近含水体工作面综放开采安全煤岩柱留设及安全回采厚度确定

许延春，刘中华，杜明泽，郭文砚，王 潇，张星宇

(1.中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京 100083；2.多伦协鑫煤业股份有限公司，内蒙古 多伦 027300)

近含水体工作面综放开采安全煤岩柱留设及安全回采厚度确定

许延春1，刘中华1，杜明泽1，郭文砚1，王 潇2，张星宇1

(1.中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京 100083；2.多伦协鑫煤业股份有限公司，内蒙古 多伦 027300)

针对协鑫煤矿1708-1工作面近含水体(上覆砂砾岩含水层与边界浸入体含水层)安全开采的问题，通过1703-1现场实测与理论分析确定了1708-1工作面开采的垮采比和裂采比，并根据安全煤(岩)柱的留设要求及基岩厚度，计算得出工作面的安全回采厚度。结果表明：1708-1工作面覆岩破坏垮采比的预计值为5.61，裂采比为12.21；考虑边界含水浸入体的补给，工作面的安全回采厚度为：“底砾区”(Ⅰ区)距第一开切眼100m和100～240m范围内安全采放厚度分别为3m和6.71m；工作面中部“底黏区”(Ⅱ区)240～530m范围内安全采放厚度为9.51m，530～730m范围内为危险区域，需通过注浆改造等措施实现安全开采，采放厚度为2.7m，730～1222m范围内可通过限厚开采实现安全开采，限厚采放厚度为4.16m；停采线附近“底砾区”(Ⅲ区)1222～1528m范围内不予开采。

安全煤(岩)柱；安全回采厚度；限厚开采；浸入体含水层

矿井水害事故频发已严重制约我国煤矿的高产高效及安全开采[1]，而合理留设安全煤(岩)柱是近水体煤炭安全开采技术研究的重要内容，不仅可以实现安全生产，还可以提高开采上限，解放大量水体下压煤，提高矿井生产效率与经济效益[2]。

多伦协鑫井田一采区煤层露头区上部第三系覆盖层分布广、厚度大，开采将受到上覆第三系砂砾岩含水层威胁影响。国内学者许延春、张冰[3-5]等对协鑫矿区上方第三系砂砾岩含水层及黏土层特性、覆岩破坏规律和保护煤柱留设方式做了大量研究，通过由留设防水安全煤(岩)柱开采变为留设防砂安全煤(岩)柱，为矿井带来了显著的经济效益，而且为解放水体下压煤积累了大量的实践经验。协鑫矿区1708-1工作面作为井田露头区工作面，在受上方第三系砂砾岩含水层威胁的同时，工作面东侧还受到火成岩浸入体含水层(简称“浸入体含水层”)的威胁。浸入体含水层水文地质复杂，富水性强，是对本采区浅部边界工作面开采构成主要威胁的含水层，尤其是工作面开采时出现突水事故的直接含水层[6-7]。合理留设安全煤(岩)柱对工作面安全开采尤为重要。目前关于顶板安全煤(岩)柱的留设方法研究成果较多[8-9]，但对于受浸入体含水层和砂砾岩含水层综合影响下安全煤(岩)柱留设研究较少。本文在确定浸入体含水层边界基础上，合理确定安全煤(岩)柱的留设，并根据基岩厚度，计算出工作面安全回采厚度，对类似露头区工作面安全煤(岩)柱留设有一定的借鉴意义。

1 1708-1工作面概况

1708-1工作面地面为河谷平原，主要为草地及荒地。地面标高为+1260～+1275m，呈现南北低、中部高形态。工作面位于一采区上山北翼，北部切眼处靠近矿井边界，为1706-1工作面东侧相邻工作面。1708-1工作面南北走向长1528m，由于受煤层侧面浸入体含水层的影响，部分区段工作面的宽度减少。工作面分为两部分，第一部分工作面宽度60m，走向长度729m；第二部分东西倾向宽120m，走向长度799m。开采煤层为7号煤层上分层，煤层底板标高+1030.32～+1076.65m，厚度为5.08～20.60m，埋深为183～235.8m。工作面区域煤(岩)柱厚度35～105m左右。7号煤抗压强度低( 1.4～11.6MPa) ，因此，将覆岩划分为软弱类型。1708-1工作面情况如图1所示。

