謝橋礦水體下煤層1202(1)工作面提高開采上限研究*

趙 明 趙 健 鄭志陽

(中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083)

★ 煤炭科技·開拓與開采 ★

謝橋礦水體下煤層1202(1)工作面提高開采上限研究*

趙 明 趙 健 鄭志陽

(中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083)

為提高謝橋煤礦松散含水層下1202(1)工作面開采上限，分析了井田內新生界沖積層結構及其含、隔水性，確定了工作面屬Ⅱ類水體壓煤，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構模型，運用理論分析和鉆孔實測方法對兩帶發育高度進行預測；運用數值模擬方法模擬鄰近煤層開采影響下，開采上限不同時工作面覆巖破壞場及覆巖水體滲流場的分布情況。研究表明，開采上限提高后，裂隙帶將進一步發育并間接波及上部含水層，在保護層和工作面中部采空區覆巖壓實作用下，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域。現場實踐中，開采上限提高至-390 m安全可行，解放呆滯煤量3.5萬t。

水體下采煤 開采上限 防水煤柱 垮落帶 裂隙帶 水體滲流 跡線

我國煤炭資源地域分布遼闊，礦井地質條件復雜，提高含水層下煤層的開采上限從而解放大量煤炭資源是煤礦生產和科研中的重要課題，對煤礦實現高產、高效及安全生產具有重要的現實意義。提高開采上限的基本原則是在保證安全開采的前提下進一步縮小安全煤柱的留設，最大限度地進行資源回收，進而取得良好的經濟效益。合理的開采上限主要與上覆含水層結構、水體下防水巖層巖性、采動巖體破壞特征及開采方式等有關。近年來我國學者對此做出了大量的研究，提出了疏水開采、間歇開采等安全開采方法，并建立了含水層下綜放開采、分層開采及充填開采等多種開采條件下的覆巖兩帶發育高度計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雜水文地質條件下的高效、安全開采等問題。

謝橋煤礦位于淮北平原西南部，為特大型現代化礦井，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。礦井在開采設計時預留了較大的防水煤柱，高度一般為50～80 m，其下壓煤量達3560萬t。隨著礦井開采強度的不斷加大，生產接替緊張和礦井儲量不足的矛盾日益突出，為有效地延長礦井服務年限，提高工作面含水層下開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1201(3)、12128、12118、1222(3)W、1212(1)、1202(3)工作面，東一采區1101(3)工作面以及東二采區13118工作面均成功地進行了縮小防水煤柱開采。根據已有縮小防水煤柱的開采經驗，礦井將本次目標工作面1202(1)工作面的開采上限由原來的-400 m 提高至-390 m。本文將研究工作面開采上限提高10 m后的安全可采性，并分析在鄰近煤層開采影響下覆巖兩帶發育特征及含水層對工作面的影響程度，從而確定工作面開采的可行性。

1 工程及水文地質條件

1.1 工程地質特征

如圖1所示，1202(1)工作面位于西一采區11-2煤層零階段，走向長1065 m，傾斜長115 m，煤層厚度為1.4～3.6 m，平均2.6 m，平均傾角為13.7°。工作面回風巷煤層頂板標高為-389.7～-404.6 m，防水煤柱高50～80 m，有兩段進入設計防水煤柱內，分別為開切眼以東258 m，及煤上山以西275.4 m，共計533.4 m。開采上限提高10 m后，提高段可采走向長度442.8 m，可采面積9750.3 m2，增加可采儲量3.5萬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泥巖為主，平均厚2.43 m，老頂以粉細砂巖為主，平均厚8.51 m，煤層頂板為軟弱～中硬型頂板，底板為泥巖及砂質泥巖。本面構造簡單，傾向正斷層有3條，最大落差1.9 m，對回采無影響。

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個含隔水層(組)，對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粘土。中含下段含水層以湖濱相沉積為主，根據《謝橋井田煤系上覆第三系地層(紅層)隔水性補勘驗證評價報告》對新生界沖積層結構及含、隔水性對比分析，確認中含下段屬于弱含水層。距工作面西北側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，多沉積固結狀粘土及砂質粘土。該層水位標高h=+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，分布穩定，巖性以粘土、砂質粘土為主，致密均一，多為固結狀，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，分布穩定，巖性以角礫巖、細砂巖為主，不含水，為一隔水層。據工作面附近鉆孔揭示，中部隔水層與紅層總厚度達31.4 m，可有效阻止中含下段及以上含水層對基巖的補給，隔水性能較好，可作為防水巖柱利用。

