谢桥矿水体下煤层1202(1)工作面提高开采上限研究*

赵 明 赵 健 郑志阳

(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083)

★ 煤炭科技·开拓与开采 ★

谢桥矿水体下煤层1202(1)工作面提高开采上限研究*

赵 明 赵 健 郑志阳

(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083)

为提高谢桥煤矿松散含水层下1202(1)工作面开采上限，分析了井田内新生界冲积层结构及其含、隔水性，确定了工作面属Ⅱ类水体压煤，其主要影响水源为顶板砂岩裂隙水及中部含水层下段；建立工作面防水煤岩柱地层结构模型，运用理论分析和钻孔实测方法对两带发育高度进行预测；运用数值模拟方法模拟邻近煤层开采影响下，开采上限不同时工作面覆岩破坏场及覆岩水体渗流场的分布情况。研究表明，开采上限提高后，裂隙带将进一步发育并间接波及上部含水层，在保护层和工作面中部采空区覆岩压实作用下，含水层水体将主要渗流至工作面下端部，并最终流向底部松散区域。现场实践中，开采上限提高至-390 m安全可行，解放呆滞煤量3.5万t。

水体下采煤 开采上限 防水煤柱 垮落带 裂隙带 水体渗流 迹线

我国煤炭资源地域分布辽阔，矿井地质条件复杂，提高含水层下煤层的开采上限从而解放大量煤炭资源是煤矿生产和科研中的重要课题，对煤矿实现高产、高效及安全生产具有重要的现实意义。提高开采上限的基本原则是在保证安全开采的前提下进一步缩小安全煤柱的留设，最大限度地进行资源回收，进而取得良好的经济效益。合理的开采上限主要与上覆含水层结构、水体下防水岩层岩性、采动岩体破坏特征及开采方式等有关。近年来我国学者对此做出了大量的研究，提出了疏水开采、间歇开采等安全开采方法，并建立了含水层下综放开采、分层开采及充填开采等多种开采条件下的覆岩两带发育高度计算模型和合理安全煤柱宽度的确定方法，但仍未从根本上解决复杂水文地质条件下的高效、安全开采等问题。

谢桥煤矿位于淮北平原西南部，为特大型现代化矿井，煤系地层上覆盖有较厚的新生界松散层，厚度为194.0～485.64 m，平均384.8 m，钻探揭露的地层自上而下依次为第四系、第三系、二叠系、石炭系、奥陶系和寒武系。矿井在开采设计时预留了较大的防水煤柱，高度一般为50～80 m，其下压煤量达3560万t。随着矿井开采强度的不断加大，生产接替紧张和矿井储量不足的矛盾日益突出，为有效地延长矿井服务年限，提高工作面含水层下开采上限已成为矿井亟待解决的难题。为此，谢桥煤矿先后在西翼采区1201(3)、12128、12118、1222(3)W、1212(1)、1202(3)工作面，东一采区1101(3)工作面以及东二采区13118工作面均成功地进行了缩小防水煤柱开采。根据已有缩小防水煤柱的开采经验，矿井将本次目标工作面1202(1)工作面的开采上限由原来的-400 m 提高至-390 m。本文将研究工作面开采上限提高10 m后的安全可采性，并分析在邻近煤层开采影响下覆岩两带发育特征及含水层对工作面的影响程度，从而确定工作面开采的可行性。

1 工程及水文地质条件

1.1 工程地质特征

如图1所示，1202(1)工作面位于西一采区11-2煤层零阶段，走向长1065 m，倾斜长115 m，煤层厚度为1.4～3.6 m，平均2.6 m，平均倾角为13.7°。工作面回风巷煤层顶板标高为-389.7～-404.6 m，防水煤柱高50～80 m，有两段进入设计防水煤柱内，分别为开切眼以东258 m，及煤上山以西275.4 m，共计533.4 m。开采上限提高10 m后，提高段可采走向长度442.8 m，可采面积9750.3 m2，增加可采储量3.5万t。

