趙 明 趙 健 鄭志陽(yáng)

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083)

★ 煤炭科技·開(kāi)拓與開(kāi)采 ★

謝橋礦水體下煤層1202(1)工作面提高開(kāi)采上限研究*

趙 明 趙 健 鄭志陽(yáng)

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083)

為提高謝橋煤礦松散含水層下1202(1)工作面開(kāi)采上限，分析了井田內(nèi)新生界沖積層結(jié)構(gòu)及其含、隔水性，確定了工作面屬Ⅱ類(lèi)水體壓煤，其主要影響水源為頂板砂巖裂隙水及中部含水層下段；建立工作面防水煤巖柱地層結(jié)構(gòu)模型，運(yùn)用理論分析和鉆孔實(shí)測(cè)方法對(duì)兩帶發(fā)育高度進(jìn)行預(yù)測(cè)；運(yùn)用數(shù)值模擬方法模擬鄰近煤層開(kāi)采影響下，開(kāi)采上限不同時(shí)工作面覆巖破壞場(chǎng)及覆巖水體滲流場(chǎng)的分布情況。研究表明，開(kāi)采上限提高后，裂隙帶將進(jìn)一步發(fā)育并間接波及上部含水層，在保護(hù)層和工作面中部采空區(qū)覆巖壓實(shí)作用下，含水層水體將主要滲流至工作面下端部，并最終流向底部松散區(qū)域?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中，開(kāi)采上限提高至-390 m安全可行，解放呆滯煤量3.5萬(wàn)t。

水體下采煤 開(kāi)采上限 防水煤柱 垮落帶 裂隙帶 水體滲流 跡線(xiàn)

我國(guó)煤炭資源地域分布遼闊，礦井地質(zhì)條件復(fù)雜，提高含水層下煤層的開(kāi)采上限從而解放大量煤炭資源是煤礦生產(chǎn)和科研中的重要課題，對(duì)煤礦實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、高效及安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。提高開(kāi)采上限的基本原則是在保證安全開(kāi)采的前提下進(jìn)一步縮小安全煤柱的留設(shè)，最大限度地進(jìn)行資源回收，進(jìn)而取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。合理的開(kāi)采上限主要與上覆含水層結(jié)構(gòu)、水體下防水巖層巖性、采動(dòng)巖體破壞特征及開(kāi)采方式等有關(guān)。近年來(lái)我國(guó)學(xué)者對(duì)此做出了大量的研究，提出了疏水開(kāi)采、間歇開(kāi)采等安全開(kāi)采方法，并建立了含水層下綜放開(kāi)采、分層開(kāi)采及充填開(kāi)采等多種開(kāi)采條件下的覆巖兩帶發(fā)育高度計(jì)算模型和合理安全煤柱寬度的確定方法，但仍未從根本上解決復(fù)雜水文地質(zhì)條件下的高效、安全開(kāi)采等問(wèn)題。

謝橋煤礦位于淮北平原西南部，為特大型現(xiàn)代化礦井，煤系地層上覆蓋有較厚的新生界松散層，厚度為194.0～485.64 m，平均384.8 m，鉆探揭露的地層自上而下依次為第四系、第三系、二疊系、石炭系、奧陶系和寒武系。礦井在開(kāi)采設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留了較大的防水煤柱，高度一般為50～80 m，其下壓煤量達(dá)3560萬(wàn)t。隨著礦井開(kāi)采強(qiáng)度的不斷加大，生產(chǎn)接替緊張和礦井儲(chǔ)量不足的矛盾日益突出，為有效地延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限，提高工作面含水層下開(kāi)采上限已成為礦井亟待解決的難題。為此，謝橋煤礦先后在西翼采區(qū)1201(3)、12128、12118、1222(3)W、1212(1)、1202(3)工作面，東一采區(qū)1101(3)工作面以及東二采區(qū)13118工作面均成功地進(jìn)行了縮小防水煤柱開(kāi)采。根據(jù)已有縮小防水煤柱的開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，礦井將本次目標(biāo)工作面1202(1)工作面的開(kāi)采上限由原來(lái)的-400 m 提高至-390 m。本文將研究工作面開(kāi)采上限提高10 m后的安全可采性，并分析在鄰近煤層開(kāi)采影響下覆巖兩帶發(fā)育特征及含水層對(duì)工作面的影響程度，從而確定工作面開(kāi)采的可行性。

