影響淺部煤層開(kāi)采主要因素分析

馮曉東 李剛

摘 要：本文以中煤平朔集團(tuán)井工一礦的西部淺部煤層工作面為研究對(duì)象，針對(duì)開(kāi)采過(guò)程中存在的問(wèn)題，系統(tǒng)分析影響淺部煤層開(kāi)采的水文與工程地質(zhì)因素，即新生界底部松散層富水性程度、基巖面起伏變化、風(fēng)化帶性質(zhì)、煤層頂板覆巖結(jié)構(gòu)及其巖性等，其研究結(jié)果為類(lèi)似條件的其他礦井安全開(kāi)采具有一定指導(dǎo)性。

關(guān)鍵詞：井工一礦;淺部煤層;底部松散層;覆巖結(jié)構(gòu);影響因素

1 工程概況

中煤平朔集團(tuán)井工一礦井田內(nèi)地層由淺到深分別由新生界松散層，二疊煤系地層，石炭系太原組地層和奧陶系地層等構(gòu)成，傾角由淺入深逐漸變緩（23°～5°）。田內(nèi)以斜切張扭性斷層為主，壓扭性斷層次之。受構(gòu)造、風(fēng)化作用影響，井田范圍內(nèi)基巖面起伏不平，沿背斜軸走向呈現(xiàn)出兩邊較陡，中間低凹的格局。淺部13-1煤層為其重要開(kāi)采范圍，煤層在其開(kāi)采過(guò)程中，受新生界底部松散含水層、基巖面高低起伏變化、風(fēng)化帶性質(zhì)及煤層上部覆巖性質(zhì)及其結(jié)構(gòu)等多種因素共同疊加影響。為此，留設(shè)不同高度和類(lèi)型的煤巖柱是有必要的。

2 淺部煤層開(kāi)采

目前淺部煤層開(kāi)采工作面主要集中在西部。截止2015年7月，淺部煤層開(kāi)采的工作面共計(jì)9個(gè)，其中普采工作面3個(gè)，炮采工作面4個(gè)，綜采加炮采1個(gè)，普采加綜采1個(gè)。其中8個(gè)上提工作面分布在西區(qū)，只有一個(gè)在東區(qū)。在9個(gè)淺部工作面回采過(guò)程中，其中6個(gè)工作面回采過(guò)程中出現(xiàn)突涌水現(xiàn)象，其變化范圍在3～40m3/h之間，最大出現(xiàn)在1402（3）工作面，其涌水量為40m3/h。另外，還出現(xiàn)1602（3）工作面在回采過(guò)程中壓架事故，造成近億元的經(jīng)濟(jì)損失。。

3 影響淺部煤層開(kāi)采主要因素

3.1 底部松散層的富水性程度

新生界松散層厚度南薄北厚，其變化在149～376.34m之間。其底部松散層由黏土層、質(zhì)黏土、中細(xì)砂及砂礫層等組成，呈互層狀。由于受沉積前的古地貌起伏影響，其底部松散沉積物出現(xiàn)粗、細(xì)顆粒交替，在開(kāi)采范圍內(nèi)頂部主要以層狀砂礫石為主，其次為砂質(zhì)黏土。依古地形分析以及底部松散層巖性統(tǒng)計(jì)，受井田內(nèi)沉積前所發(fā)育一個(gè)較大的沖溝影響，其沉積物為一個(gè)典型的坡積和洪積以及山間河道所共同所形成產(chǎn)物。通過(guò)對(duì)底部松散層抽水試驗(yàn)，可以得到其單位涌水量及其滲透系數(shù)。

3.2 基巖面及影響因素

（1）構(gòu)造作用影響。礦區(qū)煤系底層形成后，先前受到近南北方向的擠壓作用，發(fā)生褶曲變形，形成了向斜和背斜的起伏變化，期間也發(fā)育了擠壓逆斷層。后期近南北方向拉長(zhǎng)和水平擠壓錯(cuò)動(dòng)，破壞了先前褶曲的完整性，形成了近東西方向斷層。這種構(gòu)造作用奠定了礦區(qū)古地形骨架。

