王 ?

（山東科技大學資源與環(huán)境工程學院，山東 青島266590）

單家村煤礦井田為第四系覆蓋的隱蔽式井田，設計生產(chǎn)能力45萬t／a，礦井現(xiàn)主采3煤層，服務年限61年。為確保礦井安全生產(chǎn)，六采區(qū)設計留有防水煤柱195萬t，形成大量呆滯煤量。6311工作面位于六采區(qū)西北部，為六采區(qū)埋藏最淺的一個工作面，為了合理開發(fā)利用煤炭資源，最大限度地提高資源利用率，延長礦井服務年限，緩解采掘緊張局面，確保礦井健康可持續(xù)發(fā)展，因此提高6311工作面的開采上限具有重要意義。

1 水文地質條件

1.1 第四系地質特征

第四系厚度為157.50～256.48m，平均厚度186.39m，分上、中、下三組，即 Q上、Q中和 Q下。上組由棕黃色黏土、砂質黏土、砂及砂礫相間組成。在8～13m處有一層厚約2～5m的灰黑色淤泥層，層位較穩(wěn)定。本組含砂1～3層，黏土類占80%。中組由棕黃色、灰綠色黏土、砂質黏土、黏土質砂、黏土質砂礫相間組成，黏土中含鐵錳結核，具中至粗粒砂2～6層。本組突出特征是含鐵錳質結核，砂類占優(yōu)勢，即砂占65%。下組由灰綠色黏土、砂質黏土、砂及砂礫相間組成。距底界30m處有一層鈣質層，層位較穩(wěn)定，含砂3～8層，但砂層含黏土質較高，呈半固結狀態(tài)，黏土類占60%。與下伏下第三系呈不整合接觸。

1.2 第四系下組底部巖性特征

第四系下組（Q下）巖性由灰綠色、黃褐色的黏土、砂質黏土及砂層相互組成，夾有中－粗粒砂巖2～10層。在井田范圍內，該組底部與基巖接觸之處有一層厚度（2.93～42.40m）不等的黏土層。采區(qū)內三個鉆孔資料見表1。

由表1可知，6311工作面上覆第四系底界面黏土巖厚度為7.4～42.0m，平均為23.5m。

表1 六采區(qū)第四系底部黏土巖巖性描述表

1.3 第四系松散層隔含水層劃分

第四系中含水層與隔水層相互交錯，透鏡體比較發(fā)育，巖性變化比較復雜，按顏色、巖性和富水性劃分為上、中、下三組。其中：上組（Q上）厚47.91～53.31m，平均厚度51.21m，主要由灰黃色、黃褐色砂質黏土、黏土質砂及砂層組成，透水性好，富水性強，鉆孔單位涌水量為2.011L／s.m；中組（Q中）厚46.20～93.96m，平均厚度62.57m，主要由黃褐色夾灰綠色的砂質黏土、黏土及砂層組成，鉆孔單位涌水量為7.14L／s.m；下組（Q下）厚63.35～80.86m，平均厚度72.58m，以黏土質為主，夾1～2層薄層砂巖，大多呈現(xiàn)半固結狀，富水性中等，單位涌水量為0.0971～0.213L／s.m，底部與基巖接觸之處大多為一層厚度不等的黏土層。

單家村井田第四系底部有一層厚度2.93～42.40m的黏土類地層與下伏地層相隔，可起到隔水作用。

2 含水層類型及水體采動等級確定

2.1 含水層類型

根據(jù)鉆孔抽水試驗資料，第四系下組砂及砂礫層松散孔隙含水層單位涌水量為0.0971～0.213L／s·m，3煤頂板砂巖單位涌水量為0.00568L／s·m，且經(jīng)過多年開采，礦井－450水平以上三灰水已疏放。按照鉆孔單位涌水量，含水層富水性等級標準［1］綜合分析，6311工作面開采時覆巖含水層富水性等級為中等－弱富水性，從側重安全角度考慮，定為中等富水性。

2.2 水體采動等級

近水體下采煤時，應按水體的類型、流態(tài)和賦存條件等，將受開采影響的水體進行分級［2］。根據(jù)地質資料，補7、補8鉆孔及其間的第四系底黏厚度穩(wěn)定，大于21.1m；8－8到補7鉆孔之間底黏厚度最小為7.4m，其下賦存一層厚度6.4m砂層，幾乎直接與基巖風化帶接觸。若回采過程中導水裂縫帶波及該層砂巖，可能導致礦井涌水量增加。綜合分析，根據(jù)相關規(guī)定及分級標準，在松散含水層下進行開采時，確定6311工作面開采時的水體采動等級為Ⅰ級，不允許導水裂縫帶波及松散孔隙弱含水層水體，應留設防水安全煤巖柱。

