李要鋒 李海生

(國投煤炭鄭州能源開發(fā)有限公司)

水庫下采煤安全性分析

李要鋒 李海生

(國投煤炭鄭州能源開發(fā)有限公司)

水體下安全采煤是煤礦面臨的技術(shù)難題之一。針對某礦31采區(qū)的煤層覆存、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)等具體地質(zhì)條件及五星水庫的現(xiàn)狀，運(yùn)用力學(xué)理論、經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)值模擬等多種方法分析了水體下采煤的安全性，得出覆巖破壞發(fā)展的一般特征，多種方法預(yù)計(jì)覆巖破壞高度相差不大，在礦井缺乏實(shí)測條件的情況下，預(yù)計(jì)導(dǎo)水裂縫帶高度更接近實(shí)際，限高5 m、最大采高7.5 m時(shí)，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度最大值分別為76.01,96.3 m。結(jié)果表明，五星水庫下進(jìn)行煤層全采是安全可行的。

水下采煤 導(dǎo)水裂隙帶 數(shù)值模擬 覆巖變形

某礦地表有楊河、魔洞王河及魔洞王水庫、董家溝水庫、紅石峽水庫，其中五星水庫位于該礦31采區(qū)上方，估算壓煤面積約30萬m2，壓煤量可達(dá)500多萬t。回采水庫下壓煤，對于緩解該礦資源壓力，保持礦井正常接替意義重大。

1 礦區(qū)及水庫概況

31采區(qū)位于某礦的東部，計(jì)劃采用單翼開采，采區(qū)上山布置于32采區(qū)東部邊界，區(qū)內(nèi)共劃7個(gè)工作面，分別為31131，31111，31091，31071，31051，31031，31011。31采區(qū)整體為單斜構(gòu)造，局部煤底板起伏較大。31采區(qū)上限標(biāo)高為+20.0 m，下限標(biāo)高為-357.0 m，地面標(biāo)高為+170～+223 m，走向長2 092～2 151 m，傾向長1 086～1 398 m，面積為2 791 453 m2。采區(qū)地面有五星水庫、村莊和工場，區(qū)內(nèi)地勢南高北低，溝谷發(fā)育，黃土覆蓋層較厚，無地層出露。

五星水庫位于31采區(qū)中部，庫容量達(dá)30萬m3，水域面積約63 060.67 m2，平均水深3.13 m，儲水量約197 341 m3，庫底標(biāo)高為+178.34 m(最深3.8 m)。深度邊界為水體的底界面，距二1煤頂部204 m，中部394 m，南部252 m。堤壩位于31采區(qū)的中下部，如果為堤壩留設(shè)保護(hù)煤柱，將對31091、31111、31131等工作面開采布局造成影響。

2 覆巖結(jié)構(gòu)特征分析

根據(jù)水庫附近的7個(gè)鉆孔柱狀圖，其中4-補(bǔ)22鉆孔位于31131設(shè)計(jì)工作面中部南側(cè)，4-補(bǔ)79 鉆孔位于31111設(shè)計(jì)工作面東部，5-補(bǔ)23鉆孔位于31131設(shè)計(jì)工作面西側(cè)，而5-補(bǔ)80鉆孔則位于31091設(shè)計(jì)工作面西部，即五星水庫大壩西北側(cè)，5-補(bǔ)39鉆孔位于31051設(shè)計(jì)工作面開切眼北側(cè)，6-補(bǔ)78 鉆孔位于31131設(shè)計(jì)工作面最西部31采區(qū)軌道上山附近，6-補(bǔ)7鉆孔位于31091設(shè)計(jì)工作面西部。鉆孔圖與工作面相對位置見圖1。根據(jù)鉆孔資料，將各功能巖層厚度匯總，見表1。利用Matlab繪制煤層底板標(biāo)高與基巖面高度示意圖(圖2)。

圖1 31采區(qū)工作面布置及鉆孔

為充分了解五星水庫下的地質(zhì)特征，運(yùn)用曲線擬合軟件，對五星水庫附近的7個(gè)地質(zhì)鉆孔的各個(gè)功能巖層分類匯集圈連，可以比較直觀地了解水庫下的表土層及基巖厚度的發(fā)育規(guī)律，見圖3、圖4。

從圖2～圖4可以看出：

(1)在水庫范圍內(nèi)，地表松散層厚度普遍較薄，從水庫的淺水部至深水部，表土層厚度有增加趨勢。

(2)從淺水部到深水部，基巖厚度逐漸增加，有利于水體下安全開采。同時(shí)基巖內(nèi)的隔水層總體上也增厚，加大了阻隔水庫水下滲的能力。

表1 鉆孔資料匯總 m

孔號第四系厚度鉆孔孔口標(biāo)高基巖面埋深基巖面標(biāo)高基巖厚度煤層厚度煤層底板埋深煤層底板標(biāo)高5-補(bǔ)3915.17195.3315.17180.16201.3614.61231.59-36.266-補(bǔ)78.00197.788.00189.78354.119.44371.48-173.705-補(bǔ)8010.05192.5310.05182.48310.618.05329.61-137.084-補(bǔ)7921.32196.2026170.2349.805.5376.53-180.336-補(bǔ)7822.72198.3822.72175.66419.0012.51454.18-255.805-補(bǔ)2328.90190.6930.46160.23395.968.17424.06-233.374-補(bǔ)226.05192.296.05186.24412.366.61424.45-232.16