（2）巖性變化影響。井工一礦的基巖露頭由砂巖、泥巖以及碳酸鹽組成，由于這些巖性的顆粒組成和膠結(jié)物的類(lèi)型差異較大，其抗風(fēng)化能力表現(xiàn)出對(duì)應(yīng)的差異性。硅質(zhì)膠結(jié)砂巖抗風(fēng)化能力強(qiáng)，而含鈣質(zhì)泥巖抗風(fēng)化能力弱，而裂隙發(fā)育的碳酸鹽巖溶發(fā)育，這種巖性的差異性，也是造成在同一構(gòu)造作用條件下古地貌差異的主要原因之一。

（3）后期風(fēng)化作用影響。長(zhǎng)期的物理、化學(xué)和生物風(fēng)化作用，進(jìn)一步破壞巖性完整性，加快了不同巖層快速崩解速度，同時(shí)也加大了古地貌改變力度。

3.3 風(fēng)化帶特征

依已開(kāi)采工作面范圍的206個(gè)鉆孔統(tǒng)計(jì)，煤系基巖風(fēng)化帶的巖性主要由褐紅色、土黃色和淺綠色的泥巖、花斑泥巖、砂質(zhì)泥巖及砂巖組成。其風(fēng)化帶厚為0.45～64.85 m，平均約17.41 m。在風(fēng)化帶巖性中，泥巖比例超過(guò)50%的鉆孔超過(guò)60%，為泥質(zhì)化，成為良好的隔水層有效地阻隔新生界底部松散含水層對(duì)下部砂巖裂隙的補(bǔ)給。基巖風(fēng)化帶厚度具有以下特性：在基巖面較高的位置，其風(fēng)化帶厚度較厚;而在古地貌較低洼處，其化帶厚度較薄。

3.4 覆巖水文與工程地質(zhì)特性

在淺部煤層頂板至風(fēng)化帶之間的覆巖內(nèi)部發(fā)育砂巖裂隙，其富水性具有不均性。依淺部開(kāi)采范圍內(nèi)4個(gè)孔抽水試驗(yàn)資料，其單位涌水量為0.0065～0.0032L/s·m之間，屬于弱富水，其滲透系數(shù)為0.04～0.56 m/d之間。在工作面在回采過(guò)程中，砂巖出水具有開(kāi)始較大、然后隨時(shí)間逐漸衰減特征。但不同的工作面由于受多種構(gòu)造裂隙發(fā)育的程度、上覆新生界底部松散層的富水性特征等影響，其水量大小隨時(shí)間的變化差異較大。以1402（3）工作面為例，該面回采過(guò)程中，有四個(gè)出水點(diǎn)，分別位于工作面上、下風(fēng)巷內(nèi)。其中，二個(gè)出水點(diǎn)位于工作面壓架處。由于推進(jìn)速度緩慢，頂板冒落，上部松散層的砂層水通過(guò)導(dǎo)水裂縫帶進(jìn)入工作面。出水時(shí)間一般較短。但在該面西部基本頂中～細(xì)砂巖厚度大，局部地段裂隙發(fā)育，采動(dòng)加強(qiáng)了砂巖裂隙在垂向和橫向上連通性，并與底部松散層發(fā)生水力聯(lián)系，最終形成底部松散層補(bǔ)給砂巖裂隙，導(dǎo)致突水事故。

煤層頂板以砂質(zhì)泥巖、泥巖為主，其次為砂巖。其中，中～細(xì)砂巖單軸抗壓強(qiáng)度為110MPa，單軸抗拉強(qiáng)度為3.5 MPa，普氏系數(shù)為11.0;泥巖為單軸抗拉強(qiáng)度為1.26 MPa;砂質(zhì)泥巖單軸抗拉強(qiáng)度為1.36 MPa。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，淺部煤炭在開(kāi)采過(guò)程中，工作面覆巖上方的新生界底部松散層富水性程度，以及基巖露頭的巖性及風(fēng)化程度，并對(duì)二者保持不同的水力聯(lián)系系統(tǒng)分析是開(kāi)采的先決條件;而煤層頂板的覆巖結(jié)構(gòu)巖性，尤其是頂板的類(lèi)型劃分，是關(guān)系到煤層回采過(guò)程中，頂板是否安全跨落重要因素。因此，在做好留設(shè)合理的煤巖柱高度基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究以上這些因素，尤其在動(dòng)態(tài)回采下，其間相互作用關(guān)系，是決定淺部煤炭資源安全開(kāi)采關(guān)鍵因素。

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