薄基岩风氧化带附近防水煤岩柱的合理留设

刘伟韬 霍志超 潘晓凤 黄瑞峰

(山东科技大学资源与环境工程学院，山东青岛266590)

山东里能鲁西矿业有限公司位于济宁市任城区二十里铺镇，核定矿井生产能力87万t/a，服务年限为47 a，主要开采3上、3下煤层。鲁西矿与有关科研单位密切合作，进行了两次水文地质补充勘探，经分析，原报告误将2煤层判为3上煤层，3上与3下在采区北翼上部合并为3煤层，之后重新确定了2煤层和3煤层的赋存情况，修正了采区内3煤层露头线，因此需要留设合理的第四系防水煤柱，重新确定3煤层防水煤柱。本研究旨在通过地质水文综合分析，留设合理的防水安全煤岩柱，确定合理的开采上限，解放井下大量滞压煤炭，最大限度地提高资源回收率。

1 采区水文地质补勘分析

1.1 一、二采区水文地质补充勘查

补充勘探报告表明，在一采区浅部煤层露头附近3上、3下为3煤的合并层。揭露煤层2层，分别为2煤和3煤，其中2煤较薄，本勘探区局部零星可采，3煤层为本区主采煤层。根据补充勘探报告确定的2煤层和3煤层的赋存情况，需要重新计算3煤层防水煤柱的留设高度和留设宽度。

1.2 一采区3煤露头水文地质补充勘查

在以往煤田地质、水文地质工作的基础上，依据本次勘探成果，结合邻区资料分析研究鲁西煤矿一采区3煤层露头的水文地质条件，进而对采区底隔厚度及分布规律、第四系三含底部砂层的水文地质条件进行研究，根据施工钻孔实际揭露情况，修正了采区3煤层露头线以及风氧化带边界(图1)，查明了第四系底隔岩性厚度及分布规律，采区上覆岩层柱状图见图2。

图1 采区平面图及露头简图Fig.1 Plane graphs ofm ining area and sketch of outcrop area

采区内主要含水层为第四系砂层含水层和山西组砂岩含水层，三含为第四系主要含水层。采区三含厚度59.5～71.92 m，平均66.07 m，含砂5～8层，主要由褐灰、棕黄、灰白色细砂、中砂、粗砂、黏土质砂夹多层厚薄不一的黏土、砂质黏土、局部钙质黏土组成。上部黏土类较多，下部以砂层为主。采区三含底部砂层厚度为8.2～21.87 m，平均11.85m，水位标高+27.332～+28.004 m。山西组的砂岩含水层为开采3煤层的直接充水含水层，属富水性弱含水层，对煤层开采影响不大。

矿井对三含底部砂层进行单孔抽水试验3次，揭露三含底部砂层的平均厚度12.75 m，单位涌水量0.055 8～0.394 8 L/(s·m)，富水性弱—中等。底部砂层为浅灰色黏土质粗砂、细砂，多含长石颗粒;长石颗粒呈风化状，使得高岭土含量高，充填于砂层孔隙之中，含水性较差，岩芯呈块状，风干后较硬。

图2 采区上覆岩层柱状图Fig.2 M ining overlying strata histogram

2 确定开采上限的依据及有利因素

2.1 第四系下部隔水层情况

两次水文地质补充勘探资料表明，第四系底隔厚度为4.5～15.45 m，平均10.64 m，第四系底隔厚度有往北西方向减小的趋势。依据钻孔资料，提高上限开采区域底隔厚度为5.4～11.4 m，平均9.3 m，颜色以灰白色、土黄色、灰绿色为主，岩性以黏土为主，黏土见水后黏性好，可塑性强，隔水性能好。

因开采区域第四系底隔隔水性能好，采煤的冒落带边界错动距离小于底隔厚度，隔水层没有完全被错断，三含砂不会溃入，三含水不会大量进入矿井，具备提高开采上限的地层条件。

2.2 基岩厚度

提高开采上限区域3煤层顶板基岩主要由浅灰、灰白细砂岩、灰色泥岩及煤层组成，深灰色泥岩和粉砂岩较少。3煤层顶板基岩厚度不均匀，大体上是由东向西逐渐变薄，采区3煤层露头线以及风氧化带边界附近比较薄。