1 工程及水文地質(zhì)條件

1.1 工程地質(zhì)特征

如圖1所示，1202(1)工作面位于西一采區(qū)11-2煤層零階段，走向長(zhǎng)1065 m，傾斜長(zhǎng)115 m，煤層厚度為1.4～3.6 m，平均2.6 m，平均傾角為13.7°。工作面回風(fēng)巷煤層頂板標(biāo)高為-389.7～-404.6 m，防水煤柱高50～80 m，有兩段進(jìn)入設(shè)計(jì)防水煤柱內(nèi)，分別為開(kāi)切眼以東258 m，及煤上山以西275.4 m，共計(jì)533.4 m。開(kāi)采上限提高10 m后，提高段可采走向長(zhǎng)度442.8 m，可采面積9750.3 m2，增加可采儲(chǔ)量3.5萬(wàn)t。

圖1 工作面巷道布置圖

工作面煤層直接頂板以泥巖及砂質(zhì)泥巖為主，平均厚2.43 m，老頂以粉細(xì)砂巖為主，平均厚8.51 m，煤層頂板為軟弱～中硬型頂板，底板為泥巖及砂質(zhì)泥巖。本面構(gòu)造簡(jiǎn)單，傾向正斷層有3條，最大落差1.9 m，對(duì)回采無(wú)影響。

1.2 工作面涌水水源分析

工作面上方主要含水層有新生界含隔水層(組)、二疊系頂板砂巖裂隙水。工作面上方新生界松散層平均厚384.8 m，從上向下分為上部含水層、上部隔水層、中部含水層、中部隔水層及底部紅層等5個(gè)含隔水層(組)，對(duì)回采有影響的為頂板砂巖裂隙水及中部含水層下段(中含下段)。

(1)新生界含、隔水層(組)。中含下段標(biāo)高為-328.74～-321.08 m，平均厚度為48.8 m，巖性主要為粘土及砂質(zhì)粘土。中含下段含水層以湖濱相沉積為主，根據(jù)《謝橋井田煤系上覆第三系地層(紅層)隔水性補(bǔ)勘驗(yàn)證評(píng)價(jià)報(bào)告》對(duì)新生界沖積層結(jié)構(gòu)及含、隔水性對(duì)比分析，確認(rèn)中含下段屬于弱含水層。距工作面西北側(cè)72 m處的D13下含-1鉆孔資料顯示，含水層平均厚度為23.5 m，多沉積固結(jié)狀粘土及砂質(zhì)粘土。該層水位標(biāo)高h(yuǎn)=+15.335 m，單位涌水量q=0.0585 L/(s·m)，富水性較弱。

工作面上方中部隔水層平均厚26.9m，分布穩(wěn)定，巖性以粘土、砂質(zhì)粘土為主，致密均一，多為固結(jié)狀，可塑性較差，具有較好的隔水性能。工作面上方紅層平均厚度為4.2 m，分布穩(wěn)定，巖性以角礫巖、細(xì)砂巖為主，不含水，為一隔水層。據(jù)工作面附近鉆孔揭示，中部隔水層與紅層總厚度達(dá)31.4 m，可有效阻止中含下段及以上含水層對(duì)基巖的補(bǔ)給，隔水性能較好，可作為防水巖柱利用。

(2)風(fēng)氧化帶?；鶐r風(fēng)氧化帶巖性主要以砂質(zhì)泥巖和風(fēng)化泥巖為主，平均厚約30 m，發(fā)育較穩(wěn)定，遇水受壓后極易彌合，具隔水性能。根據(jù)礦井鉆孔抽水試驗(yàn)資料顯示，風(fēng)化帶裂隙單位涌水量q= 0.0055～0.0212 L/(s·m)，滲透系數(shù)k=0.0121～0.098 m/d。

(3)頂板砂巖裂隙水。根據(jù)11-2煤層內(nèi)已回采的工作面資料，煤層老頂中局部裂隙發(fā)育，并賦存砂巖裂隙水，以靜儲(chǔ)量為主，無(wú)水源補(bǔ)給。11-2煤層3個(gè)工作面回采期間，最大涌水量25 m3/h，且衰減迅速，表明頂板砂巖富水性較弱。

頂板砂巖裂隙水為工作面主要出水源，同時(shí)，相鄰的1212(1)工作面在采掘過(guò)程中也并未發(fā)生突水現(xiàn)象。礦井揭露的11-2煤層采掘工作面頂板砂巖裂隙水突水時(shí)的最大水量為25 m3/h，工作面回采時(shí)取1.6倍的保險(xiǎn)系數(shù)計(jì)算最大涌水量為40 m3/h。綜合分析工作面上方新生界含水層水文地質(zhì)條件，對(duì)照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)程》)劃分的水體采動(dòng)類(lèi)型，該類(lèi)含水層屬Ⅱ類(lèi)水體壓煤，即允許導(dǎo)水裂縫帶波及松散弱含水層水體，但不允許垮落帶波及該水體，因此，工作面具備縮小防水煤柱，提高開(kāi)采上限的自然條件。