(2)風氧化帶。基巖風氧化帶巖性主要以砂質泥巖和風化泥巖為主，平均厚約30 m，發育較穩定，遇水受壓后極易彌合，具隔水性能。根據礦井鉆孔抽水試驗資料顯示，風化帶裂隙單位涌水量q= 0.0055～0.0212 L/(s·m)，滲透系數k=0.0121～0.098 m/d。

(3)頂板砂巖裂隙水。根據11-2煤層內已回采的工作面資料，煤層老頂中局部裂隙發育，并賦存砂巖裂隙水，以靜儲量為主，無水源補給。11-2煤層3個工作面回采期間，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，相鄰的1212(1)工作面在采掘過程中也并未發生突水現象。礦井揭露的11-2煤層采掘工作面頂板砂巖裂隙水突水時的最大水量為25 m3/h，工作面回采時取1.6倍的保險系數計算最大涌水量為40 m3/h。綜合分析工作面上方新生界含水層水文地質條件，對照《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《規程》)劃分的水體采動類型，該類含水層屬Ⅱ類水體壓煤，即允許導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，提高開采上限的自然條件。

2 覆巖兩帶高度預計及安全可采性分析

2.1 防水煤巖柱地層結構模型建立

開采露頭煤柱時，須留設一定的防水煤巖柱，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。防水煤巖柱尺寸應包括與采動影響相適應的兩帶以及作為安全保障在內的隔水層兩部分尺寸，1202(1)工作面防水煤巖柱地層結構模型見圖2。

圖2 防水煤巖柱地層結構模型

煤層上方地層結構依次為底部紅層、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，對回采有影響的含水層為中部含水層下段，為保證安全開采，防水安全煤巖柱高度、導水裂隙帶高度、保護層厚度應滿足以下條件：

(1)

式中：Hsh——防水安全煤巖柱高度；

Hli——導水裂隙帶高度；

Hb——保護層厚度。

2.2 兩帶高度發育預計

有學者利用最小二乘法對潘謝礦區采動巖體裂隙發育高度的實測數據進行擬合計算，得出的工作面垮落帶高度預計公式為：

(2)

裂隙帶高度預計公式為：

(3)

式中：M——煤層采高，取2.6 m；

Hm——垮落帶高度；

Hli——裂隙帶高度。

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

為確定覆巖兩帶發育情況，1202(1)工作面在試采時共施工4個垮落孔，探測成果見表1。由垮落孔探測成果可知，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

開采上限提高后，工作面留設的最小安全煤巖柱位于開切眼以東125 m處，回風巷道頂板標高為-390 m，其上方基巖面標高為-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類水體下壓煤，因此，防水安全煤巖柱高度應大于垮落帶高度與保護層厚度之和，即：

(4)

根據前文計算結果及探測成果，取垮落帶高度最大預計值Hm=15.12 m，保護層厚度Hb取3倍的煤層采厚，1202(1)工作面平均采厚為2.6 m，所以保護層厚度Hb為7.8 m，煤巖柱高最小值Hsh為70 m，滿足式(4)；取最大裂高值Hli=52.78 m，滿足式(1)，說明工作面裂隙帶并未波及到含水層，最小煤巖柱高度符合《規程》要求。同時，謝橋礦先后在西翼采區及東一采區、東二采區共8個工作面均成功地進行了縮小防水煤柱開采，取得了含水層下縮小防水煤柱開采的寶貴經驗，故1202(1)工作面開采上限提高至-390 m是安全可行的。

表1 垮落孔探測成果

3 覆巖流固耦合數值分析

為系統、全面地反映工作面正常回采過程中的覆巖破壞規律及裂隙場滲流規律，運用FLAC2D數值模擬軟件，在流固耦合模式下，根據鄰近煤層不同工作面的實際開采順序，模擬不同開采上限高度下工作面沿走向方向典型剖面的覆巖破壞場及滲流場的分布情況。工作面走向長壁布置，煤層及巖層傾角為13.7°，部分煤巖層物理力學參數見表2。

表2 煤巖物理力學參數

模擬地質剖面長640 m，高460 m，計算網格共計83200個單元。工作面位置示意圖見圖3，鄰近煤層工作面實際回采順序為12328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水平圍巖破壞區分布，模擬結果見圖4。

