劉偉韜 霍志超 潘曉鳳 黃瑞峰

(山東科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東青島266590)

山東里能魯西礦業(yè)有限公司位于濟(jì)寧市任城區(qū)二十里鋪鎮(zhèn)，核定礦井生產(chǎn)能力87萬t/a，服務(wù)年限為47 a，主要開采3上、3下煤層。魯西礦與有關(guān)科研單位密切合作，進(jìn)行了兩次水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探，經(jīng)分析，原報(bào)告誤將2煤層判為3上煤層，3上與3下在采區(qū)北翼上部合并為3煤層，之后重新確定了2煤層和3煤層的賦存情況，修正了采區(qū)內(nèi)3煤層露頭線，因此需要留設(shè)合理的第四系防水煤柱，重新確定3煤層防水煤柱。本研究旨在通過地質(zhì)水文綜合分析，留設(shè)合理的防水安全煤巖柱，確定合理的開采上限，解放井下大量滯壓煤炭，最大限度地提高資源回收率。

1 采區(qū)水文地質(zhì)補(bǔ)勘分析

1.1 一、二采區(qū)水文地質(zhì)補(bǔ)充勘查

補(bǔ)充勘探報(bào)告表明，在一采區(qū)淺部煤層露頭附近3上、3下為3煤的合并層。揭露煤層2層，分別為2煤和3煤，其中2煤較薄，本勘探區(qū)局部零星可采，3煤層為本區(qū)主采煤層。根據(jù)補(bǔ)充勘探報(bào)告確定的2煤層和3煤層的賦存情況，需要重新計(jì)算3煤層防水煤柱的留設(shè)高度和留設(shè)寬度。

1.2 一采區(qū)3煤露頭水文地質(zhì)補(bǔ)充勘查

在以往煤田地質(zhì)、水文地質(zhì)工作的基礎(chǔ)上，依據(jù)本次勘探成果，結(jié)合鄰區(qū)資料分析研究魯西煤礦一采區(qū)3煤層露頭的水文地質(zhì)條件，進(jìn)而對(duì)采區(qū)底隔厚度及分布規(guī)律、第四系三含底部砂層的水文地質(zhì)條件進(jìn)行研究，根據(jù)施工鉆孔實(shí)際揭露情況，修正了采區(qū)3煤層露頭線以及風(fēng)氧化帶邊界(圖1)，查明了第四系底隔巖性厚度及分布規(guī)律，采區(qū)上覆巖層柱狀圖見圖2。

圖1 采區(qū)平面圖及露頭簡(jiǎn)圖Fig.1 Plane graphs ofm ining area and sketch of outcrop area

采區(qū)內(nèi)主要含水層為第四系砂層含水層和山西組砂巖含水層，三含為第四系主要含水層。采區(qū)三含厚度59.5～71.92 m，平均66.07 m，含砂5～8層，主要由褐灰、棕黃、灰白色細(xì)砂、中砂、粗砂、黏土質(zhì)砂夾多層厚薄不一的黏土、砂質(zhì)黏土、局部鈣質(zhì)黏土組成。上部黏土類較多，下部以砂層為主。采區(qū)三含底部砂層厚度為8.2～21.87 m，平均11.85m，水位標(biāo)高+27.332～+28.004 m。山西組的砂巖含水層為開采3煤層的直接充水含水層，屬富水性弱含水層，對(duì)煤層開采影響不大。

礦井對(duì)三含底部砂層進(jìn)行單孔抽水試驗(yàn)3次，揭露三含底部砂層的平均厚度12.75 m，單位涌水量0.055 8～0.394 8 L/(s·m)，富水性弱—中等。底部砂層為淺灰色黏土質(zhì)粗砂、細(xì)砂，多含長(zhǎng)石顆粒;長(zhǎng)石顆粒呈風(fēng)化狀，使得高嶺土含量高，充填于砂層孔隙之中，含水性較差，巖芯呈塊狀，風(fēng)干后較硬。

