劉 明

(1.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司，北京 100013；2.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

某礦屬水文地質(zhì)條件復(fù)雜型礦井，主要充水水源為煤系砂巖裂隙水、巖溶裂隙水和沖積層孔隙水。在開(kāi)采露頭區(qū)附近煤層時(shí)，沖積層底部含水層是影響工作面開(kāi)采的主要充水水源，由于沖積層底部含水層富水性強(qiáng)，開(kāi)采露頭區(qū)附近煤層時(shí)，必須留設(shè)防水安全煤巖柱。根據(jù)礦井開(kāi)采規(guī)劃，該礦擬對(duì)風(fēng)井煤柱區(qū)的12煤進(jìn)行開(kāi)采，風(fēng)井煤柱區(qū)東部為煤層露頭區(qū)，依據(jù)現(xiàn)有勘探資料和以往開(kāi)采揭露情況，風(fēng)井煤柱區(qū)第四系沖積層底部卵礫石含水層為強(qiáng)富水性含水層，開(kāi)采過(guò)程中若防水煤巖柱留設(shè)不合理，底部礫石層水將直接進(jìn)入工作面，威脅礦井安全生產(chǎn)。針對(duì)沖擊層含水層下開(kāi)采導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律及防水煤柱留設(shè)，科研人員進(jìn)行了大量的研究，參照相關(guān)研究成果[1-4]，本文在分析沖積層底部含水層、覆巖結(jié)構(gòu)、導(dǎo)水裂縫帶實(shí)測(cè)基礎(chǔ)上，對(duì)12煤分層開(kāi)采條件下防水煤巖柱留設(shè)尺寸進(jìn)行了分析。

1 沖積層底部含水層及煤層覆巖結(jié)構(gòu)

1.1 沖積層底部含水層

該井田范圍內(nèi)直接充水含水層主要包括5煤層頂板砂巖裂隙承壓含水層、5～12煤層砂巖裂隙承壓含水層組和12～14煤層砂巖裂隙承壓含水層。間接充水含水層主要為奧陶系灰?guī)r強(qiáng)含水層組、中石炭統(tǒng)14煤～唐山灰?guī)r含水層組和第四系沖積層強(qiáng)含水層組。各含水層之間都有較好的隔水層存在，水力聯(lián)系微弱。上覆巖層中第四系沖積層厚度170～280 m，賦存4個(gè)含水層，1個(gè)潛水含水層和下部3個(gè)承壓含水層組成，即淺部潛水含水層，為中等富水性含水層；上部砂巖含水層，為中等富水性含水層；中部卵石層含水層，為強(qiáng)富水性含水層；底部卵礫石含水層，為強(qiáng)富水性含水層。其中，第四系底部卵礫石含水層為本次需要留設(shè)防水煤巖柱的含水層，其上部多中細(xì)砂層、底部多含砂礫石層，分布廣，呈多層透鏡狀，據(jù)抽水試驗(yàn)結(jié)果，單位涌水量2.887 L·s-1·m-1，滲透系數(shù)35.46 m/d，水質(zhì)類型為HCO3-CaMgNa型，屬淡軟水。第四系底部卵礫石含水層平面上分布不連續(xù)，導(dǎo)致其平面上富水性差異明顯。根據(jù)周邊鉆孔，設(shè)計(jì)區(qū)域第四系底部卵礫石層厚度變化較大，厚度12.71～48.44 m，底部黏土層賦存區(qū)較少，大部分區(qū)域底部無(wú)黏土隔水層。根據(jù)礦井綜合水文地質(zhì)資料，第四系底礫含水層大部分區(qū)域內(nèi)與基巖風(fēng)化帶直接接觸，基巖風(fēng)化帶厚5.57～9.75 m，以中細(xì)砂巖為主，顏色為棕紅色和淺黃色，風(fēng)化性較強(qiáng)，不含水。12煤距底部卵礫含水層55～160 m，平均距離105 m，基巖面與12煤層底板等高線如圖1所示。

圖1 基巖面與12煤層底板等高線對(duì)比圖

1.2 覆巖結(jié)構(gòu)

