煤层隐伏露头附近工作面开采水害安全性研究

狄 超 梁茂亮 倪振峰

（1.单县丰源实业有限公司，山东 菏泽 274330；2.山东丰源远航煤业有限公司，山东 枣庄 277000）

1 工程概况

单县丰源实业有限公司张集煤矿位于单县煤田东部，地处黄河冲积平原，井田内Q+N 厚度平均516.99 m，具有明显的由东向西、自南往北变厚的规律。井田总体构造形态为一倾向北的单斜构造，煤岩层倾角4°～27°，井田内褶曲构造不发育。矿井地质和水文地质类型为中等。

1306 工作面井下位于一采区西翼，工作面轨道顺槽侧较为靠近煤层隐伏露头，工作面北侧为1305老空区，3上煤层厚度4.5～7.4 m，平均6.2 m，煤岩层倾角18°～25°，平均22°。煤层直接顶板为灰黑色粉砂岩，基本顶为灰白色细砂岩。工作面地面标高+38～+40 m，井下标高-560～-676 m。工作面浅部区域基岩及风氧化带、古近系砾石层以及新近系底部地层的富水性不均一，工作面上覆基岩厚度变化较大，加之1306 工作面内部存在断裂构造，工作面采用综放开采时可能存在溃水溃沙的可能。

2 上覆松散地层赋存及富水性

2.1 上覆松散地层赋存特征

根据矿井地层的赋存特征，1306 工作面附近3煤层被巨厚的松散地层覆盖，松散地层自上至下分别为第四系（Q）、新近系（N）和古近系（E）地层。为了进一步研究1306 工作面附近上覆各松散地层的赋存及分布特征，对工作面附近井上下钻孔资料进行了统计，并绘制出基岩厚度等值线图，具体见表1 和图1。

图1 1306 工作面基岩厚度等值线图

表1 1306 工作面附近上覆松散地层厚度统计表

2.2 古近系砾石层的赋存特征分析

2.2.1 古近系砾石层厚度分布及岩性特征

1306 工作面设计开采区域古近系砾石层全区发育，厚度变化较大，为8.2～63.0 m，整体呈东部厚西部薄的特征。根据井上下钻孔实际揭露及取芯情况可知，古近系砾石直接上覆于基岩风氧化带之上，主要以砾石为主，中间夹着薄层的含砾泥岩，砾石为灰色，粗～巨砾状结构，胶结疏松，破碎，填隙物为紫红色泥岩和少量细砂，成分以石灰岩为主，分选型差，砾径普遍在1～30 cm 之间。

2.2.2 古近系砾石层的富水性及水力条件分析

1）抽水试验结果分析

为了查明1306 工作面上覆古近系砾石层的富水性，在工作面浅部区域附近施工了水2018-1 钻孔，并对其约70 m 厚的古近系砾石层进行整层抽水试验。试验结果显示：水2018-1 的古近系砾石层的单位涌水量为0.004 36 L/s·m，渗透系数为0.005 34 m/d；同时结合ZK10-1 号钻孔的古近系砾石抽水试验资料，其单位涌水量0.000 5 L/（s·m），渗透系数为0.003 59 m/d。根据抽水试验可表明，研究区域附近古近系砾石层的富水性弱。抽水试验结束后，该含水层水位很难达到原静止水位，也说明古近系砾石含水层水以静储量为主，其补给条件较差。

2）井下探查孔放水结果分析

根据1306 工作面井下探查孔施工情况可知，9个新近系探查孔均穿过古近系砾石层而进入新近系底部，在施工过程中仅在钻场3 和钻场4 的钻孔在揭露顶板砂岩时，有0.5～2 m3/h，在钻进进入砾石层时均无水，由此也可表明，工作面内上覆古近系砾石层的富水性弱。

2.3 新近系底部地层的赋存特征分析

2.3.1 新近系底部地层沉积结构特征分析

根据工作面附近的水2018-1 钻孔及井下新近系探查孔的实际揭露情况可知，在1306 工作面区域新近系底部普遍赋存着厚度较大且稳定的黏土层，称之为“底黏”；根据水2018-1 钻孔揭露“底黏”厚度8.2 m，9 个井下新近系探查孔均钻进新近系底部6～10 m，均为黏土层，由此可以推断工作面区域“底黏”厚度至少大于6 m。因此，从底黏厚度角度分析认为，其承受采动影响能力较强，可有效地阻隔其上部含水层的下渗补给。

在新近系底部向上50 m 的地层，主要以黏土层为主，占比达85.2%，其新近系底黏上部分布着1～2 层厚度较薄的砂质含水层，累计厚度7.4 m，称之为“新近系底含”。

