劉偉韜 霍志超 潘曉鳳 黃瑞峰

(山東科技大學資源與環(huán)境工程學院，山東青島266590)

山東里能魯西礦業(yè)有限公司位于濟寧市任城區(qū)二十里鋪鎮(zhèn)，核定礦井生產能力87萬t/a，服務年限為47 a，主要開采3上、3下煤層。魯西礦與有關科研單位密切合作，進行了兩次水文地質補充勘探，經分析，原報告誤將2煤層判為3上煤層，3上與3下在采區(qū)北翼上部合并為3煤層，之后重新確定了2煤層和3煤層的賦存情況，修正了采區(qū)內3煤層露頭線，因此需要留設合理的第四系防水煤柱，重新確定3煤層防水煤柱。本研究旨在通過地質水文綜合分析，留設合理的防水安全煤巖柱，確定合理的開采上限，解放井下大量滯壓煤炭，最大限度地提高資源回收率。

1 采區(qū)水文地質補勘分析

1.1 一、二采區(qū)水文地質補充勘查

補充勘探報告表明，在一采區(qū)淺部煤層露頭附近3上、3下為3煤的合并層。揭露煤層2層，分別為2煤和3煤，其中2煤較薄，本勘探區(qū)局部零星可采，3煤層為本區(qū)主采煤層。根據補充勘探報告確定的2煤層和3煤層的賦存情況，需要重新計算3煤層防水煤柱的留設高度和留設寬度。

1.2 一采區(qū)3煤露頭水文地質補充勘查

在以往煤田地質、水文地質工作的基礎上，依據本次勘探成果，結合鄰區(qū)資料分析研究魯西煤礦一采區(qū)3煤層露頭的水文地質條件，進而對采區(qū)底隔厚度及分布規(guī)律、第四系三含底部砂層的水文地質條件進行研究，根據施工鉆孔實際揭露情況，修正了采區(qū)3煤層露頭線以及風氧化帶邊界(圖1)，查明了第四系底隔巖性厚度及分布規(guī)律，采區(qū)上覆巖層柱狀圖見圖2。

圖1 采區(qū)平面圖及露頭簡圖Fig.1 Plane graphs ofm ining area and sketch of outcrop area

采區(qū)內主要含水層為第四系砂層含水層和山西組砂巖含水層，三含為第四系主要含水層。采區(qū)三含厚度59.5～71.92 m，平均66.07 m，含砂5～8層，主要由褐灰、棕黃、灰白色細砂、中砂、粗砂、黏土質砂夾多層厚薄不一的黏土、砂質黏土、局部鈣質黏土組成。上部黏土類較多，下部以砂層為主。采區(qū)三含底部砂層厚度為8.2～21.87 m，平均11.85m，水位標高+27.332～+28.004 m。山西組的砂巖含水層為開采3煤層的直接充水含水層，屬富水性弱含水層，對煤層開采影響不大。

礦井對三含底部砂層進行單孔抽水試驗3次，揭露三含底部砂層的平均厚度12.75 m，單位涌水量0.055 8～0.394 8 L/(s·m)，富水性弱—中等。底部砂層為淺灰色黏土質粗砂、細砂，多含長石顆粒;長石顆粒呈風化狀，使得高嶺土含量高，充填于砂層孔隙之中，含水性較差，巖芯呈塊狀，風干后較硬。

圖2 采區(qū)上覆巖層柱狀圖Fig.2 M ining overlying strata histogram

2 確定開采上限的依據及有利因素

2.1 第四系下部隔水層情況

兩次水文地質補充勘探資料表明，第四系底隔厚度為4.5～15.45 m，平均10.64 m，第四系底隔厚度有往北西方向減小的趨勢。依據鉆孔資料，提高上限開采區(qū)域底隔厚度為5.4～11.4 m，平均9.3 m，顏色以灰白色、土黃色、灰綠色為主，巖性以黏土為主，黏土見水后黏性好，可塑性強，隔水性能好。

因開采區(qū)域第四系底隔隔水性能好，采煤的冒落帶邊界錯動距離小于底隔厚度，隔水層沒有完全被錯斷，三含砂不會潰入，三含水不會大量進入礦井，具備提高開采上限的地層條件。

2.2 基巖厚度

提高開采上限區(qū)域3煤層頂板基巖主要由淺灰、灰白細砂巖、灰色泥巖及煤層組成，深灰色泥巖和粉砂巖較少。3煤層頂板基巖厚度不均勻，大體上是由東向西逐漸變薄，采區(qū)3煤層露頭線以及風氧化帶邊界附近比較薄。

