劉 明

(1.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司，北京 100013；2.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

某礦屬水文地質(zhì)條件復雜型礦井，主要充水水源為煤系砂巖裂隙水、巖溶裂隙水和沖積層孔隙水。在開采露頭區(qū)附近煤層時，沖積層底部含水層是影響工作面開采的主要充水水源，由于沖積層底部含水層富水性強，開采露頭區(qū)附近煤層時，必須留設防水安全煤巖柱。根據(jù)礦井開采規(guī)劃，該礦擬對風井煤柱區(qū)的12煤進行開采，風井煤柱區(qū)東部為煤層露頭區(qū)，依據(jù)現(xiàn)有勘探資料和以往開采揭露情況，風井煤柱區(qū)第四系沖積層底部卵礫石含水層為強富水性含水層，開采過程中若防水煤巖柱留設不合理，底部礫石層水將直接進入工作面，威脅礦井安全生產(chǎn)。針對沖擊層含水層下開采導水裂縫帶發(fā)育規(guī)律及防水煤柱留設，科研人員進行了大量的研究，參照相關研究成果[1-4]，本文在分析沖積層底部含水層、覆巖結構、導水裂縫帶實測基礎上，對12煤分層開采條件下防水煤巖柱留設尺寸進行了分析。

1 沖積層底部含水層及煤層覆巖結構

1.1 沖積層底部含水層

該井田范圍內(nèi)直接充水含水層主要包括5煤層頂板砂巖裂隙承壓含水層、5～12煤層砂巖裂隙承壓含水層組和12～14煤層砂巖裂隙承壓含水層。間接充水含水層主要為奧陶系灰?guī)r強含水層組、中石炭統(tǒng)14煤～唐山灰?guī)r含水層組和第四系沖積層強含水層組。各含水層之間都有較好的隔水層存在，水力聯(lián)系微弱。上覆巖層中第四系沖積層厚度170～280 m，賦存4個含水層，1個潛水含水層和下部3個承壓含水層組成，即淺部潛水含水層，為中等富水性含水層；上部砂巖含水層，為中等富水性含水層；中部卵石層含水層，為強富水性含水層；底部卵礫石含水層，為強富水性含水層。其中，第四系底部卵礫石含水層為本次需要留設防水煤巖柱的含水層，其上部多中細砂層、底部多含砂礫石層，分布廣，呈多層透鏡狀，據(jù)抽水試驗結果，單位涌水量2.887 L·s-1·m-1，滲透系數(shù)35.46 m/d，水質(zhì)類型為HCO3-CaMgNa型，屬淡軟水。第四系底部卵礫石含水層平面上分布不連續(xù)，導致其平面上富水性差異明顯。根據(jù)周邊鉆孔，設計區(qū)域第四系底部卵礫石層厚度變化較大，厚度12.71～48.44 m，底部黏土層賦存區(qū)較少，大部分區(qū)域底部無黏土隔水層。根據(jù)礦井綜合水文地質(zhì)資料，第四系底礫含水層大部分區(qū)域內(nèi)與基巖風化帶直接接觸，基巖風化帶厚5.57～9.75 m，以中細砂巖為主，顏色為棕紅色和淺黃色，風化性較強，不含水。12煤距底部卵礫含水層55～160 m，平均距離105 m，基巖面與12煤層底板等高線如圖1所示。

圖1 基巖面與12煤層底板等高線對比圖

1.2 覆巖結構

根據(jù)鉆孔統(tǒng)計，設計區(qū)域12煤層頂板至5煤層頂板以上40 m范圍內(nèi)，砂巖類巖層厚度34.53～136.34 m之間，平均厚度為85.45 m，占比約76.72%，泥巖類巖層厚度介于3.09～81.01 m，平均厚度29.11 m，占比23.28%，因此,12煤覆巖巖性以砂巖類巖層為主，泥巖類巖層含量相對較低。參照該礦煤層頂?shù)装逦锢砹W性質(zhì)測試成果，砂巖巖層類單軸抗壓強度平均55.72 MPa，泥巖類巖層單軸抗壓強度平均26.25 MPa。根據(jù)不同巖性巖層厚度占比，求得設計區(qū)域12煤頂板至5煤層頂板40 m范圍內(nèi)覆巖的綜合強度為46.88 MPa[5-6]?？紤]部分鉆孔位置第四系底部有一定厚度黏土隔水層和基巖風化帶存在，其巖體強度已接近軟巖條件，受底黏和基巖風化帶影響，基巖柱整體強度顯著降低，綜合確定基巖段整體強度應在40 MPa以內(nèi)，設計區(qū)域12煤覆巖屬于中硬型覆巖類型。