图1 工作面巷道布置图

工作面煤层直接顶板以泥岩及砂质泥岩为主，平均厚2.43 m，老顶以粉细砂岩为主，平均厚8.51 m，煤层顶板为软弱～中硬型顶板，底板为泥岩及砂质泥岩。本面构造简单，倾向正断层有3条，最大落差1.9 m，对回采无影响。

1.2 工作面涌水水源分析

工作面上方主要含水层有新生界含隔水层(组)、二叠系顶板砂岩裂隙水。工作面上方新生界松散层平均厚384.8 m，从上向下分为上部含水层、上部隔水层、中部含水层、中部隔水层及底部红层等5个含隔水层(组)，对回采有影响的为顶板砂岩裂隙水及中部含水层下段(中含下段)。

(1)新生界含、隔水层(组)。中含下段标高为-328.74～-321.08 m，平均厚度为48.8 m，岩性主要为粘土及砂质粘土。中含下段含水层以湖滨相沉积为主，根据《谢桥井田煤系上覆第三系地层(红层)隔水性补勘验证评价报告》对新生界冲积层结构及含、隔水性对比分析，确认中含下段属于弱含水层。距工作面西北侧72 m处的D13下含-1钻孔资料显示，含水层平均厚度为23.5 m，多沉积固结状粘土及砂质粘土。该层水位标高h=+15.335 m，单位涌水量q=0.0585 L/(s·m)，富水性较弱。

工作面上方中部隔水层平均厚26.9m，分布稳定，岩性以粘土、砂质粘土为主，致密均一，多为固结状，可塑性较差，具有较好的隔水性能。工作面上方红层平均厚度为4.2 m，分布稳定，岩性以角砾岩、细砂岩为主，不含水，为一隔水层。据工作面附近钻孔揭示，中部隔水层与红层总厚度达31.4 m，可有效阻止中含下段及以上含水层对基岩的补给，隔水性能较好，可作为防水岩柱利用。

(2)风氧化带。基岩风氧化带岩性主要以砂质泥岩和风化泥岩为主，平均厚约30 m，发育较稳定，遇水受压后极易弥合，具隔水性能。根据矿井钻孔抽水试验资料显示，风化带裂隙单位涌水量q= 0.0055～0.0212 L/(s·m)，渗透系数k=0.0121～0.098 m/d。

(3)顶板砂岩裂隙水。根据11-2煤层内已回采的工作面资料，煤层老顶中局部裂隙发育，并赋存砂岩裂隙水，以静储量为主，无水源补给。11-2煤层3个工作面回采期间，最大涌水量25 m3/h，且衰减迅速，表明顶板砂岩富水性较弱。

顶板砂岩裂隙水为工作面主要出水源，同时，相邻的1212(1)工作面在采掘过程中也并未发生突水现象。矿井揭露的11-2煤层采掘工作面顶板砂岩裂隙水突水时的最大水量为25 m3/h，工作面回采时取1.6倍的保险系数计算最大涌水量为40 m3/h。综合分析工作面上方新生界含水层水文地质条件，对照《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《规程》)划分的水体采动类型，该类含水层属Ⅱ类水体压煤，即允许导水裂缝带波及松散弱含水层水体，但不允许垮落带波及该水体，因此，工作面具备缩小防水煤柱，提高开采上限的自然条件。

2 覆岩两带高度预计及安全可采性分析

2.1 防水煤岩柱地层结构模型建立

开采露头煤柱时，须留设一定的防水煤岩柱，其功能是防止地面水和地下水(包括松散层的含水层和基岩中的含水层)向工作面渗漏。防水煤岩柱尺寸应包括与采动影响相适应的两带以及作为安全保障在内的隔水层两部分尺寸，1202(1)工作面防水煤岩柱地层结构模型见图2。

