老公營子煤礦第四系含水層下特厚煤層綜放開采研究

封占軍，李 磊，劉治國，魏耀軍

(1.內蒙古平莊能源股份有限公司老公營子煤礦，內蒙古赤峰024076;2.天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京100013)

綜放開采是將特厚煤層一次性開采出來的高產高效的采煤方法，其優點是采煤生產成本低、生產效率高、經濟效益顯著。缺點是由于采煤強度大造成覆巖破壞高度增大，對水體下采煤十分不利［1］。

老公營子煤礦位于內蒙古赤峰市，第四系含水層富水性強，直接覆蓋于煤系地層之上，其主采煤層5煤平均厚度10.34m，屬特厚煤層［2］。本文通過對老公營子煤礦水文地質條件的研究，對5煤第四系含水層下綜放開采可行性進行了評價，對礦井實現高產高效開采具有重要的指導意義。

1 礦井地質采礦條件

老公營子煤礦位于元寶山煤田中部，含煤地層為侏羅系地層，主采煤層5煤平均厚度為10.34m，適合采用綜放開采。

礦井主要含水層有第四系孔隙潛水含水層、第四系玄武巖承壓含水層、第四系孔隙承壓含水層、白堊系基巖含水層及侏羅系基巖承壓含水層。

第四系含水層為強富水含水層，直接覆蓋在煤系地層之上;煤系地層基巖含水層為弱富水含水層。由于第四系含水層與基巖含水層之間沒有穩定的隔水層，兩者形成了統一水體對工作面進行充水，對5煤的綜放開采造成了嚴重威脅，且礦井在開采3煤期間在最小柱厚比為22的情況下發生過異常出水事故，也說明了礦井地質采礦條件的特殊性。

2 煤層的覆巖結構特性

水體下采煤的實踐結果顯示:軟、硬巖層的力學參數不同，采動后巖體內應力的分布和破壞類型不同，一般的軟弱巖層塑性大，采動后透水性弱，有時被水浸潤后軟化，還可以構成水體下采煤的隔水層;而堅硬的砂巖脆性較大，采動后產生脆性破壞，且被水浸潤后不軟化，透水性強，對水體下采煤不利。因此分析煤層上覆巖層的結構特性對于研究覆巖的破壞規律有著重要的意義［3］。

根據老公營子煤礦5煤頂底板的巖石力學實驗結果 (表1)，結合對礦井5煤頂板以上基巖柱的巖性結果統計，5煤頂板以上基巖柱中砂巖類巖石所占比例約為79.18%，泥巖類巖石所占比例約為20.82%，經綜合分析認為，老公營子礦井5煤上覆巖層屬軟弱類型。

為了解5煤上覆巖層含隔水性能，對5煤上覆巖層中泥巖及粉砂巖取樣進行了物理性質、水理性質、物質組成的定量測試，測試結果表明巖層較軟，泥巖類活性大，遇水易膨脹，具有較好的隔水性能，對水體下采煤有利。

表1 老公營子煤礦5煤頂底板巖石力學性質試驗成果

3 5煤綜放開采覆巖破壞高度預計

綜放開采是一種新興的采煤方法， 《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》(以下簡稱《“三下”采煤規程》)中尚缺少綜放開采覆巖破壞高度的預計方法?？涤廊A、滕永海、許延春分別總結了綜放開采覆巖破壞高度的預計公式，但主要針對于華東及東北地區的地質采礦條件［4－6］。老公營子煤礦屬于西北地區，其地質采礦條件不同于華東及東北地區，有其特殊性，因此需要結合礦井的開采實踐，通過數值模擬、理論分析的方法對老公營子煤礦5煤綜放開采的覆巖破壞高度進行預計。

3.1 簡易水文觀測

在工作面采空區上方施工“兩帶”孔，應用鉆孔沖洗液漏失量觀測法及彩色鉆孔電視成像法對煤層開采的覆巖破壞高度進行實測，是目前最有效的覆巖破壞高度預計方法。圖1，圖2為老公營子煤礦5煤開采“兩帶”鉆孔沖洗液漏失量與鉆孔水位觀測圖。由圖中可以看出LD111孔在孔深180m左右沖洗液完全漏失，在孔深220m左右鉆孔無水位;LD112孔在孔深165m左右沖洗液完全漏失，在孔深225m左右鉆孔無水位。結合彩色鉆孔電視影像 (圖3)得出5煤開采厚度為2.6m時，導水裂縫帶高度為24.36～24.91m，裂采比為9.37～9.58。

3.2 類比分析

由于綜放開采的覆巖破壞高度預計沒有相應的計算公式，因此需依據國內其他礦井綜放開采的實踐經驗進行類比分析，如表2所示。

根據導水裂縫帶發育規律和老公營子煤礦5－1煤層工作面初次開采條件下的導水裂縫帶高度與開采厚度的比值為9.37～9.58的實測結果，結合老公營子煤礦和5煤賦存區的具體條件，通過類比分析，本著安全穩妥的原則，選取5煤綜放開采時裂高采厚比為9，對應5煤最大厚度為21.31m時，導水裂縫帶最大高度為190m。