2 覆巖破壞高度實測

為了研究覆巖垮落帶和裂隙帶發(fā)育情況，礦方對3553S工作面頂板“兩帶”進行了觀測，其頂板覆巖巖性與12煤層相似，以砂巖類巖層為主。3553S工作面位于相鄰的南五采區(qū)煤層露頭附近，于2012年采用綜合機械化開采，采厚2.2 m，垮落法管理頂板，煤層傾角3°～8°，上覆巖層以粉砂巖、細砂巖為主。為了觀測頂板“兩帶”，在3573S工作面設計了D01和D02兩個鉆孔分別進行探測。D01觀測鉆孔由側幫斜向上39°穿入3553S工作面采空區(qū)上方，預計孔深86 m；D02鉆孔由側幫斜向上46°穿入3553S工作面采空區(qū)上方，預計孔深131 m。

根據(jù)D01鉆孔鉆探和壓水試驗結果，如圖2所示，確定工作面試驗孔處覆巖導水裂縫帶大約在孔深85～105 m之間，最大垂高為65.3 m，由于鉆孔位置距離煤層28 m，即導水裂縫帶發(fā)育最大高度為37.3 m。根據(jù)D02鉆孔鉆探和壓水試驗結果，如圖3所示，確定工作面試驗孔處覆巖導水裂縫帶大約在孔深86～90 m之間，垂高為64.8 m，由于鉆孔位置距離煤層28.85 m，即導水裂隙帶發(fā)育最大高度為35.95 m。根據(jù)D01、D02鉆探和壓水試驗結果，綜合確定試驗孔處覆巖導水裂縫帶頂點大約位于孔深100 m左右，導水裂隙帶最大高度為35.95～37.3 m，工作面采厚為2.2 m，則開采的覆巖破壞高度與開采厚度的比值即裂采比為16.34～16.95，取裂采比為17。

圖2 D01孔流量觀測圖

圖3 D02孔流量觀測圖

3 防水煤柱留設分析

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)范》(以下簡稱《“三下”開采規(guī)范》)，不同采動等級的水體其允許采動程度及留設安全煤巖柱類型不同[7]。根據(jù)本區(qū)水文條件，水體采動等級為I級，不允許導水裂縫帶波及到水體，需留設頂板防水安全煤巖柱。防水安全煤巖柱(Hsh)的最小尺寸應當大于導水裂縫帶的最大高度(Hli)加上一定厚度的保護層(Hb)：Hsh≥Hli+Hb。

3.1 覆巖破壞高度預計

覆巖破壞高度即導水裂縫帶高度發(fā)育情況與采煤方法如普采、綜采、綜放采煤方法，以及頂板管理方法如垮落法、充填法等有關。采煤方法不同，其導水裂縫帶發(fā)育高度及預計方法不同。該礦采煤方法為綜采，當煤層厚度較大時采用分層綜采。

3.1.1 參照經(jīng)驗公式

厚煤層分層開采條件下，導水裂縫帶高度預計參照《“三下”開采規(guī)范》附表4-2中公式計算。該區(qū)覆巖中硬，取導水裂縫帶高度計算公式：

(1)

或

(2)

根據(jù)該礦開采條件，礦方規(guī)劃對風井煤柱區(qū)進行分層綜采，首分層設計采厚4.0 m、二分層設計采厚2.5 m，累計采厚6.5 m。參照覆巖中硬條件下導水裂縫帶預計公式，風井煤柱區(qū)分層開采導水裂縫帶高度計算結果如表1所示。

表1 經(jīng)驗公式預計分層開采導水裂縫帶高度/m

由表1可知，“式(1)”較“式(2)”防水煤巖柱小，故為確保安全，取 “式(2)”計算該礦12煤層各分層開采后的導水裂縫帶高度，即首分層開采4.0 m后，導水裂縫帶高度為50.0 m；二分層開采2.5 m后，累計開采厚度6.5 m，導水裂縫帶高度為60.99 m。

