李 磊

（天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京100013）

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特殊采煤與礦區(qū)環(huán)境治理

淺埋深薄基巖地表水體下厚煤層重復(fù)開采研究

李 磊

（天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京100013）

淺埋深薄基巖工作面導(dǎo)水裂縫帶存在導(dǎo)通含水層及地表水的可能性，最終造成工作面突水的威脅?；诙鯛柖嗨鼓车V實際地質(zhì)采礦條件進(jìn)行分析，對煤層開采的覆巖破壞高度進(jìn)行預(yù)計，針對地表水體留設(shè)了防水煤巖柱，最終得出了地表水體下厚煤層重復(fù)開采的方案，并實現(xiàn)了工作面的安全開采，為鄂爾多斯地區(qū)解決類似條件下煤炭資源的回采提供了參考。

淺埋深薄基巖；重復(fù)開采；導(dǎo)水裂縫帶

我國西部煤炭資源，尤其是蒙陜礦區(qū)大多面臨著淺埋深薄基巖水體下安全開采的難題。國內(nèi)學(xué)者對此類問題展開了大量研究，并取得一定成果。薛東杰等基于相似模擬試驗對淺埋深薄基巖采動裂隙演化規(guī)律進(jìn)行研究，并提出柱式塌落型結(jié)構(gòu)及其失穩(wěn)判斷準(zhǔn)則［1-2］；王兆會等通過理論分析及數(shù)值模擬對淺埋深薄基巖高強(qiáng)度開采的覆巖破壞特征進(jìn)行分析［3］；張玉軍等通過現(xiàn)場實測、理論分析、數(shù)值模擬等手段對淺埋深薄基巖綜放開采下的覆巖破壞類型進(jìn)行分析［4］；賈明魁利用短砌體梁及失穩(wěn)后呈臺階巖梁的力學(xué)結(jié)果對薄基巖厚松散結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析并通過實測確定了覆巖破壞高度［5］；許延春等基于趙固一礦深厚松散層薄基巖條件下的覆巖高度實測確定其裂采比為8.59［6］；繆協(xié)興等運用水文地質(zhì)分析、巖相古地理分析等方法分析了神東礦區(qū)淺埋深、薄基巖、厚砂層潰砂原理及其特點［7］。但目前尚未對淺埋深薄基巖水體下煤炭資源的近距離煤層的重復(fù)采動引起的覆巖破壞及礦井的安全回采問題進(jìn)行研究分析。本文以鄂爾多斯某礦實際地質(zhì)采礦條件為基礎(chǔ)，運用了水理力學(xué)測試、數(shù)值模擬、鉆孔實測、理論分析等手段，對淺埋深薄基巖厚煤層水體下安全開采進(jìn)行了研究。

1　礦井水文地質(zhì)條件

鄂爾多斯某礦位于東勝煤田北部邊緣，井田范圍內(nèi)賦存12層煤層，其中，2-3，3-1，4-1，4-2，5-1號煤層在井田內(nèi)大部可采，礦井主采2-3 與3-1煤層，2-3煤層平均厚度約為3.6m，設(shè)計開采厚度為2.8～4.0m，3-1煤層平均厚度約為4.8m，設(shè)計開采厚度為2.8～5.5m，其中2-3煤位于3-1煤之上，其平均間距為36.2m，均采用綜合機(jī)械化采煤法。

根據(jù)礦井的水文地質(zhì)分析可知，礦井開采的主要充水水源包括大氣降水、地表水、第四系孔隙水、基巖風(fēng)化帶含水層及煤系地層砂巖含水層。其中礦井采動最易導(dǎo)通第四系孔隙水及基巖風(fēng)化帶含水層，其中基巖風(fēng)化帶屬透水且含水地層，滲透系數(shù)為0.1545～0.4673m/d，透水性良好，為中等富水類型。以基巖風(fēng)化帶底部為界，風(fēng)化帶及上部地層，以砂巖或泥質(zhì)砂巖為主，不膠結(jié)或弱膠結(jié)，巖芯采取率低，鉆孔沖洗液消耗量高，孔隙、裂隙較發(fā)育；風(fēng)化帶以下地層，由于風(fēng)化作用逐漸減弱，膠結(jié)程度較好，巖芯采取率除煤層外，采取率相對較高，沖洗液消耗量相對較小，原生裂隙發(fā)育率相對風(fēng)化帶大幅減低。煤層的開采面臨著淺埋深弱固結(jié)巖層水體下安全開采的問題。

