李慶蓮 趙元強(qiáng) 賈紀(jì)旺

摘要：本區(qū)域第四系底部為砂層，富水性較弱，但砂層易隨水流動(dòng)，因此3煤層開(kāi)采上限確定時(shí)，可不留設(shè)防水煤柱，按冒落帶高度留設(shè)防砂煤柱即可，即防砂煤柱按第四系底界下垂深35m留設(shè)。在開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)考慮基巖風(fēng)氧化帶對(duì)煤質(zhì)和支護(hù)的影響，防砂煤柱應(yīng)大于或等于風(fēng)氧化帶高度。

關(guān)鍵詞：下組下段 含水層 防砂煤柱 開(kāi)采上限

葛亭煤礦位于濟(jì)寧煤田西北部，行政區(qū)劃屬濟(jì)寧市郊區(qū)二十里鋪鎮(zhèn)及長(zhǎng)溝鎮(zhèn)管轄，礦區(qū)中心位置距離濟(jì)寧市15公里，礦井南北長(zhǎng)4～4.5km，東西寬4～6km，面積為20.8838km2。礦井設(shè)計(jì)能力60萬(wàn)t/a，2003年核定生產(chǎn)能力為120萬(wàn)t。可采煤層為3、16、17煤，目前主采3煤層。

730采區(qū)地面位于礦井工業(yè)廣場(chǎng)以東，井田的最東部。

1 采區(qū)地質(zhì)特征

1.1 地層

本區(qū)為全隱蔽的華北型石炭～二疊系煤田，煤系以?shī)W陶系為基底，沉積了石炭系中統(tǒng)本溪組、石炭系上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組及石盒子組，其上被第四系所覆蓋。主要含煤地層為太原組和山西組。

1.1.1 第四系（Q）：厚度232.90～243.65m，平均239.82

m。區(qū)內(nèi)由南往北逐漸變薄，由粘土、鈣質(zhì)粘土、砂質(zhì)粘土、砂及砂礫層組成。

1.1.2 二疊系下統(tǒng)山西組（P1s）：本采區(qū)內(nèi)二疊系地層只有山西組尚殘留。

殘留厚度43.55～59.05m，平均50.20m，是本區(qū)主要含煤地層。底部泥質(zhì)含量增多，波狀及渾濁狀層理發(fā)育，見(jiàn)底棲動(dòng)物通道，為一良好標(biāo)志，與下伏太原組頂部的黑色海相泥巖、泥質(zhì)粉砂巖為連續(xù)沉積。

本組內(nèi)含煤2層（2、3），其中3煤層厚度大，為本區(qū)內(nèi)主采煤層。

1.1.3 石炭系上統(tǒng)太原組（C3）：采區(qū)內(nèi)揭露厚度44.73～

48.20m，平均46.97m，為本區(qū)主要含煤地層之一。由灰～灰黑色粉砂巖、泥巖、淺灰色中、細(xì)砂巖、石灰?guī)r及煤層組成。

1.2 構(gòu)造

1.2.1 井田地質(zhì)構(gòu)造背景

葛亭礦井處于濟(jì)寧煤田魯西南斷塊坳陷區(qū)的濟(jì)寧地塹西側(cè)。井田內(nèi)構(gòu)造發(fā)育受東西向及南北向區(qū)域構(gòu)造控制，早期主要為北東～北東東向褶曲，后因受南北向斷層控制，使其發(fā)生扭曲表現(xiàn)較弱，被改造為北東東～東西向褶曲形態(tài)已不完整。晚期主要表現(xiàn)為南北向褶曲。全礦井明顯表現(xiàn)為一近南北向的向斜褶曲，構(gòu)造的北端、翼部?jī)A角較陡，軸部較緩，因受南北向、近東西向及北東向三組斷層的切割，基本被分解為幾個(gè)地層塊段，形態(tài)不完整。區(qū)內(nèi)主要發(fā)育有近南北向斷層，同時(shí)由于受南北兩側(cè)東西向構(gòu)造帶的控制，仍然存有東西向斷層；另外，北西向斷層數(shù)量較少，落差小，延展短。