根據(jù)鉆孔統(tǒng)計(jì)，設(shè)計(jì)區(qū)域12煤層頂板至5煤層頂板以上40 m范圍內(nèi)，砂巖類巖層厚度34.53～136.34 m之間，平均厚度為85.45 m，占比約76.72%，泥巖類巖層厚度介于3.09～81.01 m，平均厚度29.11 m，占比23.28%，因此,12煤覆巖巖性以砂巖類巖層為主，泥巖類巖層含量相對(duì)較低。參照該礦煤層頂?shù)装逦锢砹W(xué)性質(zhì)測(cè)試成果，砂巖巖層類單軸抗壓強(qiáng)度平均55.72 MPa，泥巖類巖層單軸抗壓強(qiáng)度平均26.25 MPa。根據(jù)不同巖性巖層厚度占比，求得設(shè)計(jì)區(qū)域12煤頂板至5煤層頂板40 m范圍內(nèi)覆巖的綜合強(qiáng)度為46.88 MPa[5-6]?？紤]部分鉆孔位置第四系底部有一定厚度黏土隔水層和基巖風(fēng)化帶存在，其巖體強(qiáng)度已接近軟巖條件，受底黏和基巖風(fēng)化帶影響，基巖柱整體強(qiáng)度顯著降低，綜合確定基巖段整體強(qiáng)度應(yīng)在40 MPa以內(nèi)，設(shè)計(jì)區(qū)域12煤覆巖屬于中硬型覆巖類型。

2 覆巖破壞高度實(shí)測(cè)

為了研究覆巖垮落帶和裂隙帶發(fā)育情況，礦方對(duì)3553S工作面頂板“兩帶”進(jìn)行了觀測(cè)，其頂板覆巖巖性與12煤層相似，以砂巖類巖層為主。3553S工作面位于相鄰的南五采區(qū)煤層露頭附近，于2012年采用綜合機(jī)械化開(kāi)采，采厚2.2 m，垮落法管理頂板，煤層傾角3°～8°，上覆巖層以粉砂巖、細(xì)砂巖為主。為了觀測(cè)頂板“兩帶”，在3573S工作面設(shè)計(jì)了D01和D02兩個(gè)鉆孔分別進(jìn)行探測(cè)。D01觀測(cè)鉆孔由側(cè)幫斜向上39°穿入3553S工作面采空區(qū)上方，預(yù)計(jì)孔深86 m；D02鉆孔由側(cè)幫斜向上46°穿入3553S工作面采空區(qū)上方，預(yù)計(jì)孔深131 m。

根據(jù)D01鉆孔鉆探和壓水試驗(yàn)結(jié)果，如圖2所示，確定工作面試驗(yàn)孔處覆巖導(dǎo)水裂縫帶大約在孔深85～105 m之間，最大垂高為65.3 m，由于鉆孔位置距離煤層28 m，即導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育最大高度為37.3 m。根據(jù)D02鉆孔鉆探和壓水試驗(yàn)結(jié)果，如圖3所示，確定工作面試驗(yàn)孔處覆巖導(dǎo)水裂縫帶大約在孔深86～90 m之間，垂高為64.8 m，由于鉆孔位置距離煤層28.85 m，即導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育最大高度為35.95 m。根據(jù)D01、D02鉆探和壓水試驗(yàn)結(jié)果，綜合確定試驗(yàn)孔處覆巖導(dǎo)水裂縫帶頂點(diǎn)大約位于孔深100 m左右，導(dǎo)水裂隙帶最大高度為35.95～37.3 m，工作面采厚為2.2 m，則開(kāi)采的覆巖破壞高度與開(kāi)采厚度的比值即裂采比為16.34～16.95，取裂采比為17。