圖2 采區(qū)上覆巖層柱狀圖Fig.2 M ining overlying strata histogram

2 確定開采上限的依據(jù)及有利因素

2.1 第四系下部隔水層情況

兩次水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探資料表明，第四系底隔厚度為4.5～15.45 m，平均10.64 m，第四系底隔厚度有往北西方向減小的趨勢(shì)。依據(jù)鉆孔資料，提高上限開采區(qū)域底隔厚度為5.4～11.4 m，平均9.3 m，顏色以灰白色、土黃色、灰綠色為主，巖性以黏土為主，黏土見水后黏性好，可塑性強(qiáng)，隔水性能好。

因開采區(qū)域第四系底隔隔水性能好，采煤的冒落帶邊界錯(cuò)動(dòng)距離小于底隔厚度，隔水層沒有完全被錯(cuò)斷，三含砂不會(huì)潰入，三含水不會(huì)大量進(jìn)入礦井，具備提高開采上限的地層條件。

2.2 基巖厚度

提高開采上限區(qū)域3煤層頂板基巖主要由淺灰、灰白細(xì)砂巖、灰色泥巖及煤層組成，深灰色泥巖和粉砂巖較少。3煤層頂板基巖厚度不均勻，大體上是由東向西逐漸變薄，采區(qū)3煤層露頭線以及風(fēng)氧化帶邊界附近比較薄。

2.3 基巖巖石力學(xué)參數(shù)

對(duì)3下107工作面上方典型巖層進(jìn)行巖石力學(xué)試驗(yàn)，得出了各巖層巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比等力學(xué)參數(shù)以及相應(yīng)的全應(yīng)力應(yīng)變曲線，可靠地分析出上下兩層煤開采綜合影響下的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度，為分析3上和3下兩層煤開采綜合影響下的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度提供了可靠的力學(xué)參數(shù)及科學(xué)分析依據(jù)［1］。從3下107工作面上覆56.49m范圍的巖層柱狀圖、打鉆取芯情況、以及上覆巖體破裂微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果看，覆巖下硬上軟，但整體強(qiáng)度較低，剛度較小，完整性較差，屬于中等偏軟巖層［1］。

3111II工作面距離3下107工作面較近，具有相同的地層結(jié)構(gòu)和覆巖條件，可以推斷3111II工作面上覆巖層亦屬于中等偏軟巖層，工作面開采后形成的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度也會(huì)較低，對(duì)礦井提高開采上限是有利的。

2.4 基巖風(fēng)氧化帶的影響

魯西煤礦一采區(qū)邊界煤層露頭處，基巖風(fēng)氧化帶厚度17.2～37.6 m，平均25 m，本區(qū)域風(fēng)化帶深度為基巖界面以下垂深15 m，氧化帶深度為基巖界面以下垂深25 m。

楊本水等［2］對(duì)風(fēng)氧化帶內(nèi)煤層安全開采進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究表明風(fēng)化巖石強(qiáng)度普遍較未風(fēng)化巖石顯著降低，絕大多數(shù)風(fēng)化巖石抗壓強(qiáng)度僅為同類未風(fēng)化巖石的10%～50%，而且風(fēng)化程度越高，強(qiáng)度降低幅度越大。同時(shí)，泥質(zhì)巖和泥質(zhì)膠結(jié)的砂巖中的黏土礦物風(fēng)化后全部黏土化，其塑性大大增強(qiáng)，此類風(fēng)化巖層因強(qiáng)度降低、塑性增強(qiáng)，抗采動(dòng)影響的變形破壞能力顯著增大，可有效地抑制冒落裂縫向上發(fā)展，并使采動(dòng)裂縫的發(fā)育程度和導(dǎo)水性明顯減弱。

