影響淺部煤層開采主要因素分析

馮曉東 李剛

摘 要：本文以中煤平朔集團井工一礦的西部淺部煤層工作面為研究對象，針對開采過程中存在的問題，系統分析影響淺部煤層開采的水文與工程地質因素，即新生界底部松散層富水性程度、基巖面起伏變化、風化帶性質、煤層頂板覆巖結構及其巖性等，其研究結果為類似條件的其他礦井安全開采具有一定指導性。

關鍵詞：井工一礦;淺部煤層;底部松散層;覆巖結構;影響因素

1 工程概況

中煤平朔集團井工一礦井田內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成，傾角由淺入深逐漸變緩（23°～5°）。田內以斜切張扭性斷層為主，壓扭性斷層次之。受構造、風化作用影響，井田范圍內基巖面起伏不平，沿背斜軸走向呈現出兩邊較陡，中間低凹的格局。淺部13-1煤層為其重要開采范圍，煤層在其開采過程中，受新生界底部松散含水層、基巖面高低起伏變化、風化帶性質及煤層上部覆巖性質及其結構等多種因素共同疊加影響。為此，留設不同高度和類型的煤巖柱是有必要的。

2 淺部煤層開采

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

3 影響淺部煤層開采主要因素

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、質黏土、中細砂及砂礫層等組成，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粗、細顆粒交替，在開采范圍內頂部主要以層狀砂礫石為主，其次為砂質黏土。依古地形分析以及底部松散層巖性統計，受井田內沉積前所發育一個較大的沖溝影響，其沉積物為一個典型的坡積和洪積以及山間河道所共同所形成產物。通過對底部松散層抽水試驗，可以得到其單位涌水量及其滲透系數。

3.2 基巖面及影響因素

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

（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物的類型差異較大，其抗風化能力表現出對應的差異性。硅質膠結砂巖抗風化能力強，而含鈣質泥巖抗風化能力弱，而裂隙發育的碳酸鹽巖溶發育，這種巖性的差異性，也是造成在同一構造作用條件下古地貌差異的主要原因之一。

（3）后期風化作用影響。長期的物理、化學和生物風化作用，進一步破壞巖性完整性，加快了不同巖層快速崩解速度，同時也加大了古地貌改變力度。

3.3 風化帶特征

依已開采工作面范圍的206個鉆孔統計，煤系基巖風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、砂質泥巖及砂巖組成。其風化帶厚為0.45～64.85 m，平均約17.41 m。在風化帶巖性中，泥巖比例超過50%的鉆孔超過60%，為泥質化，成為良好的隔水層有效地阻隔新生界底部松散含水層對下部砂巖裂隙的補給?；鶐r風化帶厚度具有以下特性：在基巖面較高的位置，其風化帶厚度較厚;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特性

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

煤層頂板以砂質泥巖、泥巖為主，其次為砂巖。其中，中～細砂巖單軸抗壓強度為110MPa，單軸抗拉強度為3.5 MPa，普氏系數為11.0;泥巖為單軸抗拉強度為1.26 MPa;砂質泥巖單軸抗拉強度為1.36 MPa。

4 結語

綜上所述，淺部煤炭在開采過程中，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化程度，并對二者保持不同的水力聯系系統分析是開采的先決條件;而煤層頂板的覆巖結構巖性，尤其是頂板的類型劃分，是關系到煤層回采過程中，頂板是否安全跨落重要因素。因此，在做好留設合理的煤巖柱高度基礎上，重點研究以上這些因素，尤其在動態回采下，其間相互作用關系，是決定淺部煤炭資源安全開采關鍵因素。

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