2 覆巖兩帶高度預(yù)計(jì)及安全可采性分析

2.1 防水煤巖柱地層結(jié)構(gòu)模型建立

開(kāi)采露頭煤柱時(shí)，須留設(shè)一定的防水煤巖柱，其功能是防止地面水和地下水(包括松散層的含水層和基巖中的含水層)向工作面滲漏。防水煤巖柱尺寸應(yīng)包括與采動(dòng)影響相適應(yīng)的兩帶以及作為安全保障在內(nèi)的隔水層兩部分尺寸，1202(1)工作面防水煤巖柱地層結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖2。

圖2 防水煤巖柱地層結(jié)構(gòu)模型

煤層上方地層結(jié)構(gòu)依次為底部紅層、中部隔水層、中部含水層下段、中部含水層上段、上部隔水層、上部含水層及地表，其中，對(duì)回采有影響的含水層為中部含水層下段，為保證安全開(kāi)采，防水安全煤巖柱高度、導(dǎo)水裂隙帶高度、保護(hù)層厚度應(yīng)滿(mǎn)足以下條件：

(1)

式中：Hsh——防水安全煤巖柱高度；

Hli——導(dǎo)水裂隙帶高度；

Hb——保護(hù)層厚度。

2.2 兩帶高度發(fā)育預(yù)計(jì)

有學(xué)者利用最小二乘法對(duì)潘謝礦區(qū)采動(dòng)巖體裂隙發(fā)育高度的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合計(jì)算，得出的工作面垮落帶高度預(yù)計(jì)公式為：

(2)

裂隙帶高度預(yù)計(jì)公式為：

(3)

式中：M——煤層采高，取2.6 m；

Hm——垮落帶高度；

Hli——裂隙帶高度。

將數(shù)據(jù)代入式(2)、(3)，計(jì)算得垮落帶高度為10.87～13.37 m，裂隙帶高度為48.78～52.78 m。采用《規(guī)程》中的兩帶高度計(jì)算公式(本面煤層頂板為軟弱～中硬型頂板)計(jì)算出的垮落帶高度為6.13～10.53 m，裂隙帶高度為42.25 m。

為確定覆巖兩帶發(fā)育情況，1202(1)工作面在試采時(shí)共施工4個(gè)垮落孔，探測(cè)成果見(jiàn)表1。由垮落孔探測(cè)成果可知，回采工作面頂板為軟弱～中硬型頂板，其中垮落帶高度9.52～15.12 m，垮采比4.37～5.04，裂隙帶高度38.79～45.22 m，裂采比15.07～18.47。

2.3 提高上限安全可采性分析

開(kāi)采上限提高后，工作面留設(shè)的最小安全煤巖柱位于開(kāi)切眼以東125 m處，回風(fēng)巷道頂板標(biāo)高為-390 m，其上方基巖面標(biāo)高為-350 m，紅層+中部隔水層厚度平均為30 m，煤巖柱高70 m。

由于工作面為Ⅱ類(lèi)水體下壓煤，因此，防水安全煤巖柱高度應(yīng)大于垮落帶高度與保護(hù)層厚度之和，即：

(4)

根據(jù)前文計(jì)算結(jié)果及探測(cè)成果，取垮落帶高度最大預(yù)計(jì)值Hm=15.12 m，保護(hù)層厚度Hb取3倍的煤層采厚，1202(1)工作面平均采厚為2.6 m，所以保護(hù)層厚度Hb為7.8 m，煤巖柱高最小值Hsh為70 m，滿(mǎn)足式(4)；取最大裂高值Hli=52.78 m，滿(mǎn)足式(1)，說(shuō)明工作面裂隙帶并未波及到含水層，最小煤巖柱高度符合《規(guī)程》要求。同時(shí)，謝橋礦先后在西翼采區(qū)及東一采區(qū)、東二采區(qū)共8個(gè)工作面均成功地進(jìn)行了縮小防水煤柱開(kāi)采，取得了含水層下縮小防水煤柱開(kāi)采的寶貴經(jīng)驗(yàn)，故1202(1)工作面開(kāi)采上限提高至-390 m是安全可行的。