图2 防水煤岩柱地层结构模型

煤层上方地层结构依次为底部红层、中部隔水层、中部含水层下段、中部含水层上段、上部隔水层、上部含水层及地表，其中，对回采有影响的含水层为中部含水层下段，为保证安全开采，防水安全煤岩柱高度、导水裂隙带高度、保护层厚度应满足以下条件：

(1)

式中：Hsh——防水安全煤岩柱高度；

Hli——导水裂隙带高度；

Hb——保护层厚度。

2.2 两带高度发育预计

有学者利用最小二乘法对潘谢矿区采动岩体裂隙发育高度的实测数据进行拟合计算，得出的工作面垮落带高度预计公式为：

(2)

裂隙带高度预计公式为：

(3)

式中：M——煤层采高，取2.6 m；

Hm——垮落带高度；

Hli——裂隙带高度。

将数据代入式(2)、(3)，计算得垮落带高度为10.87～13.37 m，裂隙带高度为48.78～52.78 m。采用《规程》中的两带高度计算公式(本面煤层顶板为软弱～中硬型顶板)计算出的垮落带高度为6.13～10.53 m，裂隙带高度为42.25 m。

为确定覆岩两带发育情况，1202(1)工作面在试采时共施工4个垮落孔，探测成果见表1。由垮落孔探测成果可知，回采工作面顶板为软弱～中硬型顶板，其中垮落带高度9.52～15.12 m，垮采比4.37～5.04，裂隙带高度38.79～45.22 m，裂采比15.07～18.47。

2.3 提高上限安全可采性分析

开采上限提高后，工作面留设的最小安全煤岩柱位于开切眼以东125 m处，回风巷道顶板标高为-390 m，其上方基岩面标高为-350 m，红层+中部隔水层厚度平均为30 m，煤岩柱高70 m。

由于工作面为Ⅱ类水体下压煤，因此，防水安全煤岩柱高度应大于垮落带高度与保护层厚度之和，即：

(4)

根据前文计算结果及探测成果，取垮落带高度最大预计值Hm=15.12 m，保护层厚度Hb取3倍的煤层采厚，1202(1)工作面平均采厚为2.6 m，所以保护层厚度Hb为7.8 m，煤岩柱高最小值Hsh为70 m，满足式(4)；取最大裂高值Hli=52.78 m，满足式(1)，说明工作面裂隙带并未波及到含水层，最小煤岩柱高度符合《规程》要求。同时，谢桥矿先后在西翼采区及东一采区、东二采区共8个工作面均成功地进行了缩小防水煤柱开采，取得了含水层下缩小防水煤柱开采的宝贵经验，故1202(1)工作面开采上限提高至-390 m是安全可行的。

表1 垮落孔探测成果

3 覆岩流固耦合数值分析

为系统、全面地反映工作面正常回采过程中的覆岩破坏规律及裂隙场渗流规律，运用FLAC2D数值模拟软件，在流固耦合模式下，根据邻近煤层不同工作面的实际开采顺序，模拟不同开采上限高度下工作面沿走向方向典型剖面的覆岩破坏场及渗流场的分布情况。工作面走向长壁布置，煤层及岩层倾角为13.7°，部分煤岩层物理力学参数见表2。

表2 煤岩物理力学参数

模拟地质剖面长640 m，高460 m，计算网格共计83200个单元。工作面位置示意图见图3，邻近煤层工作面实际回采顺序为12328工作面 →1212(3)工作面→12228工作面 →12128工作面→1212(1)工作面→1202(3)工作面→1202(1)工作面。