图1 1708-1工作面情况

2 “底黏区”和“底砾区”划分

第三系地层底部局部为砂砾岩，局部为黏土，将底部为砂砾岩的区域称为“底砾区”，而砂砾岩缺失并且厚层黏土层直接覆盖在煤系地层上面的区域称为“底黏区”[10]。“底黏区”黏土层厚度为 0 ～56.86m，于煤田东部露头区尖灭，平均厚度为18m左右，该黏土层是矿井防止其上部含水层向工作面充水的关键隔水层，通过09-S1和09-S2孔取样黏土进行土工试验，综合分析认为该黏土层的天然含水率较低，渗透性不强，而且黏土的液性指数小于0，为坚硬半固结状态，具有良好的隔水性和比较差的流动性，对防止第四系砂层的溃砂十分有利[11-12]。

根据矿井27个钻孔柱状图，利用suffer软件绘制第三系底部砂砾岩含水层厚度等值线图，其中1708-1工作面第三系底部砂砾岩含水层厚度等值线，将 1708-1工作面划分为3个区域:无第三系上新统砂砾岩含水层的“底黏区”和两部分赋存有第三系砂砾岩含水层的“底砾区”。根据水文地质勘探结果，认识到1708-1工作面上方具备“底砾区”(Ⅰ区)的砾石厚度小于5m正常情况为弱富水性。但是考虑到边界浸入体为强富水性含水体，可能对上方砂砾含水层有补给，并且受采动影响底砾层富水性可能增强，因此确定“底砾区”自第一开切眼至240m区段留设防水安全煤(岩)柱；1708-1工作面上方“底黏区”(Ⅱ区)具备留设防塌安全煤(岩)柱的条件，但是考虑边界浸入体含水层的影响，按防砂安全煤(岩)柱留设；停采线附近“底砾区”(Ⅲ区)砂砾层厚度大，按防水安全煤(岩)柱类型留设，如果小于工作面最小采高，则不开采。“底黏区”和“底砾区”的分布如图1所示。

3 工作面安全煤(岩)柱留设

3.1 1708-1工作面“两带”高度预测

1708-1与1703-1工作面的地质条件基本相同，因此，通过对1703-1工作面的钻孔实测和通过经验公式对1708-1工作面的“两带”高度分别进行预测，以便准确地掌握覆岩破坏的两带高度。1708-1工作面覆岩属软弱类型，分别采用综放开采“垮高”及“裂高”经验公式和1703-1工作面实测值进行破坏高度预计，结果见表1。

由表1可见，导水裂缝带高度均大于基岩厚度，ZK-3，ZK-8和ZK311孔位置垮落带高度大于基岩厚度。

考虑到地面“两带”钻孔实测是获得“两带”高度最可靠的方法，实测值与经验公式计算结果不

表1 1708-1工作面附近钻孔“两带”高度预测

一致时，应优先采用实测值，因此，通过对比分析，采用“两带”高度实测结果来预测1708-1工作面覆岩破坏“两带”高度较为合理，最终取垮采比5.61，裂采比12.21。

3.2 保护层厚度留设

据1708-1工作面钻孔揭露，工作面大部分区域第三系底部黏土层厚度大于10m，而第三系底部砂砾区含水层富水性弱。根据最小安全厚度法确定防砂安全煤(岩)柱保护层厚度为2.8A(A为采放总厚度)，防水安全煤(岩)柱的保护层厚度为2.7A。