王惠兵等［3］對(duì)楊莊煤礦九采區(qū)近風(fēng)氧化帶開采覆巖破壞進(jìn)行了預(yù)計(jì)與實(shí)測(cè)，在研究結(jié)果的指導(dǎo)下九采區(qū)后期開采的工作面全部按照留設(shè)防塌煤巖柱開采，預(yù)計(jì)的煤炭資源全部安全采出。根據(jù)臨近興隆莊煤礦、鮑店煤礦等同期研究和實(shí)踐資料，煤層近風(fēng)氧化帶開采確實(shí)造成了采動(dòng)破壞兩帶高度值的下降。該礦開采上限得到大幅度提高的關(guān)鍵在于臨近風(fēng)氧化帶覆巖結(jié)構(gòu)軟弱，加之上覆第四系底部黏土層，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育受到抑制。

綜上分析，盡管提高開采上限區(qū)域基巖柱厚度相對(duì)較小，但巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果表明基巖巖性中硬偏軟，而且風(fēng)氧化帶厚度占基巖柱總厚度的比例較大，其覆巖綜合強(qiáng)度將大大降低，開采形成的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育也會(huì)受到抑制，對(duì)礦井提高開采上限較為有利。

2.5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)計(jì)裂縫帶發(fā)育高度

魯西煤礦2007年觀測(cè)的3上109工作面，導(dǎo)水裂縫帶實(shí)測(cè)發(fā)育高度為34.73 m。與之相鄰的3上107工作面與3上109工作面開采地質(zhì)條件類似，開采工藝完全相同，因此類比3上107工作面開采后采動(dòng)覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度亦為34.73 m。但是3上107工作面開采2.5 a以后的實(shí)測(cè)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為30.4 m，相對(duì)于該工作面類比高度值降低了4.33 m。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，針對(duì)該區(qū)域工作面的覆巖條件，隨著工作面停采時(shí)間的增大，采動(dòng)裂隙尤其是上部的微小裂隙會(huì)部分閉合，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的下沉壓實(shí)后有所降低［4］。兩次實(shí)測(cè)結(jié)果見表1。

表1 導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度實(shí)測(cè)結(jié)果Table1 Height of water flow ing fractured zonemeasured results

按照中硬和軟弱覆巖巖性，根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》［5］(后述簡(jiǎn)稱“三下”規(guī)程)中導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度的經(jīng)驗(yàn)公式，預(yù)計(jì)上述實(shí)測(cè)工作面的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度見表2。

康永華等［6-7］認(rèn)為增大初次開采厚度會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度的明顯增加，而增大重復(fù)開采厚度則導(dǎo)水裂縫帶高度上升較慢，通過減小厚煤層初次開采厚度、增大重復(fù)開采厚度，完全可以控制導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度。研究得出的綜采工作面一至三分層開采條件下導(dǎo)水裂縫帶最大高度與采厚近似呈分式函數(shù)關(guān)系。在一定的采礦地質(zhì)條件下，基巖柱厚度不同對(duì)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度的影響也不同。實(shí)測(cè)表明，當(dāng)巖柱厚度較大時(shí)，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度也較大;當(dāng)巖柱厚度較小時(shí)，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度也較小。興隆莊煤礦在巖柱厚度大于80 m條件下，導(dǎo)水裂縫帶高度與累計(jì)采厚的關(guān)系可表示為式(1)，而在巖柱厚度小于80 m條件下，導(dǎo)水裂縫帶高度與累計(jì)采厚的關(guān)系可表示為式(2):

式中，HLi為導(dǎo)水裂隙帶高度，m;∑M為累計(jì)采厚，m。

巖柱厚度不同時(shí)導(dǎo)水裂縫帶高度與累計(jì)采厚的關(guān)系曲線見圖3。

圖3 巖柱厚度不同時(shí)導(dǎo)水裂縫帶高度與累計(jì)采厚的關(guān)系曲線Fig.3 The relation curve of water flow ing fractured zone height and cumulativem ining thick when the thickness of the rock pillars was change

參考以上研究成果，按興隆莊礦分層開采經(jīng)驗(yàn)值，結(jié)合魯西煤礦的地層條件，實(shí)測(cè)各工作面按照上述式(2)計(jì)算的導(dǎo)水裂縫帶高度見表3。

