程庄煤矿9305 工作面水体下安全开采可行性研究

赵延超 李 鹏 吴 涛

（中煤地华盛水文地质勘察有限公司，河北 邯郸 056004）

1 工作面概况

程庄煤矿井田范围内有一条季节性河流召三河，影响了井下工作面布置及安全开采，其河流下压覆9 号煤层煤炭资源约200 万t。为了能够缓解程庄煤矿采煤压力，本文开展了程庄煤矿9305 工作面水体下安全开采研究，主要以地表裂缝、覆岩结构、导水裂隙带发育高度等主控因素计算分析为主[1-2]，对程庄煤矿水体下9305 工作面安全开采进行研究分析。

阳泉市燕龛煤炭有限责任公司程庄煤矿，原批准该矿开采3 号-15 号煤层，生产规模180 万t/a，现开采煤层变更为9 号、15 号煤层，开采水平为+875～+785 m。9 号煤层现布置一个综采工作面为9508 工作面，15 号煤层现布置一个综放工作面15306 工作面，2 个综掘工作面为15310 进风巷、15310 回风巷掘进工作面，布置1 个岩巷掘进面，为15310 高抽巷。

召三河下布置的工作面为9305 工作面，其呈南北布置，顺着召三河方向，其宽度约271.82 m，长度约为1 094.55 m，煤层埋深95.60 m。

2 水体下采煤安全性研究分析

2.1 覆岩结构分析

2.1.1 覆岩破坏规律分析

根据以往收集的资料可知，岩层的移动变形和破坏形式，上覆岩层一般形成垮落带、裂隙带、弯曲带（简称“上三带”），其中重点研究的是垮落带和裂隙带的变形破坏特征[3-4]。

2.1.2 覆岩层隔水性分析

9305工作面内及周边的钻孔仅有D-262、D-257、A-12 钻孔，其他钻孔不在范围内，该范围内并未发现断层、褶曲等构造。因此，本文利用范围内D-262、D-257、A-12 钻孔对其上覆岩性进行统计分析，其统计情况见表1。

表1 9305 工作面上覆覆岩厚度统计表

从表1 可知，9305 工作面上覆覆岩泥岩、砂质泥岩层段占基岩柱比例59.15%～62.28%具有很好的隔水性，而砂岩占基岩柱比例31.21%～40.84%。对其上覆岩性进行统计分析，可以发现9305 工作面上覆基岩主要以隔水性较好的泥岩、砂泥岩层为主，且其厚度占基岩总厚度的比例均在59.15%以上，这表明工作面上覆覆岩具有一定的隔水性能。

砂岩占基岩总厚度的比例也在31.21%以上，这表明9305 工作面上覆覆岩具有软硬相间的岩性组合，具有一定的塑性变形能力，这对后期工作面安全开采是有利的。

2.2 综采导水裂隙带理论发育高度分析

2.2.1 导水裂隙带形态及发育规律

导水裂隙带发育的高度与煤层开采的方式有着很大的关系，一般情况下采高越大，导水裂隙带发育的高度也就越大。通常情况下综采一次采全高比分层开采的导水裂隙带发育高度大，而采用综采开采时导水裂隙带发育高度与采高呈线性关系，分层开采时两者呈分式函数性关系[5-6]。

由以上因素分析，程庄煤矿9305 工作面采用综采一次采全高，根据井下周边揭露的见煤点及钻孔取芯数据，可以得到煤层厚度为1.80～3.40 m，其导水裂隙带发育高度计算如下。

2.2.2 导水裂隙带发育高度计算

本文结合9305 工作面顶板覆岩力学性质，采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》导水裂隙带发育高度计算公式，公式如下：

式中：Hli为导水裂隙带发育高度，m；M为煤厚，m。

根据9 号煤层井上下对照图，本文选取9305工作面内地表最小标高为+998.08 m，根据9305 工作面的底板等高线选取最大底板标高为+900.00 m，通过计算9305 工作面煤层最小埋深为998.08-2.48-900=95.60 m。

