松散覆岩下提高煤层开采上限技术研究

宋忠应

(中煤集团大屯公司安全监察部，江苏 沛县 221611)

1 井田水文地质概况

龙东煤矿是以厚黏土为主的第四系地层不整合于基岩之上，隔绝了地表水体与基岩之间的水力联系，且第四系底部还发育有底隔(虽然不是全区发育)，使第四系底含水和基岩水进行交换非常缓慢，从而使该区成为一个补给不良、排泄不畅的封闭或半封闭水文地质单元。

该矿井存在的主要含水层有：第四系侏罗白垩系砾石、上下石盒子组砂岩、山西组煤层顶底砂岩、石炭系太原组灰岩、奥陶系灰岩，其中对矿井开采影响较大的有：第四系底部砂砾层、山西组7煤层顶、底板砂岩、太原组灰岩和奥陶系灰岩。

第四系自上而下分为六个含水层、五个隔水层，含水层以砂为主，二含和四含水量丰富，分布稳定，五含和底含富水性较弱，在露头附近开采时对回采有一定的影响。

侏罗白垩地层主要分布在井田西北部和东部断层附近，其底部有一层砾岩，厚度0～8.8m，溶洞裂隙发育，富水性较强，但距可采煤层较远，对煤层开采影响不大。

山西组地层中，山西组砂岩裂隙对7煤层开采较为直接，其砂岩裂隙率一般为4～6% ，涌水量一般，属于封闭或半封闭的水文地质环境，为承压裂隙、孔隙含水层。

太原组共发育有14层灰岩，灰岩裂隙发育不均一，其富水性呈明显的非均性，其中四灰、十二灰厚度较大，分布稳定，岩溶裂隙发育，含水量较丰富，对矿井开采影响较大，其中十二灰是该区主采21煤层的直接顶板。

2 两带高度观测试验研究

为了研究中央采区提高开采上限的技术可行性、经济合理性、安全可靠性，并为后续采区大面积开采提供数据和开采依据，分别在7111和7126工作面开展了两带高度观测工作，并用两种方法观测，获得了风化覆岩与未风化覆岩的两带发育高度，揭示了不同性质煤层覆岩破坏与冒落、裂隙的发展规律[1-3]。

2.1 钻孔冲洗液法观测两带高度

在7111工作面采用钻孔冲洗液法观测两带高度，共布置5个观测钻孔，观测方法为采后地面钻孔观测法，即利用钻进过程中钻孔冲洗液消耗量、钻孔水位下降速度、岩心特征及钻进异常等指标综合判断冒落带和导水裂隙带高度[2-4]。

此次观测得出，冒高为9.5～10.9m，为采厚的3.67～4.29倍，裂高为34.5～40.48m，为采厚的13.51～15.93倍。

2.2 井下仰斜钻孔双端堵水器导高观测

在7126轻型放顶煤工作面采用先进的井下仰斜钻孔双端堵水器导高观测新技术，即在工作面周边，向采空区上方的覆岩导水裂隙带内打仰斜钻孔，采用双端堵水器观测导高，与传统的地面打钻孔，采用钻孔冲洗液消耗量观测法相比，该方法工程量小，成本低，精度高，简单易行[3]，如图1所示。整个观测仪器由三部分组成：双端堵水器、连接管路、控制台，如图2所示。

图1 井下仰斜钻孔导水裂隙带高度观测示意图

双端堵水器由两个起胀胶囊和注水探管组成。连接管路有两条：起胀管路和注水管路。控制台也是对应两个：起胀控制台和注水控制台。起胀控制台、起胀管路和双端堵水器的两个胶囊相连通，构成控制胶囊膨胀和收缩的控制系统。注水控制台，注水管路和双端堵水器的注水探管相连通，构成一个控制和观测岩层导水性的注水观测系统[4]。

图2 井下斜钻孔双端堵水器导高观测原理系统图

在停采线一侧以不同的仰角施工了3个仰斜钻孔，根据观测孔的观测，并综合分析观测成果，得出冒高值为16.7m，为采厚的3.8倍；导高值为35m，为采厚的8倍。导高上界接近基岩风化带。

3 露头煤柱设计与开采上限的确定

3.1 提高开采上限的分析

以首采主煤层7层煤回采面分析为基础，其赋存浅，松散层厚，底隔较稳定。尤其是中部隆起的宽缓褶皱地段，7层煤顶部基岩残厚较薄，风化程度高，对开采上限提高的研究分析与确定，解放上限煤柱压占煤量，是极为理想的场所。因此，自1988年起，龙东煤矿就开始对合理留设首采7层煤防水煤岩柱尺寸、提高开采上限的可能性，先后在中部隆起区的北辅块段、西辅块段及东部的东一采区浅部进行了专门的论证工作，并取得了预期成果。

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(1)北辅块段防水煤岩(土)柱的分析与留设

从北辅块段各类取心钻孔分析可知，第四系松散层底部五含岩性多为中砂、细砂及黏土质砂。且泥质含量较多，为弱或极弱含水层。根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤岩柱留设与压煤开采规程》中有关要求，在弱或极弱的含水层下开采时，可留设防水安全煤岩(土)柱，甚至有可能留设防砂安全煤岩(土)柱。

(2)西辅块段防砂煤岩柱的分析与留设

西辅块段位于中央采区的西侧，该区7层煤角度平缓，埋藏最浅，大部分煤量处于原设计开采上限而成为防水煤柱压煤量，占该块段工业储量的60.7%。解放该区防水煤岩压占量，经济效益极为显著。根据西辅块段的实际情况及具体地质特征，分析认为：该区松散层厚度为192.92～214.55m，下部五含岩性主要为中、细砂，少部分为粗砂，厚2.6～9.77m，该含水层的富(含)水性属较弱；底部黏土层主要为黏土及砂层黏土，厚5～15m，西辅块段大部分底部均有分布。从对该层位土样测试结果看，其塑性极好，其隔水性和抗裂性好，有利于阻止上覆砂层水下渗及采后裂隙的向上发展，可作为防水的组成部分。在这种水文地质条件下，根据《“三下”开采规程》中有关要求，可允许一部分裂隙带进入松散层的弱含水层，可以实施留设防砂煤岩柱开采。