圖1 鉆孔沖洗液漏失量與孔深關系曲線

圖2 鉆孔水位與孔深關系曲線

圖3 裂縫帶頂點裂縫發育特征

表2 部分礦井綜放開采條件下的覆巖破壞高度實測結果

3.3 數值模擬

利用FLAC3D建立了老公營子礦工作面5煤綜放開采的數值模型 ，模型大小為1000m×400m×207m，并依據礦井實際地質條件賦予了模型參數。經數值計算得出 (圖4)，工作面在綜放開采厚度為21.31m時，導水裂縫帶發育高度約為182m，裂高采厚比為8.54，與類比結果相近，證明類比結果比較符合礦井開采實際。

圖4 數值模型計算結果

4 5煤第四系含水層下綜放開采研究

4.1 5煤綜放開采相關含水層的影響

老公營子煤礦5煤上覆基巖含水層巖性主要由灰、灰白色粗、中、細砂巖及部分粉砂巖組成，泥質膠結，局部裂隙發育，屬于弱富水含水層。分析認為煤層在第四系含水層下進行綜放開采時，導水裂縫帶不波及第四系含水層時，第四系含水層不會對工作面直接充水，而是沿基巖對工作面進行滲透補給，煤系地層中的基巖弱富水含水層為煤層開采的直接充水含水層。

4.2 防水安全煤巖柱的選取

根據《“三下”采煤規程》規定，在強含水層下需留設防水安全煤巖柱開采。如公式1所示，防水安全煤巖柱高度 (Hsh)應大于或等于導水裂縫帶的最大高度 (Hli)加上保護層厚度 (Hb)，即:

依據老公營子地質采礦條件，選取保護層厚度為3倍的綜放開采厚度，則防水安全煤巖柱高度與煤層的柱厚比為12，得出按照5煤最大煤厚21.31m進行放頂煤時應留設的防水安全煤巖柱垂高約為255.72m。

4.3 5煤綜放開采方案的選取

由于第四系含水層為強富水含水層，為防止導水裂縫帶波及到第四系含水層，防水安全煤巖柱需在基巖柱內選取。即當5煤上覆基巖柱厚度大于防水安全煤巖柱高度時，第四系含水層不會對工作面直接充水。依據井田內鉆孔資料，5煤層賦存區內上覆基巖柱厚度由西南向東北逐步變厚，厚度約為170～416m。對比5煤上覆基巖柱厚度與實際揭露5煤開采所需的防水煤巖柱高度，得出5煤賦存區內僅兩個鉆孔揭露基巖柱厚度不滿足留設防水安全煤巖柱的條件，其余鉆孔都滿足留設防水安全煤巖柱高度的條件。因此，建議5煤進行綜放開采時工作面布置在井田東北部基巖柱厚度較厚的區域，對于不滿足留設防水安全煤巖柱的區域，可以采取限制采放高度的方法來進行回采。同時考慮到3煤工作面出現的較大涌水的原因目前尚未查清，為了防止覆巖破壞高度異常增大而導致采動裂隙直接波及第四系孔隙含水層，5煤綜放開采時應按試采要求進行管理，并應根據回采工作面的水情變化等情況靈活調整，控制放煤高度。

5 結論

(1)分析了老公營子煤礦5煤綜放開采的地質采礦條件，認為第四系含水層為老公營子煤礦的主要充水含水層，是礦井進行5煤綜放開采的嚴重威脅水源。

(2)通過統計礦井5煤以上基巖柱的巖性結構以及相關實驗研究，確定5煤上覆巖層巖性為軟弱類型，泥巖及粉砂巖類隔水性能好，對水體下采煤有利。

(3)利用簡易水文觀測法、類比法及數值模擬法確定了5煤綜放開采的裂高采厚比為9，開采厚度為21.34m時，導水裂縫帶最大高度約為190m。

(4)老公營子煤礦需留設防水安全煤巖柱對5煤進行第四系含水層下綜放開采，研究區內基本可以滿足針對第四系孔隙含水層留設綜放開采防水安全煤巖柱的要求，但為防止發生覆巖破壞高度異常增大而導致采動裂隙直接波及第四系孔隙含水層，5煤綜放開采時應按試采要求進行管理。

［1］康永華，孔凡銘.巨厚含水砂層下頂水綜放開采試驗［J］.煤炭科學技術，1998，26(9):35－38.

［2］天地科技股份有限公司開采設計事業部.老公營子煤礦第四系含水層下安全開采技術研究［R］.北京，2010.

［3］北京開采所.煤礦地表移動與覆巖破壞規律及其應用［M］.北京:煤炭工業出版社，1981.

［4］康永華，黃福海，席京德.綜采重復開采的覆巖破壞規律［J］.煤炭科學技術，2001，29(1):22－24.

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

［6］滕永海.綜放開采導水裂縫帶的發育特征與最大高度計算［J］.煤炭科學技術，2011，39(4):118－120.