2.3.2 新近系底部地层岩性及其物理力学特性分析

1）“底黏”的岩性及物理力学特性

根据井上下钻孔柱状图及取芯情况可知，新近系底部以浅灰绿色和棕黄色的黏土和砂质黏土为主。由土工试验结果显示，黏土的塑性指数为17.7～21.1，液性指数为-0.50～-0.09，饱和度为69%～96%，含水率为17.2%～21.7%，压缩性系数为0.13～0.32 MPa-1。

通过对研究区域附近新近系底部黏土和粉质黏土的土工测试结果分析，认为研究区域新近系底部黏土具有塑性大、含水率和液性指数低且遇水膨胀性好的特点；虽然粉质黏土较黏土相比，其黏土含量相对略低，但其整体黏土性质较好。且新近系底段地层自上至下，黏土含量逐渐增加，最底部地层主要以稳定的黏土层为主。因此，研究区域附近新近系底部黏土层的黏土质含量高、固结程度与力学性质较好，硬度大且质密，具有良好的阻水隔砂性。

2）“底含”的岩性及粒度成分

根据水2018-1 钻孔的取芯情况可知，新近系“底含”多以棕黄色的粉细砂为主，松散，含少量黏土，粒径小于0.25 mm 的细粒与粉粒成分普遍大于60%。

2.3.3 新近系底部地层富水性及水力条件分析

为了进一步查明1306 工作面上覆新近系“底含”的富水性，在工作面浅部区域附近施工了水2018-1钻孔，并对新近系“底含”（抽水层厚度为18.2 m）进行了整层抽水试验。试验结果显示：水2018-1 的新近系“底含”的单位涌水量为0.000 62 L/（s·m），渗透系数为0.002 69 m/d。根据抽水试验可表明，研究区域附新近系“底含”的富水性弱。

由于新近系“底含”上部赋存着厚度很大且稳定的黏土层，可有效地阻隔上部含水层对底含的垂向补给，致使“底含”的水力联系差。

将1306 工作面新近系底部地层赋存特征归结为以下两点：

1）1306 工作面浅部区域附近新近系底部黏土层全区发育，厚度较大，固结程度好，具有较强的承受采动影响能力和良好的阻水隔砂性能。

2）1306 工作面浅部区域新近系底含以粉细砂为主，含黏土成分，其厚度较小，富水性弱，水力联系差，且底含距3 煤顶板距离较大。

1306 工作面新近系底部地层组合结构和岩性特征有利于工作面浅部煤层的开采。

3 工作面开采覆岩破坏高度

3.1 底分层限厚综采条件

采用底分层开采工艺，工作面采高为3.0 m，覆岩破坏高度采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中公式（1）和公式（2），及兖州矿区分层综采经验公式（3）和公式（4）计算。

硬覆岩类型综采覆岩“两带”高度计算公式如下：

兖州矿区综采硬覆岩采动破坏高度计算公式如下：

式中：Hm为垮落带高度最大值，m；HLi为导水断裂带高度最大值，m；∑M为累计采厚，取值3.0 m。

代入公式（1）和（2）中，计算垮落带发育高度为6.86～11.26 m，导水断裂带发育高度为30.11～41.31 m。

代入公式（3）和（4）中，计算垮落带发育高度为10.38～16.68 m，导水断裂带发育高度为36.30～41.02 m。

计算结果取较大值，即分层开采“两带”高度分别为16.68 m 和41.31 m。

3.2 综放开采条件

1）经验公式预计兖州矿区实际观测结果统计分析，归结出“两带”高度的经验公式（5）和（6），综放条件下垮落带高度一般按3～5 倍采厚进行预计，郭屯矿和新巨龙公司的浅部工作面已成功回采垮落带取4 倍采厚，故本次垮落带高度按4.5 倍采厚计算：

导水断裂带最大高度与采厚的关系为（兖州矿区）：

式中：Hm为垮落带高度最大值，m；HLi为导水断裂带高度最大值，m；∑M为累计采厚，取值4.5～7.4 m。

代入公式（5）和（6），计算垮落带和导水断裂带高度分别为20.25～33.30 m 和48.47～69.90 m。

2）利用裂采比预计

根据《1305 工作面“两带”高度探测研究总结报告》，1305 老空区顶板垮落带发育高度32.2 m，垮采比4.29；断裂带发育高度94.4 m，裂采比12.59。将1306 工作面煤厚分别按垮采比4.29、裂采比12.59 进行计算，垮落带和导水断裂带发育高度预计分别为19.4～31.8 m、56.7～93.2 m。

综合以上两种方法预测结果取较大值：1）底分层开采时垮落带和导水断裂带发育高度分别为16.68 m、41.31 m；2）综放开采时垮落带最大高度为20.25～33.3 m，导水断裂带最大发育高度为56.7～93.2 m。