3 覆巖破壞高度預計

3.1 覆巖破壞高度預計公式

六采區(qū)內3煤覆巖為泥巖、粉砂巖、細砂巖，在自然狀態(tài)下，巖石抗壓強度為31～70MPa，屬中硬～堅硬巖石；直接底細粒砂巖的抗壓強度為33.54MPa，屬中硬巖石。參照六采區(qū)覆巖巖性和力學測試結果，本采區(qū)3煤覆巖綜合強度為中硬巖石。根據(jù)3煤層覆巖情況，結合巖石強度實測和風氧化狀況，選定導水裂縫帶和垮落帶高度計算公式［3－4］分別如下。

式中：Hli為導水裂縫帶最大高度，m；Hm為冒落帶最大高度，m；∑m為累計采厚，m。

3.2 覆巖破壞高度預計結果

6311工作面3煤層厚度為4.8～10.6m，平均厚度7.2m，設計分為3層開采，煤層采高均為2.4m，帶入式（1）、式（2）分別計算分層開采是冒落帶和倒水裂隙帶高度，見表2。

表2“兩帶”高度計算結果表

4 安全煤巖柱與開采上限確定

4.1 安全煤巖柱計算及留設

防水安全煤巖柱的目的是不允許導水裂縫帶波及水體，其垂高（Hsh）應大于或等于導水裂縫帶最大高度（Hli）加上保護層厚度（Hb）［5－6］，即Hsh≥Hli＋Hb。

保護層是設計水體下安全煤巖柱時，為安全考慮所增加的巖層區(qū)段，它位于導水裂縫帶與水體底界面之間。根據(jù)防水安全煤巖柱保護層厚度的計算公式［7－8］，針對覆巖具體情況，保護層的厚度為：Hb＝3∑m／n，其中n為分層數(shù)。根據(jù)公式計算得3煤層分層開采時的保護層厚度為7.2m。所以，得到第1分層開采時，防水安全煤巖柱高度為：Hsh1＝（26.7～37.8）＋7.2＝33.9～45.0m，同理開采第2、第3分層時，防水安全煤巖柱的高度分別為Hsh2＝44.1～55.4m，Hsh3＝49.3～60.4m。

為保證6311工作面安全開采，綜合考慮風氧化等不利影響，按前述水體采動等級為Ⅰ級留設防水安全煤巖柱［9－10］。3個分層采高均為2.4m，分別留設45.0m、55.0m和60.0m防水安全煤巖柱，比原設計煤柱提高25m。

4.2 開采上限確定

根據(jù)單家村煤礦多年開采經(jīng)驗，3煤層頂板砂巖水對開采構不成水害威脅；而四采區(qū)最淺部的工作面開采時，未發(fā)現(xiàn)第四系底部沙層水滲入井下。因此，只要6311工作面開采上限確定合理，開采是安全的。

根據(jù)6311工作面內補7、補8鉆孔資料，第四系底界面標高在－111.63～－134.61m之間，按留設的防水安全煤巖柱高度45.0m，確定3煤第1分層安全開采標高為－179.71m，取整數(shù)為－180m。同理，可確定第2、第3分層安全開采標高分別為－190m和－195m。

5 結論

1）根據(jù)鉆孔抽水試驗資料，結合安全角度考慮，經(jīng)綜合分析，確定6311工作面開采時，覆巖含水層類型為中等富水性。

2）根據(jù)礦井地質報告及井田內鉆孔分析，為確保安全，按相關規(guī)程規(guī)定，確定6311工作面開采時的水體采動等級為Ⅰ級，要求留設頂板防水安全煤巖柱。

3）根據(jù)確定的含水層類型和水體采動等級，按相關公式計算，6311工作面第1分層開采時，第四系防水煤巖柱45.0m，開采上限標高為－180m；第2、第3分層開采時，第四系防水煤巖柱分別為55.0m、60.0m，開采上 限標高 分 別 為 －190m、－195m。

4）6311工作面提高開采上限25m，可多回收煤炭資源9.4萬t，增加經(jīng)濟效益7000多萬元。

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