圖2 基巖厚度示意

圖3 表土層厚度分布

圖4 基巖厚度分布

(3)頂板隔水層從淺部向深部逐漸增厚，但厚度總體較薄，處于導(dǎo)水裂縫帶內(nèi)，基本不具有隔水性。

(4)煤層頂板含水層厚度有漸增趨勢，水庫正下方總體較厚，5.10～16.56m，為采區(qū)的直接充水水源。由井田抽水資料可知，頂板含水層含水量小，對礦井安全生產(chǎn)影響不大。

3 覆巖巖性分析

按照《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》規(guī)定，在缺少實(shí)際觀測資料的礦區(qū)，可結(jié)合本區(qū)域上覆巖層巖性的綜合評價(jià)系數(shù)、地質(zhì)條件、開采技術(shù)條件等確定上覆巖層巖性特征。31采區(qū)煤層上覆巖層主要由中、細(xì)粒砂巖，粉砂巖，砂質(zhì)泥巖，泥巖等互層組成。經(jīng)綜合統(tǒng)計(jì)分析得，砂巖、粉砂巖、泥巖所占的比例大致為0.34∶0.08∶0.58，說明覆巖巖性屬軟弱偏中硬型[1-2]。為確保水體下采煤的安全，其導(dǎo)水裂縫帶最大高度按中硬和軟弱覆巖2種巖性進(jìn)行綜合分析計(jì)算。31采區(qū)表土層普遍較薄，受煤層傾角的影響，水庫范圍內(nèi)基巖厚度變化較大，201.36～412.36m。覆巖巖性構(gòu)成中，軟巖占比重較大，有利于阻隔水庫水向下滲漏。

4 防水安全煤巖柱設(shè)計(jì)

4.1 計(jì)算點(diǎn)選取

保護(hù)煤柱的設(shè)計(jì)應(yīng)首先考慮井下開采的安全性。在確保安全的前提下，根據(jù)礦井地質(zhì)條件，盡可能減小煤柱尺寸，減少煤炭損失。在設(shè)計(jì)水體范圍內(nèi)保護(hù)煤柱時(shí)，選取的計(jì)算點(diǎn)應(yīng)具有代表性，并盡可能多。限于井田范圍內(nèi)的地質(zhì)鉆孔資料缺乏，分別在水庫的上、中、下部及堤壩附近共取8個(gè)特征點(diǎn)計(jì)算，特征點(diǎn)分布見圖5。

圖5 特征點(diǎn)布置

4.2 覆巖破壞高度分析

根據(jù)選定的特征點(diǎn)，分別對每個(gè)點(diǎn)的導(dǎo)水裂縫帶破壞高度及裂縫帶發(fā)育最大標(biāo)高進(jìn)行計(jì)算，特征點(diǎn)的標(biāo)高、煤厚根據(jù)鉆孔柱狀圖及煤層底板等高線圖確定[3-4]。全采7.5m時(shí)覆巖破壞高度統(tǒng)計(jì)見表2，限厚5m時(shí)覆巖破壞高度統(tǒng)計(jì)見表3。

表2 全采7.5 m時(shí)覆巖破壞高度

表3 限厚5 m時(shí)覆巖破壞高度

綜合以上計(jì)算結(jié)果，將水庫平面圖與水庫下覆巖破壞高度均按1∶1繪制，則垮落帶與導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度可用圖6表示。

圖6 覆巖破壞發(fā)育高度示意

由圖6可以看出，31采區(qū)各工作面的導(dǎo)水裂隙帶高度與水庫底界面的垂直距離均在120 m以上。越靠近水庫下游，該安全距離越大，有利于實(shí)現(xiàn)水庫下安全開采。

4.3 煤巖柱尺寸計(jì)算

防水安全煤巖柱是為防止煤層上水體流入井下而在煤層開采上限與水體底邊界之間留設(shè)的煤與巖體的總成[5]。在工程實(shí)踐中，出于安全考慮，防水安全煤巖柱高度常用導(dǎo)水裂縫帶高度與保護(hù)層厚度之和表示，即

Hsh=Hli+Hb,

(1)

式中,Hsh為防水安全煤巖柱高度，m；Hli為導(dǎo)水裂縫帶最大高度，m；Hb為保護(hù)層厚度，m。

在緩傾斜條件下，保護(hù)層厚度取值見表4。

表4 防水安全煤巖柱的保護(hù)層厚度 m

埋藏條件松散層底部黏土層厚度大于累計(jì)采高松散層底部黏土層厚度小于累計(jì)采高松散層全厚小于累計(jì)采高松散層底部無黏土層堅(jiān)硬巖層4A5A6A7A中硬巖層3A4A5A6A軟弱巖層2A3A4A5A極軟弱巖層2A2A3A4A