2　3-1煤頂板基巖水理試驗及覆巖結(jié)構(gòu)類型判斷

2.13-1煤頂板基巖水理試驗

3-1煤頂板基巖以泥質(zhì)砂巖、砂巖和砂質(zhì)泥巖為主，巖石礦物組成以硅質(zhì)礦物、碳酸鹽類礦物和黏土礦物為主。砂巖類巖石礦物石英含量23.2%～55.4%，長石含量2.4% ～34.3%，方解石含量0～22.5%，黏土礦物10.6%～44.2%，以石英、鉀鈉長石和方解石占優(yōu)，其次為黏土礦物；泥巖類巖石礦物石英含量19.9% ～25.2%，長石含量5.3% ～18.3%，黏土礦物56.8% ～74.8%，黏土礦物占優(yōu)，其次為石英、鉀鈉長石和方解石類礦物。

巖石膠結(jié)物（硅質(zhì)、鐵質(zhì)、鈣質(zhì)、泥質(zhì)等）類型不同、含量不同，其巖石的力學(xué)強(qiáng)度有很大差別，硅質(zhì)＞鐵質(zhì)＞鈣質(zhì)＞泥質(zhì)。由本次取樣樣品的礦物成分分析結(jié)果可知，3-1煤頂板基巖均屬于泥質(zhì)膠結(jié)（黏土礦物），雖然該區(qū)巖石硅酸鹽和碳酸鹽類礦物占優(yōu)，但是由于其成熟度低，泥質(zhì)膠結(jié)，屬軟～中硬巖石。

通過進(jìn)行礦物相對含量X射線分析的測定結(jié)果表明，黏土礦物以蒙托石類和高嶺石為主，二者占77%～90%，其中具有較好膨脹性的蒙托石占45%～84%；其次為伊利石和綠泥石類礦物，占10%～23%。黏土礦物絕對含量占巖石總質(zhì)量的10.6%～74.8%，平均39.05%，煤層頂板巖體具有一定的遇水軟化特性，尤其是煤層頂?shù)装迥鄮r類巖層具有遇水軟化特性，有利于礦井采動裂隙遇水閉合。

2.23-1煤覆巖結(jié)構(gòu)類型判斷

3-1煤頂板基巖總厚度為141.9m，其中砂巖類巖層占比51.7%，泥巖類占比48.3%，其中粗、中粒砂巖自然狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度為2.80～46.85MPa，屬軟弱-中硬類巖石；細(xì)、粉砂巖類自然狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度為6.00～67.79MPa，屬軟弱-中硬類巖石；砂質(zhì)泥巖類自然狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度為7.4～29.0MPa，屬軟弱-中硬類巖石。

煤系地層基巖柱中巖石力學(xué)參數(shù)多為軟弱-中硬類型，該煤礦2-3和3-1煤層上覆基巖柱以砂巖類巖石為主，經(jīng)綜合分析認(rèn)為，該煤礦2-3，3-1煤層上覆基巖應(yīng)屬中硬偏軟類型。

3　2-3煤層與3-1煤層開采覆巖破壞高度預(yù)計

覆巖破壞高度是水體下安全開采的重要數(shù)據(jù)，采用了地面鉆孔實測與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對淺埋深薄基巖厚煤層開采的覆巖破壞高度進(jìn)行了預(yù)計，取得了相關(guān)數(shù)據(jù)。

3.1地面鉆孔實測

為了取得礦井煤層開采的覆巖破壞高度數(shù)據(jù)，在2-3煤層開采工作面地表施工了一組鉆孔（LD-121，LD-122，LD-123），采用沖洗液漏失量觀測與鉆孔彩色電視觀測相結(jié)合的方法進(jìn)行了 “兩帶”高度實測，實測結(jié)果表明2-3煤層單層開采厚度為3.2m，導(dǎo)水裂縫帶高度為49.3～57.1m，裂采比為15.40～17.84，垮落帶高度為16m，垮采比為5（表1）。

