熊法政，陳江峰，楊達(dá)明，馮建超

(1.河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作454000；2.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；3.河南省新鄭煤電有限責(zé)任公司，河南 新鄭 451100)

趙家寨礦新近系含水層下綜放開采安全煤巖柱留設(shè)研究

熊法政1，陳江峰1，楊達(dá)明2，馮建超3

(1.河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作454000；2.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；3.河南省新鄭煤電有限責(zé)任公司，河南 新鄭 451100)

[摘要]為解決趙家寨礦新近系砂礫石層含水層下安全煤巖柱合理留設(shè)問題，對(duì)該礦12采區(qū)松散層地質(zhì)和水文條件進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，12采區(qū)工作面需要留設(shè)防水煤巖柱。結(jié)合UDEC軟件數(shù)值模擬煤層開采時(shí)裂縫帶發(fā)育高度，擇優(yōu)選取綜放開采公式預(yù)計(jì)導(dǎo)水裂縫帶高度，采用“最小有效隔水厚度法”選取保護(hù)層厚度；最終計(jì)算出防水煤巖柱留設(shè)高度。研究結(jié)果表明：12205工作面需要留設(shè)95.42m高防水煤巖柱，12211工作面需要留設(shè)112.93m高防水煤巖柱，12201工作面需要留設(shè)86.56m高防水煤巖柱。2015年5月12211工作面試采成功，驗(yàn)證了防水煤巖柱留設(shè)的安全性。

[關(guān)鍵詞]新近系；松散含水層；防水煤巖柱；導(dǎo)水裂縫帶

在煤層隱伏露頭附近和薄基巖區(qū)采煤時(shí)，煤礦安全生產(chǎn)主要受上覆松散含水層水和地表水體威脅?；鶐r厚度在0～70m時(shí)，如果開采強(qiáng)度過大，還時(shí)刻面臨著水砂涌突的可能[1-5]。煤層開采時(shí)導(dǎo)水裂縫帶是否導(dǎo)通煤層上覆砂巖裂隙含水層和松散含水層水，主要取決于導(dǎo)水裂縫帶高度和開采煤層至含水層之間的距離[6-8]。近年來，華東、華北、西北等地的許多煤礦在松散含水層下采煤已經(jīng)取得了成功實(shí)踐，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)[9-11]。孟召平等學(xué)者還研究了第四系松散含水層下煤層開采突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)和防水煤柱留設(shè)的理論與方法[12]，但都是針對(duì)特定礦井的研究成果，目前還沒有一個(gè)通用的方法[13-14]。

趙家寨礦12采區(qū)東翼煤層受到新近系底部砂礫石層含水層威脅，為了解決松散含水層水下壓煤問題，本文首先對(duì)12采區(qū)地質(zhì)和水文條件分析評(píng)價(jià)，確定需要留設(shè)的安全煤巖柱類型；其次結(jié)合UDEC軟件數(shù)值模擬煤層開采時(shí)裂縫帶發(fā)育高度，擇優(yōu)選取公式預(yù)計(jì)導(dǎo)水裂縫帶高度，合理選擇保護(hù)層厚度；最終確定安全煤巖柱留設(shè)高度。采用上述方法比直接選擇保守的導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算公式降低了22.9m高防水煤巖柱，大大提高了開采上限，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)有類似地質(zhì)條件礦井留設(shè)安全煤巖柱有重要的借鑒意義。

1礦井地質(zhì)概況及水文地質(zhì)特征

1.1礦井地質(zhì)概況

趙家寨礦位于新密煤田東部，東西長13.5km，南北寬3.7km，面積49.6km2。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為3Mt/a，服務(wù)年限為53.3a。本區(qū)主體構(gòu)造為兩翼地層產(chǎn)狀平緩，傾角3～15°，軸向NWW～SEE的寬緩背斜構(gòu)造—滹沱背斜，同時(shí)發(fā)育有次一級(jí)褶曲。井田內(nèi)地層由老到新依次為寒武系上統(tǒng)、奧陶系中統(tǒng)、石炭系上統(tǒng)、二疊系、新近系及第四系。主采二1煤層，平均厚度6m，采用綜采放頂煤采煤方法。井田內(nèi)松散層為第四系、新近系全覆蓋，12采區(qū)上覆基巖厚度等值線圖如圖1所示。由圖1可以看出12211工作面基巖厚度較薄，12205和12201工作面基巖厚度變化較大。