表1 垮落孔探測(cè)成果

3 覆巖流固耦合數(shù)值分析

為系統(tǒng)、全面地反映工作面正常回采過(guò)程中的覆巖破壞規(guī)律及裂隙場(chǎng)滲流規(guī)律，運(yùn)用FLAC2D數(shù)值模擬軟件，在流固耦合模式下，根據(jù)鄰近煤層不同工作面的實(shí)際開(kāi)采順序，模擬不同開(kāi)采上限高度下工作面沿走向方向典型剖面的覆巖破壞場(chǎng)及滲流場(chǎng)的分布情況。工作面走向長(zhǎng)壁布置，煤層及巖層傾角為13.7°，部分煤巖層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 煤巖物理力學(xué)參數(shù)

模擬地質(zhì)剖面長(zhǎng)640 m，高460 m，計(jì)算網(wǎng)格共計(jì)83200個(gè)單元。工作面位置示意圖見(jiàn)圖3，鄰近煤層工作面實(shí)際回采順序?yàn)?2328工作面 →1212(3)工作面→12228工作面 →12128工作面→1212(1)工作面→1202(3)工作面→1202(1)工作面。

圖3 工作面位置示意圖

3.1 破壞場(chǎng)分析

模擬了1202(1)工作面回采至-400 m水平、-390 m水平圍巖破壞區(qū)分布，模擬結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 -400 m、-390 m水平破壞區(qū)分布

各煤層開(kāi)挖后，工作面頂?shù)装鍑鷰r以拉伸破壞為主，護(hù)巷煤柱則主要發(fā)生剪切破壞。歷史工作面采空區(qū)垮落將引起上覆巖層發(fā)生不均勻沉降，隨著1202(1)工作面開(kāi)采上限的提高，工作面頂板拉伸破壞區(qū)將進(jìn)一步向上發(fā)育，上部含水層也將發(fā)生拉伸破壞，進(jìn)而發(fā)育一定的導(dǎo)水裂隙。工作面對(duì)上覆巖層的破壞并不充分，但隨著工作面的不斷推進(jìn)，頂板裂隙將波及松散層并與含水層裂隙相互連通，含水層水體將通過(guò)導(dǎo)水裂隙逐漸滲流至工作面。

3.2 滲流分析

模擬了1202(1)工作面回采至-400 m水平、-390 m水平的煤巖層水體滲流跡線(xiàn)分布見(jiàn)圖5。

圖5 -400 m 、-390 m水平覆巖水體滲流跡線(xiàn)圖

開(kāi)采上限至-400 m水平時(shí)含水層水體滲流跡線(xiàn)呈現(xiàn)出地下水補(bǔ)給的主要特征。隨著歷史工作面的回采，上部含水層發(fā)生不均勻沉降，剖面中部產(chǎn)生塑性拉伸裂隙，進(jìn)而分布向下的滲流跡線(xiàn)。采空區(qū)垮落后，覆巖發(fā)生塑性破壞，裂隙帶逐步發(fā)育，水體進(jìn)一步向采空區(qū)滲流，下部孔隙水壓力及水頭壓力較大，因此8#煤層下部滲流跡線(xiàn)比較密集，滲流現(xiàn)象明顯。開(kāi)采上限提高至-390 m水平時(shí)，含水層水體下滲高度增加，流線(xiàn)加密，但工作面上方保護(hù)層隔水性較強(qiáng)，工作面回采對(duì)上覆巖層破壞程度較低，導(dǎo)水裂隙連通程度并不高，且中含下段含水層屬弱含水層，因此流線(xiàn)止于保護(hù)層上部。同時(shí)，工作面中部采空區(qū)上覆巖層垮落壓實(shí)后產(chǎn)生一定的隔水性，流線(xiàn)僅出現(xiàn)在工作面下端部，對(duì)工作面影響有限，并不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的突水事故，因此，開(kāi)采上限提高至-390 m是安全可行的。

4 工程應(yīng)用

4.1 采場(chǎng)礦壓分析

1202(1)工作面在開(kāi)采開(kāi)切眼以東提高上限段時(shí)，利用KJ345礦用液壓支架工作阻力遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了礦壓觀(guān)測(cè)。工作面共設(shè)立8個(gè)監(jiān)測(cè)站，對(duì)76架支架中的8架支架進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，如圖6所示。在監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)，支架壓力峰值在35 MPa 左右變化，動(dòng)載系數(shù)為1.4～2.05，頂板周期來(lái)壓步距為20.4 m，頂板垮落高度為8.17～12.5 m，礦壓顯現(xiàn)比較明顯?；仫L(fēng)巷兩幫收斂量及頂?shù)滓平烤? mm/d，工作面僅在局部發(fā)生片幫，頂板碎漲后可以較充分地充填采空區(qū)。同時(shí)，支架來(lái)壓時(shí)序基本一致，整體受力狀態(tài)較好，前后立柱受力均衡，回采期間周期來(lái)壓顯現(xiàn)明顯，說(shuō)明上覆采動(dòng)巖體垮落后能夠形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，從而保證工作面開(kāi)采的安全性和可靠性。