1.2.2 730采區(qū)范圍內(nèi)構(gòu)造特征

①煤層產(chǎn)狀。本區(qū)構(gòu)造類(lèi)型簡(jiǎn)單，根據(jù)三維地震資料和鉆探資料情況，該區(qū)域?yàn)橐粏涡睒?gòu)造，走向SE～NW，傾向234°～248°，傾角10°～32°，平均22°。

②斷層。采區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，根據(jù)已掌握資料，本區(qū)域內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)有斷層構(gòu)造，只有采區(qū)西南部界處的F7斷層，落差為30～300mm。

F7斷層：為一正斷層，位于采區(qū)東北部，為采區(qū)北部邊界，礦井內(nèi)延展長(zhǎng)度4700m，走向北西～南北，傾向南西～西，傾角70°，落差30～300m。屬基本查明斷層。

2 采區(qū)水文地質(zhì)特征

2.1 井田水文地質(zhì)概況

葛亭煤礦南部以F11斷層與運(yùn)河煤礦為界，西、北界均為奧灰隱伏露頭，為本礦井的補(bǔ)給邊界，東界人為邊界距唐陽(yáng)斷層1～2km；南界F11斷層，落差65～400m，南升北降，礦井內(nèi)各主要含水層與對(duì)盤(pán)奧灰對(duì)口接觸，因而也有可能成為本礦井補(bǔ)給水源。

礦井的西部為奧灰隱伏露頭區(qū)，據(jù)西部奧灰抽水試驗(yàn)資料，鉆孔單位涌水量達(dá)0.622L/s.m，為Ⅱ級(jí)中等富水區(qū)，為煤系各主要含水層的補(bǔ)給水源。

2.2 采區(qū)3煤層水文地質(zhì)條件

2.2.1 區(qū)內(nèi)主要含水層

區(qū)內(nèi)主要含水層為第四系砂層，3煤層頂、底板砂巖，太原組三灰，十下灰和奧灰含水層。

①第四系：第四系含水砂層分上、中、下三組，上、中組為強(qiáng)富水含水層，下組為中等富水含水層。根據(jù)本采區(qū)補(bǔ)4孔抽水試驗(yàn)資料，第四系下組含水砂層水位標(biāo)高+27.444m，單位涌水量為0.0661～0.1324L/s.m，富水性為中等，滲透系數(shù)為0.01936～0.0687m/d。補(bǔ)5孔抽水試驗(yàn)資料，第四系下組含水砂層水位標(biāo)高+28.107m，單位涌水量為0.0556～0.1635L/s.m，富水性為中等，滲透系數(shù)為0.01203～0.1323m/d。下組含水砂層頂、底板具有良好的隔水性能，使得大氣降水、地表水和富水性強(qiáng)的第四系上、中組砂層水被本組所隔，不能向下補(bǔ)給，為煤系上覆地層重要隔水層組。在本采區(qū)內(nèi)煤3頂板和第四系底界面間距較小，在部分塊段第四系下組含水層會(huì)成為3煤層開(kāi)采的直接充水含水層。

②3煤頂、底板砂巖：根據(jù)本次補(bǔ)勘資料，頂板砂巖厚1.35～8.95m，平均5.18m。主要由淺灰至灰色長(zhǎng)石、石英砂巖組成，以細(xì)砂巖為主，含暗色礦物，局部夾中砂巖、粗砂巖。底板砂巖厚5.20～9.33m，平均7.04m，由灰白色長(zhǎng)石、石英砂巖組成，以細(xì)砂巖為主，含少量暗色礦物，夾粉砂巖。礦井內(nèi)有27個(gè)鉆孔穿過(guò)3煤層頂、底板砂巖，有2個(gè)鉆孔漏水，漏水孔率7.4%，據(jù)S7-5和S8-1鉆孔抽水試驗(yàn)資料，水位標(biāo)高為+32.69m，單位涌水量為0.003068～0.00608L/s.m，礦化度為0.4012～2.4057g/l，水質(zhì)類(lèi)型為HCO3-K+Na～SO4-K+Na·Mg，滲透系數(shù)為0.00159～0.0174m/d，為弱富水含水層。本采區(qū)內(nèi)該含水層為第四系下隱伏露頭，直接接受第四系下組含水層的補(bǔ)給，局部塊段補(bǔ)給來(lái)源較好。