圖1　12采區(qū)東翼基巖厚度分布

1.2松散層內(nèi)含(隔)水層(組)劃分

12采區(qū)東翼松散層內(nèi)部含水層和隔水層厚度分布不一，橫向連續(xù)性較差，剖面上大多呈透鏡狀，因缺少明顯的標(biāo)志層，單個(gè)的砂礫石層(含水層)、黏土層(隔水層)對(duì)比基本無法實(shí)現(xiàn)，因此采用了含(隔)水層(組)的方式劃分，并對(duì)比了12采區(qū)東翼新近系和第四系松散層含(隔)水層(組)，劃分出四段，如圖2所示。

圖2　12采區(qū)東翼松散層含隔水層組對(duì)比剖面

第一段主要是由第四系黃土和底部礫石層組成的中強(qiáng)含水層組；第二段巖性主要為細(xì)砂、砂質(zhì)黏土和礫石，砂巖層和礫石層呈透鏡狀或條帶狀發(fā)育在黏土和砂質(zhì)黏土層中，屬于相對(duì)弱富水層組；第三段巖性主要為厚層的黏土和砂質(zhì)黏土，局部見零星分布的透鏡狀砂巖，該層組能有效阻隔第四系第一強(qiáng)含水層組、新近系上部第二相對(duì)弱含水層組與下部含水層組的水力聯(lián)系；第四段巖性主要為細(xì)砂、粉砂、砂質(zhì)黏土、黏土和礫石，呈基本連續(xù)的條帶狀，局部為透鏡狀。該含水層組中的含水性中等，滲透率介于含水與弱透水之間，水量主要為靜儲(chǔ)量，主要為原始沉積物中殘留水。與新近系上部和第四系含水層組的水力聯(lián)系被上部的第三穩(wěn)定隔水層組阻隔。煤層開采過程中主要受到新近系底部砂礫石層含水層水的威脅。

1.3新近系底部巖性分布及古河道位置

據(jù)統(tǒng)計(jì)鉆孔資料顯示，新近系地層以泥巖和砂質(zhì)泥巖為主，砂礫石層所占比例較小。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算得出區(qū)內(nèi)新近系砂泥巖比為0.05～0.35，12211工作面為0.05～0.15。新近系地層組合以隔水層為主，間夾不穩(wěn)定的含水層，含水層中以新近系底部礫石層為主要含水層，厚度0～5m。水質(zhì)分析結(jié)果為HCO3+Na+Ca型水，礦化度0.33～0.45，抽水試驗(yàn)得出的單位涌水量q值為0.0041～0.2058L/(s·m)，富水性屬于弱到中等(偏弱)。由圖3可以看出12采區(qū)東翼新近系底部為礫石區(qū)，主要分布在12211工作面，其他工作面分布的多為黏土和砂質(zhì)黏土，屬河床滯留沉積，固結(jié)成巖作用微弱，遇水軟化，裂隙閉合起隔水層的作用。

圖3　新近系與基巖接觸面巖性分布示意

通過上述分析可知，對(duì)趙家寨礦12采區(qū)東翼煤層開采影響較大的為新近系底部砂礫石層含水層，且底部缺失黏土層隔水，富水性為弱到中等(偏弱)。下覆煤層開采過程中如果導(dǎo)水裂縫帶導(dǎo)入新近系底部含水層，工作面會(huì)面臨突水危險(xiǎn)，此類工作面須留設(shè)防水安全煤巖柱以保障煤礦安全開采，同時(shí)也是《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》(以下簡稱《三下采煤規(guī)程》)中明確要求留設(shè)防水安全煤巖柱的情形。