圖6 工作面測(cè)站布置示意圖

4.2 工作面涌水分析

1202(1)工作面在開(kāi)切眼以東258 m及煤上山以西275.4 m兩處提高上限段時(shí)均未發(fā)生突水，僅頂板有不同程度的滴、淋水現(xiàn)象，出水多發(fā)生在砂巖直接覆蓋地段。其中，開(kāi)切眼以東92～228 m處，工作面下端部1#～22#支架處頂板出現(xiàn)了幾次較強(qiáng)的滴、淋水現(xiàn)象；煤上山以西111 m處，工作面出現(xiàn)了較強(qiáng)的涌水現(xiàn)象，初始水量為20 m3/h，最大涌水量為34 m3/h，最后衰減為0，累計(jì)出水1080 m3，出水水源為頂板砂巖裂隙水。同時(shí)，工作面涌水與礦壓顯現(xiàn)呈現(xiàn)出明顯的相關(guān)性，頂板來(lái)壓時(shí)通常伴隨著大范圍淋水，生產(chǎn)時(shí)根據(jù)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律成功地對(duì)兩處提高上限段進(jìn)行了5次出水預(yù)報(bào)，有效地指導(dǎo)了礦井安全生產(chǎn)。

4.3 提高開(kāi)采上限技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

1202(1)工作面開(kāi)采上限提高10 m后，增加可采儲(chǔ)量3.5萬(wàn)t，延緩了工作面回采時(shí)間2個(gè)月。1202(1)工作面提高開(kāi)采上限的成功實(shí)踐可為本煤層及其它鄰近煤層縮小防水煤柱開(kāi)采提供良好的借鑒。

5 結(jié)論

(1)工作面具備縮小防水煤柱、提高開(kāi)采上限的自然條件，理論計(jì)算和垮落孔探測(cè)結(jié)果得出垮落帶最大高度為15.12 m，裂隙帶最大高度為52.78 m，工作面最小防水煤巖柱高度符合安全開(kāi)采要求。

(2)受鄰近煤層開(kāi)采影響，開(kāi)采上限提高后，1202(1)工作面裂隙帶將進(jìn)一步向上發(fā)育并與含水層裂隙聯(lián)通。由于工作面上方保護(hù)層隔水性較好，因此，滲流至工作面水量有限，且水體主要通過(guò)導(dǎo)水通道滲流至下部松散區(qū)域。

(3)工作面回采期間礦壓顯現(xiàn)比較強(qiáng)烈，周期來(lái)壓現(xiàn)象明顯，采動(dòng)巖體垮落后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。工作面回采過(guò)程中并未發(fā)生突水事故，且工作面涌水均在可控范圍內(nèi)，開(kāi)采上限提高至-390 m水平安全可行，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著。

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(責(zé)任編輯 張毅玲)

Study on extending mining upper limit of 1202(1) working face under water body in Xieqiao Coal Mine

Zhao Ming, Zhao Jian, Zheng Zhiyang

(College of Resources and Safety Engineering, China University of Mining and Technology,Beijing, Haidian, Beijing 100083, China)

To extend mining upper limit of 1202(1) working face under loose aquifer in Xieqiao Coal Mine, it was affirmed that the face was below water bodies which was belong to case-II waters, and the main water sources were roof sandstone fissure water and the lower segment of the middle aquifer based on the contrastive analysis of the structure of Cenozoic alluvium and it’s aquosity and water-resisting property. The workability was determined preliminary by building the stratigraphic structural model of waterproof pillar and applying the theory analysis and drilling measurement method to predict the height of the "two zones". The distribution of failure field of the overlying strata and seepage field of overlying water-body with the influence of the adjacent coal seams mining were acquired by using numerical simulation method when the mining upper limit of 1202(1) face was different. The research showed that the fissure zone would further develop and spread to upper aquifer indirectly after extending the upper limit of 1202(1) face, and under the influence of the protective layer and the goaf strata compaction of the central face, the water of the aquifer would mainly transfer to the bottom of the face, and then seep to the loose area at the bottom eventually. In the field practice, it was safe and feasible to extend the mining upper limit to -390 m level and the liberated stagnant coal was 35000 t.

mining under water body, upper limit of mining, waterproof pillar, caving zone, fissure zone, water seepage, path line

高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金(20120023110023)

TD 823.83

A

趙明(1989-)，黑龍江肇東人，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)在讀博士研究生，從事礦山壓力與巖層控制方面的研究工作。