③三灰：厚4.00～5.15m，平均4.72m，上距3煤層41.24～45.85m，平均43.88m，根據(jù)相鄰采區(qū)抽水試驗(yàn)資料，水位標(biāo)高+32.65m，單位涌水量為0.000209～0.003131L/s.m，礦化度0.5499～0.6731g/L，滲透系數(shù)為0.004026～0.07993m/d，為弱富水含水層。以往勘探和井下實(shí)際揭露資料表明，隨深度的增加，三灰的富水性顯著減弱。正常情況下不會(huì)發(fā)生底鼓突水。

④十下灰：厚3.45～8.80m，平均5.35m。淺灰～深灰色，含豐富的海相動(dòng)物化石。礦井內(nèi)有57個(gè)鉆孔揭露十下灰，有9個(gè)鉆孔發(fā)生漏水，漏水孔率18.8%，絕大部分位于淺部十下灰風(fēng)氧化帶及斷層附近。漏水點(diǎn)多分布于-570m以淺，其中56%的漏水點(diǎn)分布在-250m以淺。水位標(biāo)高31.77～33.77m，單位涌水量0.002332 ～0.9664L/s.m，礦化度0.7027～0.7288g/L，水質(zhì)類(lèi)型為SO4·HCO3-Ca·K+Na·Mg～SO4.HCO3-Ca·Mg，滲透系數(shù)為0.8301～17.5952m/d，為弱～中強(qiáng)富水含水層。十下灰富水性極不均一，淺部（N7-11，N7-12）單位涌水量達(dá)0.9664L/s.m，水質(zhì)類(lèi)型SO4·HCO3-Ca·Mg，相距僅220m的N7-10孔單位涌水量?jī)H0.002332L/s.m，水質(zhì)類(lèi)型為SO4.HCO3-Ca·K+Na·Mg，說(shuō)明十下灰富水的不均勻性和隨埋深增加富水性減弱的規(guī)律。

⑤奧灰：3煤～奧灰間距為210.0m，奧灰是開(kāi)采3煤層時(shí)的間接充水含水層。G1號(hào)鉆孔位于本區(qū)域以東350m，揭露奧灰50.44m終孔；根據(jù)430采區(qū)補(bǔ)勘施工的鉆孔的補(bǔ)1和補(bǔ)3號(hào)鉆孔資料受巖漿巖侵蝕影響，3煤至奧灰間距均被拉大，其中補(bǔ)1號(hào)鉆孔間距為372.49m，揭露奧灰53.45m，補(bǔ)3號(hào)鉆孔間距為350.45m，揭露奧灰12.66m，鉆進(jìn)過(guò)程中漿液消耗量穩(wěn)定在0.16m3/h；鉆孔揭露發(fā)現(xiàn)，奧灰中常見(jiàn)小溶洞和裂隙，多未充填，具縫合線構(gòu)造。從鉆孔揭露情況分析，奧灰水壓力大，充水空間發(fā)育，為中等富水含水層。3煤層正常開(kāi)采情況下距奧灰水較遠(yuǎn)，奧灰水對(duì)3煤層開(kāi)采影響不大。

2.2.2 斷層的導(dǎo)水性

全礦井35個(gè)鉆孔穿過(guò)斷層，揭露48個(gè)斷點(diǎn)，只有3個(gè)鉆孔發(fā)生漏水現(xiàn)象，且都在小斷層附近，斷層帶漏水不明顯，斷層帶充水空間不發(fā)育。礦井實(shí)際揭露資料表明，斷層均不含水、不導(dǎo)水。本采區(qū)范圍內(nèi)有F6、F4斷層，斷層落差大于100m，造成奧灰與3煤間距縮小，故在接近斷層前，應(yīng)做好斷層的防探水工作，確保掘進(jìn)和回采的安全。

2.2.3 采區(qū)水文地質(zhì)條件和突水危險(xiǎn)性分析

通過(guò)對(duì)采區(qū)內(nèi)各含水層分析可知，本采區(qū)充水條件相對(duì)簡(jiǎn)單，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

①直接充水含水層（3煤頂、底板砂巖含水層）為弱富水含水層，易于疏干，從鄰近采區(qū)230采區(qū)補(bǔ)勘抽水試驗(yàn)對(duì)比以往資料來(lái)看，3砂的水位標(biāo)高已出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。