2導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度預(yù)計(jì)

2.1上覆巖層的力學(xué)性質(zhì)評(píng)價(jià)

選擇“兩帶”高度的計(jì)算方法之前需要確定上覆巖層的力學(xué)性質(zhì)，從12采區(qū)巖石組合特征上看屬于中硬性巖類(巖石抗壓強(qiáng)度20～40MPa)。為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)上覆巖層的力學(xué)性質(zhì)，采用《三下采煤規(guī)程》中覆巖綜合評(píng)價(jià)系數(shù)P來判定，P的大小取決于覆巖巖性及其厚度，可用下式計(jì)算：

(1)

式中，mi為覆巖i分層的法線厚度，m；P為綜合評(píng)價(jià)系數(shù)；Qi為覆巖i分層巖性評(píng)價(jià)系數(shù)。

對(duì)12采區(qū)東翼內(nèi)選擇兩個(gè)比較有代表性的鉆孔——1153和1154鉆孔，利用上述計(jì)算方法及鉆孔資料，經(jīng)計(jì)算得知：1153鉆孔覆巖綜合評(píng)價(jià)系數(shù)P=0.596，1154鉆孔覆巖綜合評(píng)價(jià)系數(shù)P=0.590。查《三下采煤規(guī)程》中“巖性綜合評(píng)價(jià)系數(shù)P與系數(shù)D的對(duì)應(yīng)關(guān)系表”可知12采區(qū)東翼覆巖屬于中硬(0.30～0.70)偏軟弱的類型。

2.2預(yù)計(jì)導(dǎo)水裂縫帶高度公式選擇

趙家寨礦開采方法是綜放開采，許延春等學(xué)者在2011年研究了適用于綜放開采覆巖“兩帶”高度的計(jì)算公式，研究認(rèn)為，通過對(duì)比公式計(jì)算“兩帶”高度與實(shí)測(cè)值和分層綜采計(jì)算值，認(rèn)識(shí)到綜放開采工作面所總結(jié)的公式預(yù)測(cè)“兩帶”高度誤差較小，并且預(yù)測(cè)“兩帶”值一般大于實(shí)測(cè)值[15]。因此，采用綜放開采覆巖“兩帶”高度的計(jì)算公式較為安全合理。

文獻(xiàn)[15]中提出的適用于中硬性覆巖的綜采工作面，導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算公式即為本次采用的公式：

(2)

式中，Hli為導(dǎo)水裂縫帶高度，m；M為采厚，m。

2.3導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度UDEC數(shù)值模擬

為了更合理地選用導(dǎo)水裂縫帶高度經(jīng)驗(yàn)公式，采用UDEC數(shù)值模擬了不同采高時(shí)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度[16]，選取了采厚為3m，6m，9m分別進(jìn)行模擬，由塑性破壞區(qū)分布圖(圖4)分析可知采高為3m，6m，9m時(shí)模擬的導(dǎo)水裂縫帶高度分別為30.5m，61.3m，86.5m。模擬結(jié)果與公式(2)取負(fù)號(hào)時(shí)計(jì)算結(jié)果較為接近。

圖4　不同采高時(shí)塑性破壞區(qū)分布

2.4基巖風(fēng)化帶特征

采區(qū)內(nèi)基巖風(fēng)化層平均厚度達(dá)20m，風(fēng)化巖層中粉砂巖、細(xì)砂巖遭受強(qiáng)風(fēng)化作用后所含長石等礦物多黏土化，受水侵蝕后多迅速崩解、泥化。文獻(xiàn)[17]指出遭受風(fēng)化及強(qiáng)烈風(fēng)化的基巖發(fā)生結(jié)構(gòu)及組分變異，具有阻礙上面含水層水垂直下滲和抑制下面采動(dòng)裂縫發(fā)展的雙重作用[17]。