圖2 D01孔流量觀測(cè)圖

圖3 D02孔流量觀測(cè)圖

3 防水煤柱留設(shè)分析

根據(jù)《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)范》(以下簡(jiǎn)稱《“三下”開(kāi)采規(guī)范》)，不同采動(dòng)等級(jí)的水體其允許采動(dòng)程度及留設(shè)安全煤巖柱類型不同[7]。根據(jù)本區(qū)水文條件，水體采動(dòng)等級(jí)為I級(jí)，不允許導(dǎo)水裂縫帶波及到水體，需留設(shè)頂板防水安全煤巖柱。防水安全煤巖柱(Hsh)的最小尺寸應(yīng)當(dāng)大于導(dǎo)水裂縫帶的最大高度(Hli)加上一定厚度的保護(hù)層(Hb)：Hsh≥Hli+Hb。

3.1 覆巖破壞高度預(yù)計(jì)

覆巖破壞高度即導(dǎo)水裂縫帶高度發(fā)育情況與采煤方法如普采、綜采、綜放采煤方法，以及頂板管理方法如垮落法、充填法等有關(guān)。采煤方法不同，其導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度及預(yù)計(jì)方法不同。該礦采煤方法為綜采，當(dāng)煤層厚度較大時(shí)采用分層綜采。

3.1.1 參照經(jīng)驗(yàn)公式

厚煤層分層開(kāi)采條件下，導(dǎo)水裂縫帶高度預(yù)計(jì)參照《“三下”開(kāi)采規(guī)范》附表4-2中公式計(jì)算。該區(qū)覆巖中硬，取導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算公式：

(1)

或

(2)

根據(jù)該礦開(kāi)采條件，礦方規(guī)劃對(duì)風(fēng)井煤柱區(qū)進(jìn)行分層綜采，首分層設(shè)計(jì)采厚4.0 m、二分層設(shè)計(jì)采厚2.5 m，累計(jì)采厚6.5 m。參照覆巖中硬條件下導(dǎo)水裂縫帶預(yù)計(jì)公式，風(fēng)井煤柱區(qū)分層開(kāi)采導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)計(jì)分層開(kāi)采導(dǎo)水裂縫帶高度/m

由表1可知，“式(1)”較“式(2)”防水煤巖柱小，故為確保安全，取 “式(2)”計(jì)算該礦12煤層各分層開(kāi)采后的導(dǎo)水裂縫帶高度，即首分層開(kāi)采4.0 m后，導(dǎo)水裂縫帶高度為50.0 m；二分層開(kāi)采2.5 m后，累計(jì)開(kāi)采厚度6.5 m，導(dǎo)水裂縫帶高度為60.99 m。

3.1.2 參照其他礦區(qū)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

該礦實(shí)測(cè)裂采比為17，由于該區(qū)未進(jìn)行過(guò)二分層導(dǎo)水裂縫帶觀測(cè)，故無(wú)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。參照山東興隆莊煤礦和山西五陽(yáng)煤礦分層綜采導(dǎo)水裂縫帶觀測(cè)成果[8]：二分層開(kāi)采的裂采比較首分層低，興隆莊煤礦二分層裂采比約為首分層裂采比的73%，五陽(yáng)煤礦二分層裂采比約為首分層裂采比的65%。綜合分析，分層開(kāi)采二分層裂采比約為首分層裂采比的70%。借鑒該實(shí)測(cè)結(jié)果，計(jì)算該礦二分層裂采比為12。根據(jù)裂采比預(yù)計(jì)的導(dǎo)水裂縫帶高度如表2所示。

表2 參照分層開(kāi)采實(shí)測(cè)裂采比預(yù)計(jì)導(dǎo)水裂縫帶高度/m

綜上分析，根據(jù)規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)計(jì)的導(dǎo)水裂縫帶高度小于采用裂采比預(yù)計(jì)的導(dǎo)水裂縫帶高度，故為安全起見(jiàn)，導(dǎo)水裂縫帶高度預(yù)計(jì)采用實(shí)測(cè)裂采比預(yù)計(jì)。根據(jù)裂采比計(jì)算首分層開(kāi)采4.0 m后，導(dǎo)水裂縫帶高度為68.0 m；二分層開(kāi)采2.5 m后，累計(jì)開(kāi)采厚度6.5 m，導(dǎo)水裂縫帶高度為78.0 m。

3.2 防水安全煤巖柱留設(shè)