②間接充水含水層（三灰、十下灰含水層等）富水性弱，距3煤相對(duì)較遠(yuǎn)。

③斷層帶充水空間不發(fā)育，斷層均不含水且導(dǎo)水性較弱，僅在斷層落差較大。

突水危險(xiǎn)性分析：正常情況下，3煤頂、底板砂巖含水層、巖漿巖含水層不存在突水危險(xiǎn)，三灰含水層正常條件上距3煤48.37m，屬于弱含水層，也不存在突水危險(xiǎn)。但由于區(qū)內(nèi)3煤頂板距第四系底界面較近，且第四系底部含水層富水性中等，局部塊段部直接覆蓋于3煤之上，成為3煤的直接頂板，對(duì)本區(qū)域3煤的開(kāi)采威脅較大，有可能隨著3煤層的開(kāi)采造成突水威脅。

2.2.4 井田的水文地質(zhì)類(lèi)型及其復(fù)雜程度

綜上所述本采區(qū)3煤層開(kāi)采的直接充水含水層均為孔隙～裂隙含水層，由于直接含水層補(bǔ)給源都是第四系下組下段的含水層，三層之間水力聯(lián)系密切，互有影響，故本采區(qū)的水文地質(zhì)類(lèi)型應(yīng)屬二類(lèi)Ⅱ-1型，水文地質(zhì)條件中等偏簡(jiǎn)單。

3 開(kāi)采上限研究

3.1 第四系下組下段富水性與防水煤柱留設(shè)的研究

3.1.1 導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算

根據(jù)國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局1991年頒發(fā)的《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》（GB12719-91）中所列附錄FG（參考件），導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算公式：

Hm=+5.1，其中M為累計(jì)采厚；n為煤分層層數(shù)

730采區(qū)3煤層平均厚6.11m，如全層開(kāi)采，則Hm最大將達(dá)91.16m。

3.1.2 第四系下組下段含水層富水性特征

補(bǔ)4號(hào)孔冒裂帶范圍內(nèi)第四系下組下段有關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)如下：

①砂層滲透系數(shù)室內(nèi)測(cè)試值：樣號(hào)補(bǔ)4-3-1/2/3/4為粗砂，取樣深度170.25～183.72m，垂直滲透系數(shù)為2.00E-05cm/s，經(jīng)換算滲透系數(shù)K=0.01728m/d。

樣號(hào)補(bǔ)4-5-1/2/3為中砂，取樣深度195.20～201.40

m，垂直滲透系數(shù)為1.66E-06cm/s，經(jīng)換算滲透系數(shù)K=

0.01434m/d。

樣號(hào)補(bǔ)4-7-1/2/3/4為中砂，取樣深度222.86～229.85

m，垂直滲透系數(shù)為3.79E-05cm/s，經(jīng)換算滲透系數(shù)K=

0.03275m/d。

②抽水試驗(yàn)求得滲透系數(shù)值及單位涌水量。補(bǔ)4孔抽水試驗(yàn)Q=123.84m3/d s=21.70m q=0.0661L/s·m

經(jīng)計(jì)算K=0.247879m/d。

③礦井涌水量預(yù)算。利用承壓轉(zhuǎn)無(wú)壓公式Q=1.366K[（2H-M）M-h2]/lg

其中K為補(bǔ)4號(hào)孔抽水試驗(yàn)求得的滲透系數(shù)，H為水位降深值，取補(bǔ)4、補(bǔ)2、補(bǔ)5號(hào)鉆孔第四系底界深的平均值減去水位深度，即：

H=239.82-11.99=227.83 h=0

M為含水層厚度，取4、補(bǔ)2、補(bǔ)5號(hào)三個(gè)第四系底界面為砂層或鈣質(zhì)層的鉆孔的第四系下段砂層平均值，M=24.37m

經(jīng)計(jì)算Q=268.10（m3/h）。

根據(jù)以上有關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)，結(jié)合《礦井地質(zhì)規(guī)定》及《煤礦防治水規(guī)定》對(duì)含水層的劃分標(biāo)準(zhǔn)，采區(qū)內(nèi)第四系下組為含水性中等的含水層。