3.3 安全回采厚度计算

1708-1工作面煤层厚度分布不均，钻孔揭露煤厚为5.08～20.60m，为确保在开采过程中满足安全煤(岩)柱厚度，对于煤厚较大的区段需进行限厚开采。由于受到边界浸入体含水层的影响，因此提高安全煤(岩)柱的留设等级，开切眼及停采线附近“底砾区”(Ⅰ、Ⅲ区)留设防水安全煤(岩)柱；中间部分为“底黏区”(Ⅱ区)留设防砂安全煤(岩)柱，并根据安全煤(岩)柱的留设要求及基岩厚度，反算工作面安全回采厚度。

3.3.1 中部“底砾区”(Ⅰ区)留设防水安全煤(岩)柱

(1)防水安全煤(岩)柱垂高(Hsh)应大于或等于导水裂缝带的最大高度(Hli)加上保护层厚度(Hb)，即：

Hsh≥Hli+Hb

(2)反算公式

1708-1工作面距开切眼附近“底砾区”(Ⅰ区)基岩柱厚度为95～105m。保护层厚度取2.7A，则最小安全回采厚度为：

Hsh=12.21A+2.7A=14.91A≤煤层上覆基岩厚度

该区域分为2个部分：距第一开切眼100m范围内，基岩柱厚度为95～100m，计算可采高度为6.37m，考虑到位于煤层边界，水文地质情况不明，为“两带”发育最高的区域，因此本区域采取只采不放的限厚开采，确定其最大采高为3m；在100～240m范围内，基岩柱厚度为100～105m处，按照最小值100m计算得到回采厚度小于6.71m时是安全的，工作面内钻孔ZK-3揭露7号煤上分层的厚度为20.55m，因此本区域需限制采放总厚度，其最大采放总厚度为6.71m。

3.3.2 停采线附近“底黏区”(Ⅱ区)留设防砂安全煤(岩)柱

(1)防砂安全煤(岩)柱垂高(Hs)应大于或等于垮落带的最大高度(Hm)加上保护层厚度(Hb)：

Hs≥Hm+Hb

(2)反算公式

1708-1工作面中部“底黏区”(Ⅱ区)，保护层厚度取2.8A，则最小安全回采厚度为：

Hs=5.61A+2.8A=8.41A≤煤层上覆基岩厚度

中部留设防砂安全煤(岩)柱的“底黏区”(Ⅱ区)中，基岩厚度的范围为35～105m，其中钻孔12-D3揭露基岩厚度为64.3m，钻孔ZK-8揭露基岩厚度为69.73m。“底黏区”(Ⅱ区)开采方案分为3个部分：在基岩柱厚度为80～105m处得到回采厚度小于9.51m时是安全的，工作面内钻孔ZK-8揭露7号煤上分层的厚度为20.6m，因此本区域需限制采放总厚度，其最大采放总厚度为9.51m；在基岩柱厚度为64～80m处，为浸入体含水层侵蚀区域，可进行注浆加固改造，如果通过注浆改造可以满足防水安全煤(岩)柱宽度的要求，则工作面可通过只采不放(采高2.7m)迅速通过该区域实现安全开采，否则工作面停产搬家，在第二段开切眼重新开采；基岩柱厚度为35～64m范围，计算得到回采厚度小于4.16m时是安全的，工作面内钻孔12-D3揭露7号煤上分层的厚度为9.65m，因此本区域最大采放总厚度为4.16m。

3.3.3 “底砾区”(Ⅲ区)留设防水安全煤(岩)柱

根据最小安全厚度法的规定，覆岩类型为软弱型，按分层开采的方法，保护层厚度取3.0A。

1708-1工作面停采线“底砾区”(Ⅲ区)基岩柱厚度为35～54.42m左右，其中钻孔ZK314揭露基岩厚度为35.03m，钻孔ZK311揭露基岩厚度为54.42m。在基岩柱厚度为35～54.42m处计算得到回采厚度小于2.30m时是安全的。工作面内钻孔ZK314揭露7号煤上分层的厚度为5.08m，由于工作面最小采高为2.7m，因此本区域不予开采。