3防水煤巖柱的留設(shè)高度

《三下采煤規(guī)程》防水安全煤巖柱的留設(shè)公式為：

Hsh≥Hli+Hb+Hfe

(3)

式中，Hsh為防水煤巖柱垂高，m；Hli為導(dǎo)水裂縫帶高度，m；Hb為保護(hù)層厚度，m；Hfe為基巖風(fēng)化帶厚度，m。

文獻(xiàn)[18]中指出，目前尚無適用于水體下綜放開采保護(hù)層厚度的留設(shè)方法，如果按普采或分層綜采的規(guī)定進(jìn)行留設(shè)不盡合理。建議綜放開采時(shí)取保護(hù)層最小有效隔水厚度為6m[18]。根據(jù)本區(qū)的勘探資料，基巖風(fēng)化層平均厚度為20m。結(jié)合導(dǎo)水裂縫帶經(jīng)驗(yàn)公式、防水安全煤巖柱留設(shè)公式及鉆孔的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，計(jì)算出的數(shù)據(jù)如表1所示。

為了安全起見，工作面防水煤巖柱留設(shè)高度取工作面內(nèi)最大值，由表1可知12205工作面需要留設(shè)95.42m高防水煤巖柱，12211工作面需要留設(shè)112.93m高防水煤巖柱，12201工作面需要留設(shè)86.56m高防水煤巖柱，才能保障采煤時(shí)安全。

表1　防水煤巖柱高度

4結(jié)論

(1)通過對(duì)12采區(qū)東翼第四系、新近系含隔水層組對(duì)比分析以及新近系底部含水層富水性評(píng)價(jià)結(jié)果可知，趙家寨礦12采區(qū)東翼工作面需要留設(shè)安全煤巖柱類型為防水煤巖柱。

(2)12采區(qū)東翼煤層開采時(shí)，12205工作面需要留設(shè)95.42m防水煤巖柱，12211工作面需要留設(shè)112.93m防水煤巖柱，12201工作面需要留設(shè)86.56m防水煤巖柱。比直接采用保守的導(dǎo)水裂縫帶高度公式計(jì)算降低22.9m高防水煤巖柱，多解放出了20Mt煤炭資源。

(3)2015年5月12211工作面在留設(shè)113m高的安全煤巖柱的前提下成功試采，為12205和12201工作面的成功開采奠定了基礎(chǔ)，也為類似地質(zhì)條件的礦井提供借鑒。

[參考文獻(xiàn)]

[1]國家煤炭工業(yè)局制定.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[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，2000.

[2]申寶宏，孔慶軍，許延春，等．厚含水松散層下留防砂煤柱綜放開采方法適應(yīng)性研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2000，28(10)：35-38.

[3]隋旺華，董青紅．近松散層開采孔隙水壓力變化及其對(duì)水砂突涌的前兆意義[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27(9)：1908-1916.

[4]許延春，劉世奇.水體下綜放開采的安全煤巖柱留設(shè)方法研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2011，39(11):1-4，22.

[5]涂敏，桂和榮，李明好，等.厚松散層及超薄覆巖厚煤層防水煤柱開采試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(20)：3494-3497.

[6]許家林，朱衛(wèi)兵，王曉振.松散承壓含水層下采煤突水機(jī)理與防治研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2011，28(3):333-339.

[7]邵亞紅，姚多喜，魯海峰，等．松散層底部含水層富水性評(píng)價(jià)[J].煤礦安全，2014，45(7):127-130.

[8]王福清.厚松散層超薄基巖煤層開采防砂煤巖柱留設(shè)研究[J].煤礦開采，2015，20(2):24-26.

[9]許延春，劉世奇，柳昭星，等．近距離厚煤層組工作面覆巖破壞規(guī)律實(shí)測(cè)研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2013，30(4)：506-511.