2.3 基巖巖石力學參數

對3下107工作面上方典型巖層進行巖石力學試驗，得出了各巖層巖石的單軸抗壓強度、彈性模量、泊松比等力學參數以及相應的全應力應變曲線，可靠地分析出上下兩層煤開采綜合影響下的導水裂縫帶發(fā)育高度，為分析3上和3下兩層煤開采綜合影響下的導水裂縫帶發(fā)育高度提供了可靠的力學參數及科學分析依據［1］。從3下107工作面上覆56.49m范圍的巖層柱狀圖、打鉆取芯情況、以及上覆巖體破裂微地震監(jiān)測結果看，覆巖下硬上軟，但整體強度較低，剛度較小，完整性較差，屬于中等偏軟巖層［1］。

3111II工作面距離3下107工作面較近，具有相同的地層結構和覆巖條件，可以推斷3111II工作面上覆巖層亦屬于中等偏軟巖層，工作面開采后形成的導水裂縫帶發(fā)育高度也會較低，對礦井提高開采上限是有利的。

2.4 基巖風氧化帶的影響

魯西煤礦一采區(qū)邊界煤層露頭處，基巖風氧化帶厚度17.2～37.6 m，平均25 m，本區(qū)域風化帶深度為基巖界面以下垂深15 m，氧化帶深度為基巖界面以下垂深25 m。

楊本水等［2］對風氧化帶內煤層安全開采進行了試驗研究，研究表明風化巖石強度普遍較未風化巖石顯著降低，絕大多數風化巖石抗壓強度僅為同類未風化巖石的10%～50%，而且風化程度越高，強度降低幅度越大。同時，泥質巖和泥質膠結的砂巖中的黏土礦物風化后全部黏土化，其塑性大大增強，此類風化巖層因強度降低、塑性增強，抗采動影響的變形破壞能力顯著增大，可有效地抑制冒落裂縫向上發(fā)展，并使采動裂縫的發(fā)育程度和導水性明顯減弱。

王惠兵等［3］對楊莊煤礦九采區(qū)近風氧化帶開采覆巖破壞進行了預計與實測，在研究結果的指導下九采區(qū)后期開采的工作面全部按照留設防塌煤巖柱開采，預計的煤炭資源全部安全采出。根據臨近興隆莊煤礦、鮑店煤礦等同期研究和實踐資料，煤層近風氧化帶開采確實造成了采動破壞兩帶高度值的下降。該礦開采上限得到大幅度提高的關鍵在于臨近風氧化帶覆巖結構軟弱，加之上覆第四系底部黏土層，導水裂縫帶發(fā)育受到抑制。

綜上分析，盡管提高開采上限區(qū)域基巖柱厚度相對較小，但巖石力學參數測試結果表明基巖巖性中硬偏軟，而且風氧化帶厚度占基巖柱總厚度的比例較大，其覆巖綜合強度將大大降低，開采形成的導水裂縫帶發(fā)育也會受到抑制，對礦井提高開采上限較為有利。

2.5 現場實測及經驗公式預計裂縫帶發(fā)育高度

魯西煤礦2007年觀測的3上109工作面，導水裂縫帶實測發(fā)育高度為34.73 m。與之相鄰的3上107工作面與3上109工作面開采地質條件類似，開采工藝完全相同，因此類比3上107工作面開采后采動覆巖導水裂縫帶發(fā)育高度亦為34.73 m。但是3上107工作面開采2.5 a以后的實測導水裂縫帶發(fā)育高度為30.4 m，相對于該工作面類比高度值降低了4.33 m。實測結果表明，針對該區(qū)域工作面的覆巖條件，隨著工作面停采時間的增大，采動裂隙尤其是上部的微小裂隙會部分閉合，導水裂縫帶發(fā)育高度經過較長時間的下沉壓實后有所降低［4］。兩次實測結果見表1。

表1 導水裂縫帶發(fā)育高度實測結果Table1 Height of water flow ing fractured zonemeasured results

按照中硬和軟弱覆巖巖性，根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》［5］(后述簡稱“三下”規(guī)程)中導水裂縫帶發(fā)育高度的經驗公式，預計上述實測工作面的導水裂縫帶發(fā)育高度見表2。

康永華等［6-7］認為增大初次開采厚度會導致導水裂縫帶發(fā)育高度的明顯增加，而增大重復開采厚度則導水裂縫帶高度上升較慢，通過減小厚煤層初次開采厚度、增大重復開采厚度，完全可以控制導水裂縫帶發(fā)育高度。研究得出的綜采工作面一至三分層開采條件下導水裂縫帶最大高度與采厚近似呈分式函數關系。在一定的采礦地質條件下，基巖柱厚度不同對導水裂縫帶發(fā)育高度的影響也不同。實測表明，當巖柱厚度較大時，導水裂縫帶發(fā)育高度也較大;當巖柱厚度較小時，導水裂縫帶發(fā)育高度也較小。興隆莊煤礦在巖柱厚度大于80 m條件下，導水裂縫帶高度與累計采厚的關系可表示為式(1)，而在巖柱厚度小于80 m條件下，導水裂縫帶高度與累計采厚的關系可表示為式(2):