2.3 基岩岩石力学参数

对3下107工作面上方典型岩层进行岩石力学试验，得出了各岩层岩石的单轴抗压强度、弹性模量、泊松比等力学参数以及相应的全应力应变曲线，可靠地分析出上下两层煤开采综合影响下的导水裂缝带发育高度，为分析3上和3下两层煤开采综合影响下的导水裂缝带发育高度提供了可靠的力学参数及科学分析依据［1］。从3下107工作面上覆56.49m范围的岩层柱状图、打钻取芯情况、以及上覆岩体破裂微地震监测结果看，覆岩下硬上软，但整体强度较低，刚度较小，完整性较差，属于中等偏软岩层［1］。

3111II工作面距离3下107工作面较近，具有相同的地层结构和覆岩条件，可以推断3111II工作面上覆岩层亦属于中等偏软岩层，工作面开采后形成的导水裂缝带发育高度也会较低，对矿井提高开采上限是有利的。

2.4 基岩风氧化带的影响

鲁西煤矿一采区边界煤层露头处，基岩风氧化带厚度17.2～37.6 m，平均25 m，本区域风化带深度为基岩界面以下垂深15 m，氧化带深度为基岩界面以下垂深25 m。

杨本水等［2］对风氧化带内煤层安全开采进行了试验研究，研究表明风化岩石强度普遍较未风化岩石显著降低，绝大多数风化岩石抗压强度仅为同类未风化岩石的10%～50%，而且风化程度越高，强度降低幅度越大。同时，泥质岩和泥质胶结的砂岩中的黏土矿物风化后全部黏土化，其塑性大大增强，此类风化岩层因强度降低、塑性增强，抗采动影响的变形破坏能力显著增大，可有效地抑制冒落裂缝向上发展，并使采动裂缝的发育程度和导水性明显减弱。

王惠兵等［3］对杨庄煤矿九采区近风氧化带开采覆岩破坏进行了预计与实测，在研究结果的指导下九采区后期开采的工作面全部按照留设防塌煤岩柱开采，预计的煤炭资源全部安全采出。根据临近兴隆庄煤矿、鲍店煤矿等同期研究和实践资料，煤层近风氧化带开采确实造成了采动破坏两带高度值的下降。该矿开采上限得到大幅度提高的关键在于临近风氧化带覆岩结构软弱，加之上覆第四系底部黏土层，导水裂缝带发育受到抑制。

综上分析，尽管提高开采上限区域基岩柱厚度相对较小，但岩石力学参数测试结果表明基岩岩性中硬偏软，而且风氧化带厚度占基岩柱总厚度的比例较大，其覆岩综合强度将大大降低，开采形成的导水裂缝带发育也会受到抑制，对矿井提高开采上限较为有利。

2.5 现场实测及经验公式预计裂缝带发育高度

鲁西煤矿2007年观测的3上109工作面，导水裂缝带实测发育高度为34.73 m。与之相邻的3上107工作面与3上109工作面开采地质条件类似，开采工艺完全相同，因此类比3上107工作面开采后采动覆岩导水裂缝带发育高度亦为34.73 m。但是3上107工作面开采2.5 a以后的实测导水裂缝带发育高度为30.4 m，相对于该工作面类比高度值降低了4.33 m。实测结果表明，针对该区域工作面的覆岩条件，随着工作面停采时间的增大，采动裂隙尤其是上部的微小裂隙会部分闭合，导水裂缝带发育高度经过较长时间的下沉压实后有所降低［4］。两次实测结果见表1。

表1 导水裂缝带发育高度实测结果Table1 Height of water flow ing fractured zonemeasured results

按照中硬和软弱覆岩岩性，根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》［5］(后述简称“三下”规程)中导水裂缝带发育高度的经验公式，预计上述实测工作面的导水裂缝带发育高度见表2。

康永华等［6-7］认为增大初次开采厚度会导致导水裂缝带发育高度的明显增加，而增大重复开采厚度则导水裂缝带高度上升较慢，通过减小厚煤层初次开采厚度、增大重复开采厚度，完全可以控制导水裂缝带发育高度。研究得出的综采工作面一至三分层开采条件下导水裂缝带最大高度与采厚近似呈分式函数关系。在一定的采矿地质条件下，基岩柱厚度不同对导水裂缝带发育高度的影响也不同。实测表明，当岩柱厚度较大时，导水裂缝带发育高度也较大;当岩柱厚度较小时，导水裂缝带发育高度也较小。兴隆庄煤矿在岩柱厚度大于80 m条件下，导水裂缝带高度与累计采厚的关系可表示为式(1)，而在岩柱厚度小于80 m条件下，导水裂缝带高度与累计采厚的关系可表示为式(2):