[10]SUN Ya-jun, XU Zhi-min, DONG Qing-hong et al.Forecasting water disaster for a coal mine under the Xiaolangdi reservoir[J].Journal China University of Mining Technology，2008，18(4)：516-520.

[11]許延春，李江華，李衛(wèi)民，等．趙固二礦露頭區(qū)砂礫含水層下安全煤巖柱留設(shè)研究[J].煤礦開采，2014，19(3)：47-50.

[12]孟召平，高延法，盧愛紅，等．第四系松散含水層下煤層開采突水危險(xiǎn)性及防水煤柱確定方法[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2013，30(1)：23-29.

[13]許延春，丁鑫品，張冰，等．多倫協(xié)鑫煤礦1702-1工作面水體下綜放開采安全煤巖柱的留設(shè)研究[J].煤礦開采，2010，15(4):25-28.

[14]李沛濤，武強(qiáng)．開采底礫含水層保護(hù)煤柱可行性研究[J].煤炭工程，2008，40(11)：7-9.

[15]許延春，李俊成，劉世奇，等．綜放開采覆巖“兩帶”高度的計(jì)算公式及適用性分析[J].煤礦開采，2011，16(2)：4-7.

[16]陳陸望，桂和榮，李一帆.UDEC模擬厚松散層及超薄覆巖條件下開采防水煤柱覆巖突水可能性[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2007，34(1):53-56，61.

[17]廖學(xué)東.松散含水層下采煤合理煤巖柱高度的確定[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003，22(6):737-739.

[18]許延春.綜放開采防水煤巖柱保護(hù)層的“有效隔水厚度”留設(shè)方法[J].煤炭學(xué)報(bào)，2005，30(3):305-308.

[責(zé)任編輯：張玉軍]

Safety Pillar Design for Full-mechanized Top Coal Caving under Neogene Aquifer of Zhaojiazhai Coal Mine

XIONG Fa-zheng1，CHEN Jiang-feng1，YANG Da-ming2，F(xiàn)ENG Jian-chao3

(1.Resource & Environment School，Henan University of Science & Technology，Jiaozuo 454000,China；2.Energy Science & Engineering School，Henan University of Science & Technology，Jiaozuo 454000，China；3.Xinzheng Coal and Electricity Co.，Ltd.，Xinzheng 451100，China)

Abstract：In order to solve the problem of safety coal pillar design，which under the gravel aquifer of Neogene in Zhaojiazhai coal mine，the geological situation of loose seam and hydrological of 12 mining zone were evaluated，waterproof coal and rock pillar should be set for working face in 12 mining zone according the results，the development height of diversion fissure zone that appeared during coal mining process was simulated by UDEC，the diversion fissure zone height was predicted by the optimal formula of full-mechanize caving mining，and protective layer thickness was selected by method of ‘the minimum and effective waterproof thickness’，and worked out the height of waterproof pillar at the end.The results showed that waterproof pillar height were 95.42m，112.93m and 86.56m of 12205，12211 and 12201 working face，respectively，the safety of waterproof pillar was verified by success mining of 12211 working face.

Keywords：Neogene；loosen aquifer；waterproof rock pillar；diversion fissure zone

[收稿日期]2015-09-06[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.03.023

[基金項(xiàng)目]國家自然科學(xué)基金(U12612031)；河南省國土資源重大改革創(chuàng)新問題研究項(xiàng)目(2014YGT09)

[作者簡介]熊法政( 1990-)，男，河南南陽人，在讀碩士研究生，主要從事礦井水防治和特殊煤層開采方面的學(xué)習(xí)與研究。 通迅作者：陳江峰(1965-)，男，河南南陽人，博士后，教授。

[中圖分類號(hào)]TD745.21

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1006-6225(2016)03-0085-04

[引用格式]熊法政，陳江峰，楊達(dá)明，等.趙家寨礦新近系含水層下綜放開采安全煤巖柱留設(shè)研究[J].煤礦開采，2016，21(3)：85-88.