表3 導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度計(jì)算結(jié)果(興隆莊經(jīng)驗(yàn)公式)Table3 Height of water flow ing fractured zone calculation results(Xinglongzhuang em pirical form ula)

3 3111II工作面開采上限的確定

3.1 3111II工作面裂縫帶發(fā)育高度確定

3111II工作面導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度預(yù)計(jì)見表4，從表4中3111II工作面不同采厚情況下裂縫帶發(fā)育高度的預(yù)計(jì)結(jié)果可以看出，運(yùn)用3下107工作面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)類比得出的結(jié)果最小，運(yùn)用興隆莊煤礦薄基巖分層開采條件下的經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)計(jì)結(jié)果隨累計(jì)采厚的增加而變化的幅度很小，運(yùn)用“三下”規(guī)程中經(jīng)驗(yàn)公式(選取覆巖巖性為“中硬”，取中誤差為0)的預(yù)計(jì)結(jié)果與興隆莊礦經(jīng)驗(yàn)公式的預(yù)計(jì)結(jié)果非常接近，可以認(rèn)為是真實(shí)反映了3111工作面下分層開采后導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育的實(shí)際情況。

表4 3111II工作面導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度預(yù)計(jì)Table4 The expected height of 3111II working face water flow ing fractured zone

3.2 開采上限的確定

根據(jù)補(bǔ)充勘探鉆孔資料揭露的基巖巖性及煤層厚度，按照“三下”規(guī)程中經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算出3煤分叉區(qū)只開采下分層，按照最小采厚2.2 m的防水安全煤(巖)柱高度為38 m，3煤合并區(qū)按照2個(gè)分層開采，上分層開采厚度2.4 m，下分層按照最小采厚2.2 m留設(shè)的防水安全煤(巖)柱高度為49 m。

4 防治水措施

(1)在采區(qū)接近開采上限開采時(shí)，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)墓こ檀胧┻M(jìn)行勘察，準(zhǔn)確的確定采區(qū)第四系底部含水層的富水性。

(2)對(duì)于3下煤厚度變化較大的區(qū)域，以及合并區(qū)與分叉區(qū)的過渡區(qū)，導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度有所變化，要進(jìn)一步驗(yàn)算所留煤柱，先試后采，逐步擴(kuò)大范圍，遵循先易后難，邊采邊疏的原則，最大限度地回收資源［8］。

(3)生產(chǎn)過程中進(jìn)一步查明工作面內(nèi)含水層及上部采空區(qū)有水力聯(lián)系的導(dǎo)水?dāng)鄬印⒘严稁?，做好預(yù)留煤柱工作。在特殊地段適當(dāng)縮短工作面長(zhǎng)度，短壁快速掘進(jìn)。

(4)定期清理水倉(cāng)、水溝。井下巷道沿煤層布置，巷道中可能發(fā)生積水現(xiàn)象，在礦井生產(chǎn)期間應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況疏排巷道積水，確保井下巷道通暢。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)“三下”規(guī)程中經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算3煤分叉區(qū)只開采下分層，留設(shè)防水安全煤(巖)柱高度為38 m，3煤合并區(qū)按照2個(gè)分層開采，留設(shè)的防水安全煤(巖)柱高度為49 m。

(2)本區(qū)域底隔厚度賦存穩(wěn)定，具有良好的隔水性，3111II工作面提高開采上限在技術(shù)上是可行的、安全上是可靠的、經(jīng)濟(jì)上是合理的。

(3)防水安全煤(巖)柱的留設(shè)依據(jù)了《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中的相關(guān)規(guī)定，同時(shí)也參考了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)類比出的數(shù)據(jù)和類似條件下其他礦區(qū)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，已應(yīng)用于工程實(shí)踐，結(jié)果具有較高的可信度。

［1］ 山東科技大學(xué)，山東里能魯西礦業(yè)有限公司.3下107工作面裂縫帶高度探測(cè)研究報(bào)告［R］.青島:山東科技大學(xué)，2009.

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