3.2 冒落帶計(jì)算與防砂煤柱留設(shè)

3.2.1 第四系底部巖性分布特征

第四系底部的巖性特征對(duì)開(kāi)采上限的確定及煤巖柱留設(shè)方式至關(guān)重要，為了準(zhǔn)確地反映出本采區(qū)第四系底部的巖性分布特征，對(duì)采區(qū)內(nèi)第四系底部為砂質(zhì)的2個(gè)鉆孔的資料，進(jìn)行了分析對(duì)比，2個(gè)鉆孔的確定成果如表1：

3.2.2 冒落帶計(jì)算與安全煤巖段留設(shè)

開(kāi)采3煤層冒落帶不會(huì)貫穿第四系下組，并且第四系下組的富水性中等，從抽水試驗(yàn)中得知，第四系底部砂層中的粉、細(xì)砂易隨水流動(dòng)，所以開(kāi)采3煤露頭附近時(shí)重點(diǎn)應(yīng)注意防止冒落帶流砂潰入井下，即要按冒落帶高度留設(shè)防砂煤柱。根據(jù)本采區(qū)補(bǔ)5號(hào)孔3煤頂板巖石力學(xué)測(cè)試結(jié)果，3煤頂板屬中硬～軟弱頂板，據(jù)此計(jì)算冒落帶高度。

①根據(jù)國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局1991年頒發(fā)的《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》（GB12719-91）中所列附錄FG（參考件），冒落帶高度計(jì)算公式：

公式1：Hm=（3～4）M，其中M為累計(jì)采厚

730采區(qū)3煤層平均厚6.11m，全層開(kāi)采，則Hm最大將達(dá)24.44m。

②根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》，冒落帶計(jì)算公式為：

公式2：Hm=100∑m/（4.7∑m+19）±2.2

即：Hm=12.80±2.2

根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》規(guī)定，煤層露頭防隔水煤（巖）柱的留設(shè)，按下列公式計(jì)算：

公式3：Hf=Hk+Hb

式中：Hf——防隔水煤（巖）柱高度，m；

Hk——采后垮落帶高度，m；

Hb——保護(hù)層厚度，m；Hb=3∑m/n

分別將“公式1”“公式2”中的計(jì)算數(shù)值代入“公式3”：

按“公式1”中計(jì)算值：Hs≥24.44+3×6.11≥42.77m

按“公式2”中計(jì)算值：Hf=15.0+3×6.11=33.33m。

③安全煤巖柱留設(shè)建議

本區(qū)域第四系底部為砂層，砂層易隨水流動(dòng)，建議按照防砂煤柱留設(shè)，即3煤層到第四系底界間距小于33.33m區(qū)域不開(kāi)采，間距大于33.33m的區(qū)域可開(kāi)采。在開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)考慮基巖風(fēng)氧化帶對(duì)煤質(zhì)和支護(hù)的影響，防砂煤柱應(yīng)大于或等于風(fēng)氧化帶高度。在靠近風(fēng)化帶邊界附近，在條件許可的情況下，應(yīng)在井下布設(shè)鉆孔進(jìn)行探查。

根據(jù)計(jì)算，3煤層防砂煤柱應(yīng)大于33.33m，據(jù)此建議730采區(qū)3煤層防砂煤巖柱按第四系底界面下垂深35m留設(shè)。

礦井內(nèi)采區(qū)地層及水文地質(zhì)條件不完全相同，防砂煤柱或防水煤柱的留設(shè)應(yīng)按照相關(guān)規(guī)范規(guī)定，在做足工作的前提下進(jìn)行合理選擇。

根據(jù)計(jì)算，3煤層防砂煤柱應(yīng)大于33.33m，據(jù)此建議3煤層防砂煤巖柱按第四系底界面的下垂身35m。本留設(shè)方法，較礦井初步設(shè)計(jì)留設(shè)的防水煤柱提高了近40余米，解放了約320萬(wàn)噸的煤柱儲(chǔ)量，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

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作者簡(jiǎn)介：李慶蓮（1966-），女，重慶永川人，1989年畢業(yè)于江蘇省常州煤田職工地質(zhì)學(xué)校，助理工程師，研究方向：水文地質(zhì)。