3.1.2 參照其他礦區(qū)現(xiàn)場實測

該礦實測裂采比為17，由于該區(qū)未進行過二分層導水裂縫帶觀測，故無實測數(shù)據(jù)。參照山東興隆莊煤礦和山西五陽煤礦分層綜采導水裂縫帶觀測成果[8]：二分層開采的裂采比較首分層低，興隆莊煤礦二分層裂采比約為首分層裂采比的73%，五陽煤礦二分層裂采比約為首分層裂采比的65%。綜合分析，分層開采二分層裂采比約為首分層裂采比的70%。借鑒該實測結果，計算該礦二分層裂采比為12。根據(jù)裂采比預計的導水裂縫帶高度如表2所示。

表2 參照分層開采實測裂采比預計導水裂縫帶高度/m

綜上分析，根據(jù)規(guī)范經(jīng)驗公式預計的導水裂縫帶高度小于采用裂采比預計的導水裂縫帶高度，故為安全起見，導水裂縫帶高度預計采用實測裂采比預計。根據(jù)裂采比計算首分層開采4.0 m后，導水裂縫帶高度為68.0 m；二分層開采2.5 m后，累計開采厚度6.5 m，導水裂縫帶高度為78.0 m。

3.2 防水安全煤巖柱留設

防水安全煤巖柱的最小尺寸應當大于導水裂縫帶的最大高度加上一定厚度的保護層。參照《“三下”開采規(guī)范》附表4-3防水安全煤(巖)柱保護層厚度，由于本區(qū)底部黏土層賦存區(qū)較少，大部分區(qū)域底部無黏土隔水層，故防水安全煤(巖)柱保護層厚度可根據(jù)有無黏性土層、黏性土層厚度及松散層厚度進行選取，則保護層厚度取6A，保護層厚度及防水煤巖柱高度如表3所示。

表3 防水安全煤巖柱高度/m

通過計算可知，首分層開采4.0 m后，防水安全煤巖柱高度為92.0 m；二分層開采2.5 m后，累計開采厚度6.5 m，防水安全煤巖柱高度為97.5 m。

4 安全開采技術措施

(1)采掘過程中應采用鉆探為主的方法探明基巖面起伏變化，進一步探查基巖風化帶的富水性和風化程度，同時，開采波及區(qū)外應至少有一個第四系沖積層含水層觀測孔，觀測回采過程中沖積層底部含水層水位、水量變化情況。

(2)該礦尚沒有沖積層下大采高及分層開采的導水裂縫帶發(fā)育高度經(jīng)驗數(shù)據(jù)，建議開采過程中加強大采高及分層條件下導水裂縫帶發(fā)育高度觀測及研究，以確保沖積層含水層下安全開采，并為下一步開采提供經(jīng)驗。

(3)建立健全暢通的礦井、采區(qū)及工作面疏排水系統(tǒng)；工作面要配備良好的信號裝置和通信電話，并能與地面調(diào)度室直接聯(lián)系；編制切實可行的避災方案和防水避災路線、繪制避災路線圖，編制工作面突水防治應急預案；要加強置于生產(chǎn)巷道中臨時物品的存放管理，保持行人、排水、通風、運輸?shù)耐〞砙9-10]。

(4)井田范圍內(nèi)斷層和陷落柱構造發(fā)育，回采前對開采區(qū)域及周邊異常構造發(fā)育情況、斷層含導水情況等進行核實，進一步修正構造條件下的防水煤柱高度。

(5)采掘過程中嚴格執(zhí)行《煤礦安全規(guī)程》、《煤礦防治水細則》、《“三下”開采規(guī)范》有關水體下采煤的技術措施、安全措施和規(guī)定。

5 結 論

該區(qū)第四系底部卵礫石含水層為強富水性含水層，具有厚度變化較大、平面上分布不連續(xù)、底部無穩(wěn)定黏土隔水層等特征。12煤覆巖以砂巖類巖層為主，泥巖含量相對較低，覆巖屬于中硬型覆巖類型。結合該區(qū)地質(zhì)采礦條件，參照厚煤層分層開采導水裂縫帶高度預計經(jīng)驗公式及厚煤層分層開采實踐，綜合確定了該區(qū)12煤分層開采條件下第四系底部卵礫石含水層防水安全煤巖柱高度，首分層開采4.0 m，防水安全煤巖柱高度為92.0 m；二分層開采2.5 m、累計開采厚度6.5 m，防水安全煤巖柱高度為97.5 m，并提出了相應安全技術措施。