圖4 -400 m、-390 m水平破壞區分布

各煤層開挖后，工作面頂底板圍巖以拉伸破壞為主，護巷煤柱則主要發生剪切破壞。歷史工作面采空區垮落將引起上覆巖層發生不均勻沉降，隨著1202(1)工作面開采上限的提高，工作面頂板拉伸破壞區將進一步向上發育，上部含水層也將發生拉伸破壞，進而發育一定的導水裂隙。工作面對上覆巖層的破壞并不充分，但隨著工作面的不斷推進，頂板裂隙將波及松散層并與含水層裂隙相互連通，含水層水體將通過導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分布見圖5。

圖5 -400 m 、-390 m水平覆巖水體滲流跡線圖

開采上限至-400 m水平時含水層水體滲流跡線呈現出地下水補給的主要特征。隨著歷史工作面的回采，上部含水層發生不均勻沉降，剖面中部產生塑性拉伸裂隙，進而分布向下的滲流跡線。采空區垮落后，覆巖發生塑性破壞，裂隙帶逐步發育，水體進一步向采空區滲流，下部孔隙水壓力及水頭壓力較大，因此8#煤層下部滲流跡線比較密集，滲流現象明顯。開采上限提高至-390 m水平時，含水層水體下滲高度增加，流線加密，但工作面上方保護層隔水性較強，工作面回采對上覆巖層破壞程度較低，導水裂隙連通程度并不高，且中含下段含水層屬弱含水層，因此流線止于保護層上部。同時，工作面中部采空區上覆巖層垮落壓實后產生一定的隔水性，流線僅出現在工作面下端部，對工作面影響有限，并不會發生嚴重的突水事故，因此，開采上限提高至-390 m是安全可行的。

4 工程應用

4.1 采場礦壓分析

1202(1)工作面在開采開切眼以東提高上限段時，利用KJ345礦用液壓支架工作阻力遠距離監測系統進行了礦壓觀測。工作面共設立8個監測站，對76架支架中的8架支架進行了監測，如圖6所示。在監測時間段內，支架壓力峰值在35 MPa 左右變化，動載系數為1.4～2.05，頂板周期來壓步距為20.4 m，頂板垮落高度為8.17～12.5 m，礦壓顯現比較明顯。回風巷兩幫收斂量及頂底移近量均在8 mm/d，工作面僅在局部發生片幫，頂板碎漲后可以較充分地充填采空區。同時，支架來壓時序基本一致，整體受力狀態較好，前后立柱受力均衡，回采期間周期來壓顯現明顯，說明上覆采動巖體垮落后能夠形成穩定的結構，從而保證工作面開采的安全性和可靠性。

圖6 工作面測站布置示意圖

4.2 工作面涌水分析

1202(1)工作面在開切眼以東258 m及煤上山以西275.4 m兩處提高上限段時均未發生突水，僅頂板有不同程度的滴、淋水現象，出水多發生在砂巖直接覆蓋地段。其中，開切眼以東92～228 m處，工作面下端部1#～22#支架處頂板出現了幾次較強的滴、淋水現象；煤上山以西111 m處，工作面出現了較強的涌水現象，初始水量為20 m3/h，最大涌水量為34 m3/h，最后衰減為0，累計出水1080 m3，出水水源為頂板砂巖裂隙水。同時，工作面涌水與礦壓顯現呈現出明顯的相關性，頂板來壓時通常伴隨著大范圍淋水，生產時根據礦壓顯現規律成功地對兩處提高上限段進行了5次出水預報，有效地指導了礦井安全生產。

4.3 提高開采上限技術經濟評價

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

5 結論

(1)工作面具備縮小防水煤柱、提高開采上限的自然條件，理論計算和垮落孔探測結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采要求。

(2)受鄰近煤層開采影響，開采上限提高后，1202(1)工作面裂隙帶將進一步向上發育并與含水層裂隙聯通。由于工作面上方保護層隔水性較好，因此，滲流至工作面水量有限，且水體主要通過導水通道滲流至下部松散區域。

(3)工作面回采期間礦壓顯現比較強烈，周期來壓現象明顯，采動巖體垮落后結構穩定。工作面回采過程中并未發生突水事故，且工作面涌水均在可控范圍內，開采上限提高至-390 m水平安全可行，技術經濟效益顯著。

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(責任編輯 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

高等學校博士學科點專項科研基金(20120023110023)

TD 823.83

A

趙明(1989-)，黑龍江肇東人，中國礦業大學(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。