表1　2-3煤層導(dǎo)水裂縫帶高度實測結(jié)果

3.2數(shù)值模擬預(yù)計

根據(jù)水多湖川區(qū)域內(nèi)鉆孔柱狀統(tǒng)計及巖石力學(xué)試驗確定巖石力學(xué)相關(guān)參數(shù)，利用FLAC3D軟件構(gòu)建了數(shù)值模擬模型。模擬分析得出當(dāng)2-3煤采厚為3.2m，3-1煤層采厚為4.0m時，重復(fù)開采的導(dǎo)水裂縫帶最大高度為124.0m，如圖1所示。

圖1　工作面推進(jìn)200m后覆巖移動變形數(shù)值模型

3.32-3，3-1煤層重復(fù)開采覆巖破壞高度預(yù)計

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》（簡稱 《“三下”采煤規(guī)程》）規(guī)定，兩層煤疊加開采時，上、下層煤的最小垂距大于回采下層煤的垮落帶高度時，上、下層煤的導(dǎo)水裂縫帶最大高度可按上、下層煤的厚度分別預(yù)計，取其中標(biāo)高最高者作為兩層煤的導(dǎo)水裂縫帶最大高度；當(dāng)下層煤的垮落帶接觸到或完全進(jìn)入上層煤范圍內(nèi)時，上層煤的導(dǎo)水裂縫帶最大高度采用本層煤的開采厚度計算，下層煤的導(dǎo)水裂縫帶最大高度則應(yīng)采用上、下兩層煤的綜合開采厚度來計算，取其中標(biāo)高最高者為兩層煤的導(dǎo)水裂縫帶最大高度。根據(jù)礦井實測數(shù)據(jù)，結(jié)合礦井鉆孔柱狀資料，取3-1煤層開采的垮采比為5，得出3-1煤層開采垮落帶波及不到2-3煤層。因此分別按各煤層的實際開采厚度來計算導(dǎo)水裂縫帶高度，依據(jù)礦井實測結(jié)果，2-3，3-1煤層的開采的裂采比均為17，計算得出2-3煤層開采厚度為2.8～4.0m時，導(dǎo)水裂縫帶高度為47.6～68.0m；3-1煤層開采厚度為2.8～5.5m時，導(dǎo)水裂縫帶高度為47.6～93.5m。取兩者標(biāo)高高者為兩層煤開采的導(dǎo)水裂縫帶最大高度，根據(jù)礦井鉆孔統(tǒng)計資料得出，2-3，3-1煤層重復(fù)開采的導(dǎo)水裂縫帶最大高度為57.10～111.55m。

4　地表水體下重復(fù)開采的可行性評價

基于重復(fù)開采的導(dǎo)水裂縫帶高度預(yù)計，2-3，3-1煤層重復(fù)開采時需留設(shè)防水安全煤巖柱，保護(hù)層厚度取6倍采厚，基巖風(fēng)化帶厚度取43.4m。根據(jù) 《“三下”采煤規(guī)程》規(guī)定，防水安全煤巖柱最小尺寸應(yīng)滿足下式:

式中，Hsh為防水安全煤巖柱的垂高，m；Hli為導(dǎo)水裂縫帶最大高度，m；Hb為保護(hù)層厚度，m；Hf為基巖風(fēng)化帶深度，m。

將各個鉆孔實際地質(zhì)參數(shù)代入式（1），并與基巖柱高度進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明重復(fù)開采區(qū)域3-1煤層頂板基巖柱厚度能夠滿足留設(shè)防水安全煤巖柱的要求，見表2。即2-3煤層以設(shè)計限厚（3.2m）和3-1煤層以沉積厚度開采時，可實現(xiàn)煤層的安全重復(fù)開采。由于水多湖川區(qū)域內(nèi)鉆孔控制差，若采厚發(fā)生變化時，應(yīng)重新進(jìn)行2-3，3-1煤層重復(fù)開采的可行性評價。