(3)东一采区上部防水煤岩柱的分析与留设

在北辅块段、西辅块段合理确定防水煤岩(土)柱尺寸及提高开采上限研究与实践取得成功的基础上，龙东矿再次展开对东一采区上部的提高上限的研究。但该区具有独特的地质、水文地质特征：呈透镜状无规律分布发育不均一的第四系底含直接覆盖于基岩之上。从井下2个专门探放水钻孔资料表明，第四系底含为黏土、粗中砂及粉砂互层，稍含砂砾，单孔最大出水量0.2m3/h，径流条件差，为富含水性弱的含水层，且7层煤顶板砂岩含水性弱。因此，对该区不作土柱分析，只适合于防砂岩分析与留设。

3.2 不同块段开采上限的确定

(1)两带高度的计算

根据对各块段7煤层上覆岩层的分析，对顶板岩石均按软弱岩层考虑[5-6]，依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，对各块段两带进行预计：

式中：Hm、HL、M分别为冒落带高度、裂隙带高度和工作面采高。

因此可知当采高为2～2.5m时，两带高度下限为16.4～18.1m，上限为19.4～21.1m；当采高为5m时，两带高度为20.4～28.4m为宜。因此可以看出，在研究范围内大部分地段岩柱高度能达到理论计算值，仅局部小范围内有所不同。

(2)开采上限的确定

根据上述理论计算及分析，上限提高范围内的块段西辅、北辅块段的开采上限应为-180m，东一采区上部开采上限为-185m，可以满足防水煤岩(土)柱的安全高度。

4 松散覆岩下开采防水、防砂技术研究及实践

4.1 研究技术路线

为了确保提高开采上限的安全生产，现场实践过程中采用的技术路线为：底部含水层的探放→顶板管理技术研究→强风化围岩巷道支护研究→强化监测及防范→掘进工作进入提高上限区的原则措施→试采的原则的确定。

4.2 提高开采上限技术实践

为了保证安全生产，取得龙东矿首个提高上限工作面的成功经验及资料，确定首先试采北辅块段7121工作面，该面最小岩柱厚度仅为13.1m，土柱厚3.1m，工作面开采上限设计为-180m，较原设计上限提高20m。

东一采区及西辅块段的上限提高是在北辅块段开采成功的基础上开展的。东一采区原设计上限为-210m，虽然煤岩(土)柱厚度较大，但该处地质、水文地质条件相对复杂，因此设计开采上限为-185m。而西辅块段的地质、水文地质条件同北辅块段更较为一致，因此确定将上限提高20m为-180m，进行了由小王庄向斜两翼先布设了工作面，再向轴部扩采的开采方式，从而形成了以点代面、以面顾全区的试探式开采理念。有目的地将其地质、水文地质条件由简单到复杂逐渐过渡，逐步把自然环境人为优化达到安全开采的目的，确保资源全面回收。

龙东煤矿经过十余年提高开采上限的分析研究与实践工作，先后在北辅块段、西辅块段及东一上部块段，在分析与研究的基础上取得了缩减松散层防水煤柱均将开采上限提高20m的可行性研究成果，共解放松散层防水煤柱压占量达530多万吨。并在北辅块段7121分层综采工作面试采获得成功，近年来在西辅块段的7141上、7132上以及东一上部的7317轻放、7321上各工作面，均实现了安全回采。

5 结 论

通过龙东矿中央采区北辅、西辅块段和东一采区的水文地质条件研究、水文补充勘探、试验资料的分析和煤岩(土)柱质量评价，以及北辅工作面提高开采上限的成功，可得以下结论：

(1)中央采区的北辅、西辅块段煤系地层的上

覆第四系水体采动等级为Ⅱ级，允许一部分裂隙带波及松散层的弱含水层，可留设防砂煤岩柱开采。煤层上部岩柱为下硬上软型，第四系底部有一层黏土隔水层，均有隔水性和抗裂性，有利于提高开采上限。基岩风化带为极弱-弱透水软岩，能与第四系底部隔水层结合在一起，阻止以上水向下部直接补给与抑制裂隙带发育高度的双重作用。

(2)东翼采区两带高度实测结果是：冒高带为采高的3.67～4.29倍，导水裂隙带为采高的13.51～15.93倍，该实测结果为中硬覆岩两带高度。7126工作面两带高度实测结果为：冒高带为采高的3.8倍，导水裂隙带为采高的8倍，覆岩为中硬偏软型。

(3)确定了龙东煤矿中央采区及东一采区留设煤柱类型为防砂煤岩柱，开采上限确定为-180m。在项目实施过程中，已安全回采煤炭380.6万t，创产值11亿元，获得直接经济效益为4.2亿元。

[1] 杨春华．7144工作面近松散层开采上限研究与实践[J]. 煤矿开采，2008，13(2)：57-59.

[2] 冯星宇，孙方方．承压水下临界开采提高回采上限技术实践[J]. 中州煤炭，2010(5)：52-53.

[3] 孙希奎，马光军．第四系底界粘土岩性对提高开采上限的影响分析[J]. 煤矿安全， 2004,35(6)：31-33.

[4] 于永幸，肖华强．巨厚松散含水层压煤开采上限研究[J]. 煤矿开采，2008,13(2)：52-55.

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