图3 工作面位置示意图

3.1 破坏场分析

模拟了1202(1)工作面回采至-400 m水平、-390 m水平围岩破坏区分布，模拟结果见图4。

图4 -400 m、-390 m水平破坏区分布

各煤层开挖后，工作面顶底板围岩以拉伸破坏为主，护巷煤柱则主要发生剪切破坏。历史工作面采空区垮落将引起上覆岩层发生不均匀沉降，随着1202(1)工作面开采上限的提高，工作面顶板拉伸破坏区将进一步向上发育，上部含水层也将发生拉伸破坏，进而发育一定的导水裂隙。工作面对上覆岩层的破坏并不充分，但随着工作面的不断推进，顶板裂隙将波及松散层并与含水层裂隙相互连通，含水层水体将通过导水裂隙逐渐渗流至工作面。

3.2 渗流分析

模拟了1202(1)工作面回采至-400 m水平、-390 m水平的煤岩层水体渗流迹线分布见图5。

图5 -400 m 、-390 m水平覆岩水体渗流迹线图

开采上限至-400 m水平时含水层水体渗流迹线呈现出地下水补给的主要特征。随着历史工作面的回采，上部含水层发生不均匀沉降，剖面中部产生塑性拉伸裂隙，进而分布向下的渗流迹线。采空区垮落后，覆岩发生塑性破坏，裂隙带逐步发育，水体进一步向采空区渗流，下部孔隙水压力及水头压力较大，因此8#煤层下部渗流迹线比较密集，渗流现象明显。开采上限提高至-390 m水平时，含水层水体下渗高度增加，流线加密，但工作面上方保护层隔水性较强，工作面回采对上覆岩层破坏程度较低，导水裂隙连通程度并不高，且中含下段含水层属弱含水层，因此流线止于保护层上部。同时，工作面中部采空区上覆岩层垮落压实后产生一定的隔水性，流线仅出现在工作面下端部，对工作面影响有限，并不会发生严重的突水事故，因此，开采上限提高至-390 m是安全可行的。

4 工程应用

4.1 采场矿压分析

1202(1)工作面在开采开切眼以东提高上限段时，利用KJ345矿用液压支架工作阻力远距离监测系统进行了矿压观测。工作面共设立8个监测站，对76架支架中的8架支架进行了监测，如图6所示。在监测时间段内，支架压力峰值在35 MPa 左右变化，动载系数为1.4～2.05，顶板周期来压步距为20.4 m，顶板垮落高度为8.17～12.5 m，矿压显现比较明显。回风巷两帮收敛量及顶底移近量均在8 mm/d，工作面仅在局部发生片帮，顶板碎涨后可以较充分地充填采空区。同时，支架来压时序基本一致，整体受力状态较好，前后立柱受力均衡，回采期间周期来压显现明显，说明上覆采动岩体垮落后能够形成稳定的结构，从而保证工作面开采的安全性和可靠性。

图6 工作面测站布置示意图

4.2 工作面涌水分析

1202(1)工作面在开切眼以东258 m及煤上山以西275.4 m两处提高上限段时均未发生突水，仅顶板有不同程度的滴、淋水现象，出水多发生在砂岩直接覆盖地段。其中，开切眼以东92～228 m处，工作面下端部1#～22#支架处顶板出现了几次较强的滴、淋水现象；煤上山以西111 m处，工作面出现了较强的涌水现象，初始水量为20 m3/h，最大涌水量为34 m3/h，最后衰减为0，累计出水1080 m3，出水水源为顶板砂岩裂隙水。同时，工作面涌水与矿压显现呈现出明显的相关性，顶板来压时通常伴随着大范围淋水，生产时根据矿压显现规律成功地对两处提高上限段进行了5次出水预报，有效地指导了矿井安全生产。

4.3 提高开采上限技术经济评价

1202(1)工作面开采上限提高10 m后，增加可采储量3.5万t，延缓了工作面回采时间2个月。1202(1)工作面提高开采上限的成功实践可为本煤层及其它邻近煤层缩小防水煤柱开采提供良好的借鉴。

5 结论

(1)工作面具备缩小防水煤柱、提高开采上限的自然条件，理论计算和垮落孔探测结果得出垮落带最大高度为15.12 m，裂隙带最大高度为52.78 m，工作面最小防水煤岩柱高度符合安全开采要求。