表2　2-3，3-1煤層重復(fù)開采區(qū)防水安全煤巖柱高度

5　礦井實際開采方案

根據(jù)礦井水體下開采可行性分析結(jié)果，按照對地表水體留設(shè)防水安全煤巖柱的要求進(jìn)行了2-3 與3-1煤層的開采。根據(jù)工作面2-3與3-1煤層的上覆基巖柱厚度，對2-3煤層提出了限厚開采滿足留設(shè)防水安全煤巖柱的方案；對3-1煤層基巖柱厚度滿足留設(shè)防水安全煤巖柱的要求，提出了可以采取全厚開采的方案。目前工作面2-3，3-1煤層首采工作面均實現(xiàn)了安全回采，回采期間工作面涌水量約為20～30m3/h。

6　結(jié) 論

（1）結(jié)合基巖段的巖石水理試驗分析基巖中黏土礦物絕對含量來看，其占巖石總質(zhì)量的10.6% ～74.8%，平均占39.05%，含量相對較高；從黏土礦物的相對含量來看，煤層頂板巖層應(yīng)表現(xiàn)出一定的遇水軟化特性，特別是煤層頂?shù)装迥鄮r類巖層具有遇水軟化特性，為礦井裂隙遇水閉合提供有利條件。結(jié)合巖石物理力學(xué)性質(zhì)確定出2-3，3-1煤層上覆基巖應(yīng)屬中硬類型。

（2）通過鉆孔實測及數(shù)值模擬預(yù)計了2-3，3 -1煤層重復(fù)開采的覆巖破壞高度，得出2-3，3-1煤層重復(fù)開采的導(dǎo)水裂縫帶最大高度為57.10～111.55m。

（3）結(jié)合鉆孔實際地質(zhì)參數(shù)，進(jìn)行留設(shè)防水煤巖柱理論計算，最終確定論證區(qū)域的安全開采可行性，為礦井實際生產(chǎn)提供依據(jù)。

（4）制定了礦井的水體下厚煤層重復(fù)開采的方案，實現(xiàn)了兩層煤的安全開采，為后續(xù)工作面開采提供了借鑒。

［1］薛東杰，周宏偉，任偉光，等.淺埋煤層超大采高開采柱式崩塌模型及失穩(wěn)［J］.煤炭學(xué)報，2015，40（4）:760-765.

［2］薛東杰，周宏偉，任偉光，等.淺埋深薄基巖煤層組開采采動裂隙演化及臺階式切落形成機(jī)制［J］.煤炭學(xué)報，2015，40（8）:1746-1752.

［3］王兆會，楊勝利，孔德中.淺埋深薄基巖高強(qiáng)度開采工作面壓架機(jī)理分析［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2015，43（3）:1-5，9.

［4］張玉軍，宋業(yè)杰.淺埋煤層綜放開采覆巖破壞高度與特征［J］.煤礦開采，2014，19（6）:16-24.

［5］賈明魁.薄基巖突水威脅煤層開采覆巖變形破壞演化規(guī)律研究［J］.采礦與安全工程學(xué)報，2012，29（2）:168-172.

［6］許延春，李振華，賈安立，等.深厚松散層薄基巖條件下覆巖破壞高度實測分析［J］.2010，38（7）:21-23.

［7］繆協(xié)興，王長申，白海波.神東礦區(qū)煤礦水害類型及水文地質(zhì)特征分析［J］.采礦與安全工程學(xué)報，2010，27（3）: 285-291，298.

［責(zé)任編輯：徐乃忠］

Thick Coal Seam Repetition Mining under Open Waters with Thin Basement in Shallow

LI Lei
（Coal Mining&Designing Department，Tiandi Science&Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China）

The possibility of working face water flowing fractured zone with thin basement in shallow could connected aquifer and surface water was large，then the working face would faced water inrush risk，on the basis geological and mining situation of one coal mine in Erdos district，the broken height of overburden that caused by mining was predicted，and then the water proof coal pillar was layout for surface water，the thick coal seam repetition mining scheme under the surface water was put forward，then mining working face safety realized，it references for coal resource mining with similar situation of Erdos district.

thin basement in shallow；repetition mining；water flowing fractured zone

TD823.83

A

1006-6225（2016）04-0084-03

2015-12-10

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.04.022

國家科技重大專項資助項目（2011ZX05064）

李 磊（1982-），男，山東樂陵人，助理研究員，主要從事水體下采煤研究。

［引用格式］李 磊.淺埋深薄基巖地表水體下厚煤層重復(fù)開采研究［J］.煤礦開采，2016，21（4）：84-86.