综上所述，1708-1工作面各区域采放厚度情况见表2。具体可根据工作面采前的煤厚探测结果，进行调整。

通过以上计算分析，按煤层采放厚度将1708-1工作面划分为6个区域，得出工作面限厚开采综合分区图。

表2 1708-1工作面的采放厚度

图2为1708-1工作面计算限厚开采分区示意图。

图2 1708-1工作面计算限厚开采分区

4 结 论

(1)通过水文补勘，确定了1708-1工作面上覆含水层为弱富水性，考虑边界浸入体含水层的补给，在“底砾区”满足留设防砂安全煤(岩)柱的条件下留设防水安全煤(岩)柱，在“底黏区”满足留设防塌安全煤(岩)柱条件下留设防砂安全煤(岩)柱。

(2)通过1703-1工作面“两带”高度实测与经验公式计算的对比分析，确定了1708-1工作面综放开采覆岩破坏的垮采比为5.61，裂采比为12.21。

(3)根据基岩厚度，反算得出1708-1工作面的安全回采厚度为： “底砾区”(Ⅰ区)距第一开切眼100m和100～240m范围内安全采放总厚度分别为3m和 6.71m；工作面中部“底黏区”(Ⅱ区)距第一开切眼240～530m范围内安全采放厚度9.51m，530～730m范围内如果通过注浆改造满足防隔水煤(岩)柱宽度要求，则工作面可通过只采不放(采高2.7m)迅速通过该区域实现安全开采，730～1222m范围内限厚采放厚度4.16m；停采线附近“底砾区”(Ⅲ区)1222～1528m范围内不予开采。

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[责任编辑：张玉军]

Safety Coal and Rock Pillar Set and Safety Mining Thickness of Top Coal Caving Close Aquifer

XU Yan-chun1，LIU Zhong-hua1，DU Ming-ze1，GUO Wen-yan1，WANG Xiao2，ZHANG Xing-yu1

(1.Resource and Safety Engineering School，China University of Mining Technology(Beijing)，Beijing 100083，China；2.Duolun Xiexin Coal Industry Co.，Ltd.，Duolun 027300，China)

To safety mining problems of 1708-1working face that close to aquifer ( glutenite aquifer and intrude body aquifer) of Xiexin coal mine，caving-production ratio and fracture-production ratio of 1708-1working face were determined by field measurement and theory analysis of 1703-1，then safety mining thickness was calculated by safety coal and rock set demand and basement thickness.The results showed that the predicted value of caving-production ratio of 1708-1working face was 5.61，fracture-production was 12.21，based on water recharge of boundary，the safety mining thickness of‘bottom conglomerate zone’ (Ⅰzone)were 3m and 6.71m，respectively，which the distance to the first open-off cut were 100m and 100-240m，respectively.The safety mining thickness of middle part of working face ‘bottom sticky zone’(Ⅱ zone)was 9.51m，which the distance to the first open-off cut were 240～530m，and the area that 530～730m was dangerous zone，safety mining could be realized by grouting and so on ，mining-caving thickness was 2.7m，and the safety mining of 730～1222m could be realized by finite thickness，the thickness was 4.16m，the ‘bottom conglomerate zone’(Ⅲ zone)1222～1528m would not be mined.

safety coal and rock pillar，safety mining thickness，finite thickness mining，intrude body aquifer

2016-07-21

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.01.019

国家自然科学基金煤炭联合基金重点项目(U1361209)；国家重点基础研究发展规划(973计划)资助项目(2013CB227903)

许延春(1963-)，男，河北唐山人，教授，博士生导师，从事特殊采煤的研究与教学工作。

许延春，刘中华，杜明泽，等.近含水体工作面综放开采安全煤岩柱留设及安全回采厚度确定[J].煤矿开采，2017，22(1)：80-83.

TD823.83

A

1006-6225(2017)01-0080-04