式中，HLi為導水裂隙帶高度，m;∑M為累計采厚，m。

巖柱厚度不同時導水裂縫帶高度與累計采厚的關系曲線見圖3。

圖3 巖柱厚度不同時導水裂縫帶高度與累計采厚的關系曲線Fig.3 The relation curve of water flow ing fractured zone height and cumulativem ining thick when the thickness of the rock pillars was change

參考以上研究成果，按興隆莊礦分層開采經驗值，結合魯西煤礦的地層條件，實測各工作面按照上述式(2)計算的導水裂縫帶高度見表3。

表3 導水裂縫帶發(fā)育高度計算結果(興隆莊經驗公式)Table3 Height of water flow ing fractured zone calculation results(Xinglongzhuang em pirical form ula)

3 3111II工作面開采上限的確定

3.1 3111II工作面裂縫帶發(fā)育高度確定

3111II工作面導水裂縫帶發(fā)育高度預計見表4，從表4中3111II工作面不同采厚情況下裂縫帶發(fā)育高度的預計結果可以看出，運用3下107工作面實測數據類比得出的結果最小，運用興隆莊煤礦薄基巖分層開采條件下的經驗公式預計結果隨累計采厚的增加而變化的幅度很小，運用“三下”規(guī)程中經驗公式(選取覆巖巖性為“中硬”，取中誤差為0)的預計結果與興隆莊礦經驗公式的預計結果非常接近，可以認為是真實反映了3111工作面下分層開采后導水裂縫帶發(fā)育的實際情況。

表4 3111II工作面導水裂縫帶發(fā)育高度預計Table4 The expected height of 3111II working face water flow ing fractured zone

3.2 開采上限的確定

根據補充勘探鉆孔資料揭露的基巖巖性及煤層厚度，按照“三下”規(guī)程中經驗公式的計算結果，計算出3煤分叉區(qū)只開采下分層，按照最小采厚2.2 m的防水安全煤(巖)柱高度為38 m，3煤合并區(qū)按照2個分層開采，上分層開采厚度2.4 m，下分層按照最小采厚2.2 m留設的防水安全煤(巖)柱高度為49 m。

4 防治水措施

(1)在采區(qū)接近開采上限開采時，應采取適當的工程措施進行勘察，準確的確定采區(qū)第四系底部含水層的富水性。

(2)對于3下煤厚度變化較大的區(qū)域，以及合并區(qū)與分叉區(qū)的過渡區(qū)，導水裂隙帶的發(fā)育高度有所變化，要進一步驗算所留煤柱，先試后采，逐步擴大范圍，遵循先易后難，邊采邊疏的原則，最大限度地回收資源［8］。

(3)生產過程中進一步查明工作面內含水層及上部采空區(qū)有水力聯系的導水斷層、裂隙帶，做好預留煤柱工作。在特殊地段適當縮短工作面長度，短壁快速掘進。

(4)定期清理水倉、水溝。井下巷道沿煤層布置，巷道中可能發(fā)生積水現象，在礦井生產期間應根據實際情況疏排巷道積水，確保井下巷道通暢。

5 結論

(1)根據“三下”規(guī)程中經驗公式的計算結果，計算3煤分叉區(qū)只開采下分層，留設防水安全煤(巖)柱高度為38 m，3煤合并區(qū)按照2個分層開采，留設的防水安全煤(巖)柱高度為49 m。

(2)本區(qū)域底隔厚度賦存穩(wěn)定，具有良好的隔水性，3111II工作面提高開采上限在技術上是可行的、安全上是可靠的、經濟上是合理的。

(3)防水安全煤(巖)柱的留設依據了《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》中的相關規(guī)定，同時也參考了現場實測類比出的數據和類似條件下其他礦區(qū)的經驗數據，已應用于工程實踐，結果具有較高的可信度。

［1］ 山東科技大學，山東里能魯西礦業(yè)有限公司.3下107工作面裂縫帶高度探測研究報告［R］.青島:山東科技大學，2009.

Shandong University of Science and Technology，Shandong Lineng Luxi Mining Co.，Ltd..The Detection Research of the Fracture Zone Height on 3下107 Working Face［R］.Qingdao:Shandong University of Science and Technology，2009.

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