式中，HLi为导水裂隙带高度，m;∑M为累计采厚，m。

岩柱厚度不同时导水裂缝带高度与累计采厚的关系曲线见图3。

图3 岩柱厚度不同时导水裂缝带高度与累计采厚的关系曲线Fig.3 The relation curve of water flow ing fractured zone height and cumulativem ining thick when the thickness of the rock pillars was change

参考以上研究成果，按兴隆庄矿分层开采经验值，结合鲁西煤矿的地层条件，实测各工作面按照上述式(2)计算的导水裂缝带高度见表3。

表3 导水裂缝带发育高度计算结果(兴隆庄经验公式)Table3 Height of water flow ing fractured zone calculation results(Xinglongzhuang em pirical form ula)

3 3111II工作面开采上限的确定

3.1 3111II工作面裂缝带发育高度确定

3111II工作面导水裂缝带发育高度预计见表4，从表4中3111II工作面不同采厚情况下裂缝带发育高度的预计结果可以看出，运用3下107工作面实测数据类比得出的结果最小，运用兴隆庄煤矿薄基岩分层开采条件下的经验公式预计结果随累计采厚的增加而变化的幅度很小，运用“三下”规程中经验公式(选取覆岩岩性为“中硬”，取中误差为0)的预计结果与兴隆庄矿经验公式的预计结果非常接近，可以认为是真实反映了3111工作面下分层开采后导水裂缝带发育的实际情况。

表4 3111II工作面导水裂缝带发育高度预计Table4 The expected height of 3111II working face water flow ing fractured zone

3.2 开采上限的确定

根据补充勘探钻孔资料揭露的基岩岩性及煤层厚度，按照“三下”规程中经验公式的计算结果，计算出3煤分叉区只开采下分层，按照最小采厚2.2 m的防水安全煤(岩)柱高度为38 m，3煤合并区按照2个分层开采，上分层开采厚度2.4 m，下分层按照最小采厚2.2 m留设的防水安全煤(岩)柱高度为49 m。

4 防治水措施

(1)在采区接近开采上限开采时，应采取适当的工程措施进行勘察，准确的确定采区第四系底部含水层的富水性。

(2)对于3下煤厚度变化较大的区域，以及合并区与分叉区的过渡区，导水裂隙带的发育高度有所变化，要进一步验算所留煤柱，先试后采，逐步扩大范围，遵循先易后难，边采边疏的原则，最大限度地回收资源［8］。

(3)生产过程中进一步查明工作面内含水层及上部采空区有水力联系的导水断层、裂隙带，做好预留煤柱工作。在特殊地段适当缩短工作面长度，短壁快速掘进。

(4)定期清理水仓、水沟。井下巷道沿煤层布置，巷道中可能发生积水现象，在矿井生产期间应根据实际情况疏排巷道积水，确保井下巷道通畅。

5 结论

(1)根据“三下”规程中经验公式的计算结果，计算3煤分叉区只开采下分层，留设防水安全煤(岩)柱高度为38 m，3煤合并区按照2个分层开采，留设的防水安全煤(岩)柱高度为49 m。

(2)本区域底隔厚度赋存稳定，具有良好的隔水性，3111II工作面提高开采上限在技术上是可行的、安全上是可靠的、经济上是合理的。

(3)防水安全煤(岩)柱的留设依据了《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中的相关规定，同时也参考了现场实测类比出的数据和类似条件下其他矿区的经验数据，已应用于工程实践，结果具有较高的可信度。

［1］ 山东科技大学，山东里能鲁西矿业有限公司.3下107工作面裂缝带高度探测研究报告［R］.青岛:山东科技大学，2009.

Shandong University of Science and Technology，Shandong Lineng Luxi Mining Co.，Ltd..The Detection Research of the Fracture Zone Height on 3下107 Working Face［R］.Qingdao:Shandong University of Science and Technology，2009.

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