综采放顶煤导水裂缝带最大高度取采高的12倍，提高上限开采区域煤厚平均5.3m，导水裂缝带最大高度为63.60m。

(2)保护层厚度许延春研究员根据30多个综放开采工作面覆岩“两带”高度实测值研究，采用最小安全厚度法确定中硬岩性中等含水条件下综采放顶煤保护层厚度一般为3倍综放开采高度，即15.9m。

(3)防水安全煤柱高度及开采上限综采放顶煤导水裂缝带最大高度为63.60m，保护层厚度为15.9m，防隔水煤(岩)柱高度为79.5m，即基岩厚度大于79.5m区域可以采用综采放顶煤方法进行开采，提高开采上限区域原开采标高为-180～-203m，提高开采上限后开采上限标高为-148～-168m，解放“呆滞”资源量约为1.381Mt。

2.3采高4m综采

(1)覆岩破坏最大高度工作面埋深150～350m，走向长1480m，平均倾斜长306m，开采煤厚平均5.3m，覆岩属于中硬岩类。该工作面采用彩色钻孔电视、钻孔冲洗液消耗量及瞬变电磁3种方法综合探测，探测结果为：该工作面覆岩破坏导水裂缝带高度62.5m，裂采比为11.8。从偏于安全考虑，本次导水裂缝带高度计算裂采比采用12.5，即：Hi=12.5H=12.5×4=50(m)

(2)保护层厚度采高大于4m情况下，“三下”采煤规程未规定保护层的厚度选取方法。根据经验，保护层厚度一般为5倍采高，即为5×4=20(m)。

(3)防水安全煤柱高度及开采上限最大采高4m的综合机械化开采导水裂缝带最大高度为50m，保护层厚度为20m，防隔水煤(岩)柱高度为70m，即基岩厚度大于70m区域可以采用最大采高4m的综合机械化开采方法进行开采，提高开采上限区域原开采标高为-180～-203m，提高开采上限后开采上限标高为-140～-158m，解放“呆滞”资源量约为1.312Mt。

2.4最大采高3m综采

根据分层开采方法进行计算。

(1)覆岩破坏最大高度

取两者中的最大值，即导水裂缝带高度为44.64m。

(2)保护层厚度

HB西部=3A=3×3=9(m)，

HB东部=6A=6×3=18(m)。

(3)防水安全煤柱高度及开采上限

最大采高3m的综合机械化开采的导水裂缝带最大高度为44.64m。提高开采上限区西部保护层厚度为9m，防隔水煤(岩)柱高度为53.64m；提高开采上限区东部保护层厚度18m，防隔水煤(岩)柱高度为62.64m。即提高开采上限区西部基岩厚度大于53.64m、东部基岩厚度大于62.64m区域可以采用最大采高3m综采。提高开采上限区域原开采标高为-180～-203m，开采上限提高后开采上限标高为-133～-146m，解放“呆滞”资源量约为1.211Mt。

2.5分区段分层开采(3m+2.3m)根据上述最大采高3m综采计算结果可知，提高开采上限区西部基岩厚度大于53.64m、东部基岩厚度大于62.64m区域可以采用最大采高3m综采；根据分层综采计算结果可知，提高开采上限区西部基岩厚度大于64m、东部基岩厚度大于71.9m区域可以采用3m+2.3m分层综采方法进行开采。

结合2个方案计算结果，可以将2个方案进行融合优化得出分区段分层开采(3m+2.3m)方案，即前期在提高开采上限区西部基岩厚度大于53.64m区域、东部基岩厚度大于62.64m区域采用最大采高3m综采，其开采上限标高为-133～-146m。待上分层开采结束后，在该区内西部基岩厚度大于64m区域、东部基岩厚度大于71.9m区域采用3m+2.3m分层综采方法进行开采，开采厚度为2.3m，开采上限标高为-142～-155m。解放“呆滞”资源量约为1.977Mt。

2.6试采工作面方案

综合考虑开采资源最大化和矿井安全生产，确定分区段分层开采(3m+2.3m)为试采方案。