通过计算可得出9305 工作面的导水裂隙带最大理论发育高度为41.50 m，其埋深为95.60 m，导水裂隙带最大理论发育高度小于埋深。因此， 9305 工作面开采后，从理论上分析沟通到地表可能性较小。

2.3 地表裂缝发育深度分析

（1）MohrCoulomb（摩尔库伦）破坏准则计算地表裂缝

本文主要采用摩尔库伦破坏准则定理来对9305工作面进行地表裂缝深度计算[7-8]，其计算公式为：

式中：C为土体的内聚力，kPa；φ为内摩擦角，（°）；γ为土体的饱和容重，kN/m3。

（2）9305 工作面范围内地表裂缝计算

根据矿方地质勘察资料及钻孔柱状图的岩性描述，召三河周边及河床多为中、上更新统黄土层，土壤主要以黄土状亚黏土为主。根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采指南》及程庄煤矿周边的地质勘察报告，可以得出MohrCoulomb（摩尔库伦）破坏准则的计算参数。

根据公式（3）计算9305 工作面内地表裂缝，根据已有资料可知9305 工作面地表水体内多为黄色亚黏土，按照规范参考值，其内摩擦角选取24°，内聚力为26 kPa，土体饱和容重为18.30 kN/m3，其计算结果如下：

根据公式计算，9305 工作面地表裂缝预计发育深度为4.38 m。在工作面周围拉伸区内，会出现永久裂缝带，裂缝平行工作面巷道及切眼分布，9305 工作面开采后地表裂缝宽度最大可能为10～300 mm。

2.4 防水安全煤（岩）柱分析

2.4.1 防水安全煤岩柱高度验算

本文将依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》的公式来计算防水安全煤（岩）柱的厚度，因9305 工作面周边地表有一定的黄土覆盖，水体不与基岩接触，故不考虑基岩风化带高度。

其防水安全煤岩柱垂高见公式（4）：

式中：Hsh为防水安全煤岩柱的高度，m；Hli为导水裂隙带高度，m；Hb为保护层厚度（见表2），m。

表2 防水安全煤（岩）柱保护层厚度

根据地质勘探资料可知，9305 工作面对应地表黄土层最小厚度为4.09 m，而煤层厚度最大为2.48 m，黄土层属于亚黏土，且煤层上覆岩性为泥岩、砂质泥岩、砂岩等中硬性岩层。保护层厚度应取3倍的煤层厚度，该范围内煤层最大厚度为2.48 m，故保护层厚度为7.44 m。

通过前述9305 工作面煤层开采后导水裂隙带理论发育高度为41.50 m，依据公式（4）保护煤岩柱厚度为48.94 m，计算如下：

Hsh≥Hli+Hb=41.50+7.44=48.94 m。

2.4.2 防水安全煤岩柱影响分析

9305 工作面最大的防水安全煤岩柱垂高为48.94 m，地表裂缝深度为4.38 m，其范围内9305工作面开采最小埋深为95.60 m，减去地表裂缝深度91.22 m，大于所需防水安全煤岩柱48.94 m，故9305 工作面煤岩柱尺寸是足够的。

9305 工作面上覆基岩主要以隔水性较好的泥岩、砂泥岩层为主，厚度占基岩总厚度的比例均在59.15%以上，召三河范围内9 号煤层工作面上覆覆岩具有一定的隔水性能，可阻止地表水体下渗。

3 结论

（1）本研究通过对钻孔统计分析，9305 工作面顶板覆岩岩性泥岩、砂质泥岩二者综合占基岩柱比例59.15%～62.28%，主要以隔水性较好的泥岩、砂质泥岩层段为主，该岩性组合具有一定塑性及隔水性，对9305 工作面的安全开采是有利的。

（2）本研究得出9305 工作面的最小埋深为95.60 m，导水裂隙带理论发育高度为41.50 m，而其地表裂缝发育预测高度为4.38 m，研究表明9305工作面开采后理论上不会导通地表水体。

（3）本研究通过对防水安全煤岩柱的计算与分析，水体下9305 工作面顶板基岩柱高度均大于防水安全煤岩柱高度，符合各水体采动等级要求留设的相应类型安全煤（岩）柱尺寸，在理论上分析9305 工作面安全开采具有可行性。