防水安全煤巖柱的最小尺寸應(yīng)當(dāng)大于導(dǎo)水裂縫帶的最大高度加上一定厚度的保護(hù)層。參照《“三下”開(kāi)采規(guī)范》附表4-3防水安全煤(巖)柱保護(hù)層厚度，由于本區(qū)底部黏土層賦存區(qū)較少，大部分區(qū)域底部無(wú)黏土隔水層，故防水安全煤(巖)柱保護(hù)層厚度可根據(jù)有無(wú)黏性土層、黏性土層厚度及松散層厚度進(jìn)行選取，則保護(hù)層厚度取6A，保護(hù)層厚度及防水煤巖柱高度如表3所示。

表3 防水安全煤巖柱高度/m

通過(guò)計(jì)算可知，首分層開(kāi)采4.0 m后，防水安全煤巖柱高度為92.0 m；二分層開(kāi)采2.5 m后，累計(jì)開(kāi)采厚度6.5 m，防水安全煤巖柱高度為97.5 m。

4 安全開(kāi)采技術(shù)措施

(1)采掘過(guò)程中應(yīng)采用鉆探為主的方法探明基巖面起伏變化，進(jìn)一步探查基巖風(fēng)化帶的富水性和風(fēng)化程度，同時(shí)，開(kāi)采波及區(qū)外應(yīng)至少有一個(gè)第四系沖積層含水層觀測(cè)孔，觀測(cè)回采過(guò)程中沖積層底部含水層水位、水量變化情況。

(2)該礦尚沒(méi)有沖積層下大采高及分層開(kāi)采的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建議開(kāi)采過(guò)程中加強(qiáng)大采高及分層條件下導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度觀測(cè)及研究，以確保沖積層含水層下安全開(kāi)采，并為下一步開(kāi)采提供經(jīng)驗(yàn)。

(3)建立健全暢通的礦井、采區(qū)及工作面疏排水系統(tǒng)；工作面要配備良好的信號(hào)裝置和通信電話，并能與地面調(diào)度室直接聯(lián)系；編制切實(shí)可行的避災(zāi)方案和防水避災(zāi)路線、繪制避災(zāi)路線圖，編制工作面突水防治應(yīng)急預(yù)案；要加強(qiáng)置于生產(chǎn)巷道中臨時(shí)物品的存放管理，保持行人、排水、通風(fēng)、運(yùn)輸?shù)耐〞砙9-10]。

(4)井田范圍內(nèi)斷層和陷落柱構(gòu)造發(fā)育，回采前對(duì)開(kāi)采區(qū)域及周邊異常構(gòu)造發(fā)育情況、斷層含導(dǎo)水情況等進(jìn)行核實(shí)，進(jìn)一步修正構(gòu)造條件下的防水煤柱高度。

(5)采掘過(guò)程中嚴(yán)格執(zhí)行《煤礦安全規(guī)程》、《煤礦防治水細(xì)則》、《“三下”開(kāi)采規(guī)范》有關(guān)水體下采煤的技術(shù)措施、安全措施和規(guī)定。

5 結(jié) 論

該區(qū)第四系底部卵礫石含水層為強(qiáng)富水性含水層，具有厚度變化較大、平面上分布不連續(xù)、底部無(wú)穩(wěn)定黏土隔水層等特征。12煤覆巖以砂巖類巖層為主，泥巖含量相對(duì)較低，覆巖屬于中硬型覆巖類型。結(jié)合該區(qū)地質(zhì)采礦條件，參照厚煤層分層開(kāi)采導(dǎo)水裂縫帶高度預(yù)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式及厚煤層分層開(kāi)采實(shí)踐，綜合確定了該區(qū)12煤分層開(kāi)采條件下第四系底部卵礫石含水層防水安全煤巖柱高度，首分層開(kāi)采4.0 m，防水安全煤巖柱高度為92.0 m；二分層開(kāi)采2.5 m、累計(jì)開(kāi)采厚度6.5 m，防水安全煤巖柱高度為97.5 m，并提出了相應(yīng)安全技術(shù)措施。