注：A為累計(jì)采高與分層層數(shù)的比值。

由表1和圖3可知，地表松散土層平均厚16m左右，大于煤層采高。根據(jù)表4，31采區(qū)防水安全煤巖柱的保護(hù)層厚度按軟弱和中硬2種方案計(jì)算，得水庫下保護(hù)層厚度分別為2倍和3倍的回采高度。導(dǎo)水裂隙帶高度按照預(yù)計(jì)最大值計(jì)算，煤層厚度按照實(shí)際情況選取。計(jì)算得出保護(hù)層厚度及水庫下防水安全煤巖柱厚度，見表5。

表5 防水安全煤巖柱高度 m

計(jì)算點(diǎn)號導(dǎo)水裂縫帶高度Hli軟弱中硬保護(hù)層厚度Hb軟弱中硬防水安全煤巖柱Hsh軟弱中硬水庫底部距保護(hù)帶上限距離/m軟弱中硬1#48.6162.611116.559.6179.11138.19118.692#56.1569.5212.418.668.5588.12160.47140.93#59.5072.421319.572.591.92172.2152.784#66.478.1214.221.378.692.32188.7174.985#63.6273.3813.219.876.8293.18200.58184.226#73.2996.301522.588.29107.97217.71198.037#66.478.1214.221.380.699.42237.9219.088#68.7380.5114.421.683.13102.11249.07230.09

由表5可知,在各計(jì)算點(diǎn)處，按實(shí)際采高計(jì)算，水庫底部距保護(hù)帶上限距離最小為118m，最大為230m，即考慮導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育狀況與保護(hù)層厚度之后，上覆巖距水庫底邊界仍有118～230m的余量。由地質(zhì)勘探資料可知，上覆巖層多為泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖互層，且泥巖占比較大，有利于形成隔水層，完全可以阻隔松散含水層及地表水體與導(dǎo)水裂隙區(qū)的通道。水庫下限厚5m回采，則采煤安全性更高。

5 水庫下開采可行性分析

根據(jù)多種方法計(jì)算結(jié)果可知：31采區(qū)水庫下開采，全采時(shí)，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度的平均值為75.4m，最大值為96.3m，保護(hù)層厚度取最大值為22.5m。導(dǎo)水裂縫帶高度按最大值計(jì)算，水庫底部距保護(hù)帶上限有78.8～199.2m的覆巖厚度；導(dǎo)水裂縫帶高度若按平均值計(jì)算，則上部覆巖厚度將達(dá)到118～230m。根據(jù)地質(zhì)鉆孔資料分析，上覆巖多為泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖互層，且泥巖占比大，有利于形成隔水層，完全可以阻隔水庫及松散含水層水體向下貫通。

31采區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，水庫附近斷層多，破壞了覆巖的完整性，降低其隔水性能。同時(shí)，工作面回采過程中，覆巖容易產(chǎn)生剪切破斷、臺階沉降等破壞，形成導(dǎo)水通道，對水體下采煤有較大的安全隱患。由上一章計(jì)算結(jié)果可知，限厚5m回采，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育預(yù)計(jì)高度為58.76m，最大預(yù)計(jì)值為76.01m，導(dǎo)水裂縫帶高度比全采時(shí)明顯降低。由于水庫呈狹長形，直接壓煤面積不大，但會影響整個(gè)采區(qū)的工作面布置。從最大限度回采煤炭資源的角度考慮，對水庫下煤層采用限厚開采，一方面開采強(qiáng)度降低，覆巖破壞較緩和；另一方面覆巖破壞高度也會降低，從而提高水庫下采煤的安全性[6]。

6 結(jié) 論

(1)利用某礦勘探資料，詳細(xì)分析了覆巖的結(jié)構(gòu)特征，具有基巖厚、泥巖占比大的特點(diǎn)，有利于形成隔水層。

(2)對某礦水體下開采覆巖破壞高度進(jìn)行預(yù)計(jì)，得出限厚5m、最大采高7.5m時(shí)，預(yù)計(jì)導(dǎo)水裂縫帶高度平均值分別為58.76,75.4m，最大值分別為76.01，96.3m。

(3)根據(jù)選定的計(jì)算點(diǎn)和導(dǎo)水裂縫帶的預(yù)計(jì)值，分析了防水安全煤巖柱的高度，覆巖破壞上界面與水庫底界面之間至少有118～230m的覆巖層，覆巖結(jié)構(gòu)中泥巖比重大，水庫內(nèi)水體不會影響工作面的正?；夭?。

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2014-12-15)

李要鋒(1980—)，男，助理工程師，452370 河南省登封市徐莊鎮(zhèn)教學(xué)三礦。