(2)受邻近煤层开采影响，开采上限提高后，1202(1)工作面裂隙带将进一步向上发育并与含水层裂隙联通。由于工作面上方保护层隔水性较好，因此，渗流至工作面水量有限，且水体主要通过导水通道渗流至下部松散区域。

(3)工作面回采期间矿压显现比较强烈，周期来压现象明显，采动岩体垮落后结构稳定。工作面回采过程中并未发生突水事故，且工作面涌水均在可控范围内，开采上限提高至-390 m水平安全可行，技术经济效益显著。

[1]张国桥，李钢.煤炭绿色开采技术及其应用.中国煤炭，2008(8)

[2]胡绞脐，胡耀青.老空区边界防水煤(岩)柱留设的研究.太原理工大学学报，2016 (2)

[3]许延春，张旗，李江华等.第三系砂砾含水层下工作面综放开采可行性研究.中国煤炭，2013(12)

[4]孙爱国，杨耀文，吴俊松.五沟煤矿F13断层防水煤柱留设研究.煤矿安全，2016(2)

[5]田玉新，孙如华，李帅.导水裂隙带高度确定方法研究.中国煤炭，2013(9)

[6]李正杰，王之永，王利峰等.特厚煤层综放开采出水压架预警机制及防治体系.中国煤炭，2015(8)

[7]卜万奎.潘谢矿区Ⅰ、Ⅱ型水体下防水煤岩柱留设探讨.中国煤炭，2012(4)

田玉新，孙如华，李帅.导水裂隙带高度确定方法研究.中国煤炭，2013(9)

[8]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.北京：煤炭工业出版社，2000

[10]许延春，刘世奇.水体下综放开采的安全煤岩柱留设方法研究.煤炭科学技术，2011(11)

[11]施龙青，辛恒奇，翟培合等.大采深条件下导水裂隙带高度计算研究.中国矿业大学学报，2012 (1)

[12]涂敏.潘谢矿区采动岩体裂隙发育高度的研究.煤炭学报，2004 (6)

(责任编辑 张毅玲)

Study on extending mining upper limit of 1202(1) working face under water body in Xieqiao Coal Mine

Zhao Ming, Zhao Jian, Zheng Zhiyang

(College of Resources and Safety Engineering, China University of Mining and Technology,Beijing, Haidian, Beijing 100083, China)

To extend mining upper limit of 1202(1) working face under loose aquifer in Xieqiao Coal Mine, it was affirmed that the face was below water bodies which was belong to case-II waters, and the main water sources were roof sandstone fissure water and the lower segment of the middle aquifer based on the contrastive analysis of the structure of Cenozoic alluvium and it’s aquosity and water-resisting property. The workability was determined preliminary by building the stratigraphic structural model of waterproof pillar and applying the theory analysis and drilling measurement method to predict the height of the "two zones". The distribution of failure field of the overlying strata and seepage field of overlying water-body with the influence of the adjacent coal seams mining were acquired by using numerical simulation method when the mining upper limit of 1202(1) face was different. The research showed that the fissure zone would further develop and spread to upper aquifer indirectly after extending the upper limit of 1202(1) face, and under the influence of the protective layer and the goaf strata compaction of the central face, the water of the aquifer would mainly transfer to the bottom of the face, and then seep to the loose area at the bottom eventually. In the field practice, it was safe and feasible to extend the mining upper limit to -390 m level and the liberated stagnant coal was 35000 t.

mining under water body, upper limit of mining, waterproof pillar, caving zone, fissure zone, water seepage, path line

高等学校博士学科点专项科研基金(20120023110023)

TD 823.83

A

赵明(1989-)，黑龙江肇东人，中国矿业大学(北京)在读博士研究生，从事矿山压力与岩层控制方面的研究工作。