4 FLAC3D 数值模拟

根据1306 工作面浅部区域的地层赋存特征及各岩性岩石力学参数，采用FLAC3D数值模拟软件，通过建立与1306 工作面浅部区域条件相似的力学模型，分别对底分层和综放开采采煤工艺下覆岩层的破坏特征进行模拟计算，通过模拟计算结果与公式计算结果的对比，研究分析浅部煤层开采后中硬偏软覆岩破坏特征[1-4]。确定按平面应变模型处理，从整体来看处在弹性范围，属于弹性模型，小部分有塑性屈服破坏，因此可按弹塑性模型处理。

由于现场岩层的复杂性，采用弹塑性有限元分析岩体的力学特性。参考1306 工作面基岩室内岩石试验结果，先对1306 工作面上覆岩层结构进行了详细分析，确定了计算模型和计算网格，然后采用底分层限厚综采和综放开采及各采煤工艺的实际回采率，对1306 工作面浅部区域上覆岩层的破坏情况进行了计算模拟，最终计算出了1306 工作面浅部煤层分别采用底分层限厚综采和综放开采两种采煤工艺条件下开采后中硬偏软覆岩的破坏特征。

数值模拟结果得出：1）底分层综采时，覆岩的垮落带最大高度为12.7 m，导水断裂带最大发育高度为36.9 m；2）采用综放开采时，覆岩的垮落带最大高度为18.6～30.5 m，导水断裂带最大发育高度为49.0～80.6 m。具体模拟结果如图2、图3，各采煤工艺条件下公式计算结果与数值模拟结果统计见表2。

图2 1306 工作面底分层综采3.0 m 覆岩运动变形破坏模拟结果

通过结果对比分析可知，数值模拟结果略小于公式计算结果，分析原因认为根据工作面浅部区域的地质赋存特征可知，由于1306 工作面相较1305工作面基岩薄，岩层在风氧化作用下，上部地层岩性及物理力学性质均发生变化，特别是岩石强度降低，在实际开采过程中，岩层下沉速度快，垮落带及导水断裂带等达不到充分发育，且岩层呈现“上软下硬”结构，同时第四系底部存在稳定的黏土层，其利于抑制裂缝的发展，从而出现模拟结果较理论计算结果略小是合理的。

5 安全煤岩柱留设

防砂安全煤岩柱的作用是防止垮落带进入或接近松散层确保泥砂不溃入井下，但可允许一部分导水断裂带进入松散层中的弱含水层。安全防砂煤柱的最小高度Hs应大于垮落带高度Hm与保护层厚度Hb之和，即：

1306 工作面防砂煤岩柱留设采用公式（7）计算，不同开采工艺条件下防砂安全煤岩柱尺寸计算如下：

1）底分层限厚综采条件下

采用底分层综采，采高3.0 m 时，其垮落带高度为16.68 m。此时，保护层厚度取3A，即为9 m。代入公式（7）计算得所需留设的最小防砂安全煤岩柱高度为25.68 m。

2）综放开采条件下

① 保护层的选取

由于综放全厚开采时，采厚大，保护层的留设无明确规定，菏泽区域的郭屯煤矿和新巨龙公司的薄基岩工作面保护层取2 倍采厚成功开采的经验，本次1306 工作面的保护带厚度也按2 倍采厚选取，故保护层厚度为2A=9～14.8 m。

② 综放开采防砂煤岩柱尺寸确定

综放开采其垮落带最大高度为20.25～33.3 m，按防砂煤岩柱的留设方法，将垮落带最大高度20.25～33.3 m 和保护层厚度为9～14.8 m 代入公式（7），计算出综放条件下最小防砂煤柱高度约为29.25～48.1 m。综上所述，两种不同开采条件下留设安全煤岩柱最小高度统计结果见表3。

表3 不同开采条件下留设最小安全煤岩柱厚度统计表

根据目前分析可知，1306 工作面基岩厚度最小为95 m，远大于全厚综放开采所需最小防砂煤岩柱厚度（29.25～48.1 m），因此1306 工作面可自设计切眼起采用全厚综放开采。

6 结论

1）1306 工作面浅部区域基岩及风氧化岩层具有较好的隔水阻砂和抑制裂缝扩展的双重作用，增强工作面开采的安全性。

2）1306 工作面开采区域最小基岩厚度大于全厚综放开采所需最小防砂煤岩柱厚度，故工作面采用全厚综放开采至设计停采线结束，不受顶板水害威胁。

3）1306 工作面回采结束后工作面未发生顶板出水，结果表明上述论证的正确性，为矿井后期煤层隐伏露头附近工作面安全回采提供地质支持。