上组煤老空积水对下组煤开采的影响分析

刘会明

(榆次煤炭技术服务中心，山西 榆次 030600)

采掘范围内不明的古井、小窑积水，以及近代矿井采空区与废巷的积水，统称为老空积水。老空积水一般位置不清，水体几何形状极不规则，空间分布无规律，积水区位置难以分析判断和准确掌握，突水来势凶猛，破坏性强。老空水多为酸性水，并具有腐蚀性，也有含诸如硫化氢等有害气体的老空水。

老空水事故约占总水害事故的80%以上，因此，矿井老空水分布状况作为水文地质类型划分的一个重要指标。

矿井工作面由上组煤转入下组煤，上部老空积水成为下组煤开采的潜在安全隐患，为了确定疏干范围，必须对下组煤层开采的导水裂缝带发育高度进行预测分析。

导水裂缝带发育高度主要与煤层开采厚度和开采面积、覆岩岩性和组合方式、煤层倾角和埋深、煤层开采方法和顶板管理方法等因素有关。

确定煤层覆岩垮落带和导水裂缝带最大高度的方法有经验公式法、现场实测法和数字模拟法等。有条件时要采用多种方法综合确定。下面重点介绍经验公式法：

1 矿井地质概况

大山沟煤业有限公司为兼并重组整合矿井，设计生产能力90万t/a，井田内地表大部为第四系中上更新统地层覆盖。赋存地层由老至新有：古生界奥陶系中统、石炭系中统本溪组、上统太原组、二叠系下统山西组、下石盒子组、二叠系上统上石盒子组、第四系中上更新统。井田地层总体为一向南倾斜的单斜构造，南部发育一轴向近南北向的小型背斜构造，地层倾角4°～8°，井田内发现有3条正断层，井田内地质构造总体上属中等类型。

井田内主要可采煤层为山西组的1#、2#煤层和太原组的 9#、10#、11#煤层，1#、2#煤层已采空。据地质报告提供资料，1#煤层估算采空区积水量约25 294 m3。2#煤层估算采空区积水量约57 757 m3。

矿井在二采区联合布置开采9#、10#、11#煤层，9#煤层布置一个长壁综采工作面，一次采全高，全部垮落法管理顶板;10#与11#煤层间距小，采用长壁综合机械采煤法分层开采，先采10#煤上分层3．00 m，后采10#煤下部与11#煤合并层2．96 m，全部垮落法管理顶板。

根据《煤矿防治水规定》要求，采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(以下简称三下采煤规程)导水裂缝带计算公式，对各可采煤层开采所形成的导水裂缝带高度进行计算分析。

在老空积水区下的煤层中进行回采时，防隔水煤(岩)柱的尺寸，不得小于导水裂缝带最大高度与保护带高度之和。

2 上覆岩层的岩性及地层结构分析

上覆岩层的岩性及地层结构不仅影响岩层的含隔水性，而且影响采动后覆岩的破坏程度。

2．1 岩性的影响

1)岩石的矿物成分：在造岩矿物中，黏土矿物遇水后会产生可塑性，具有良好的隔水性和抗裂性，如黏土岩、页岩、泥岩等。

2)岩石的颗粒组成：岩石的颗粒粒径愈小，级配适当，则其隔水性能愈好。黏土胶结的岩石，强度最低，易风化和泥化，一旦开裂后很容易恢复其原有的隔水性能;铁质、石膏质胶结的岩石强度较低，开裂后再受压，其隔水性能可以恢复;钙质胶结的岩石强度高，易受溶蚀，开裂后再受压，其隔水性能不易恢复;硅质胶结的岩石强度高，不易风化和泥化，开裂后再受压，其隔水性能不能恢复。

3)力学强度：

从水体下采煤角度，通常按岩石的单向抗压强度，将岩石分为5个岩石等级(见表1)。岩石等级愈软弱，其抗裂性能和隔水性能愈好，对于水体下采煤愈有利。

表1 岩石等级及其典型岩石

2．2 地层结构的影响

根据地层中不同力学强度的岩层及其组合关系，分为如下4种类型：

1)软弱－软弱型，全部岩层由软弱岩层构成，具有良好的隔水性和抗裂性。

2)坚硬－坚硬型，全部岩层由坚硬岩层构成，其隔水性和抗裂性差。

3)软弱－坚硬型，近煤层处为软弱岩层，远煤层处为坚硬岩层。当软弱岩层厚度大于导水断裂带高度时，其隔水性和抗裂性好;反之，其隔水性和抗裂性差。

4)坚硬－软弱型，近煤层处为坚硬岩层，远煤层处为软弱岩层。当坚硬岩层厚度大时，则导水断裂带高度大，其隔水性和抗裂性取决于软弱岩层，反之，其隔水性和抗裂性好。

2．3 井田二采区上覆岩层岩性分析

据位于二采区中部的ZK03号钻孔柱状图，9#煤层与2#煤层的层间距86．58 m，由泥岩、砂质泥岩、砂岩、石灰岩、煤层组成，其中：泥岩、砂质泥岩厚度42．82 m，砂岩厚度23．35 m，石灰岩厚度17．00 m，煤层共 8 层(3#、4#、5#、6#、7#上、7#、8#，均为不可采煤层)，总厚度3．41 m。

9#煤层直接顶为 K2灰岩，厚度7．13 m，其上为泥岩、砂岩互层，厚度19．51 m，按力学结构分析属坚硬－软弱型。上覆岩层岩性厚度统计表见表2。

表2 上覆岩层岩性厚度统计表

从表2可以看出，软弱的泥岩、砂质泥岩厚度占总厚度的一半，中硬的的砂岩占总厚度的1/4多，坚硬的石灰岩占近1/5，煤层单向抗压强度一般介于软弱～中硬之间，但其隔水性和抗裂性较差，其隔水性和抗裂性能可归为中硬岩层一类。根据以上数据分析，计算垮落带和导水裂缝带高度应采用中硬岩层经验计算公式，为保证安全误差取(+)值。

3 煤层综合开采厚度的确定

9#煤层：位于太原组下部，距2#煤层底86．58 m，煤层厚度为1．18 m。不含夹矸，结构简单，层位、厚度稳定，为稳定的全区可采煤层，顶板为K2灰岩，底板为泥岩。

10#煤层：位于太原组下部，距9#煤层底1．20 m，煤层厚度为3．45 m，含2层夹矸，夹矸最大厚度为0．21 m，结构较复杂，层位稳定，为稳定的全区可采煤层;顶、底板均为泥岩。

11#煤层：位于太原组下部，距10#煤层底0．58 m，煤层厚度为1．93 m，含1～2层夹矸，结构较简单，层位较稳定，为稳定的全区可采煤层，其顶、底板均为泥岩。ZK03号钻孔煤层特征表见表3。

表3 ZK03号钻孔煤层特征表

10#煤与11#煤层间距0．58 m，上、下煤层之间的距离很小，开采厚度为累计厚度。

则：

10#煤与11#煤在计算垮落带和导水裂缝带时可视作一层煤，9#煤与(10+11)#煤层间距1．20 m，综合开采厚度按下式计算：

式中：

MZ1－2—9#、10#、11#煤层综合开采厚度;

M1—9#煤层开采厚度，m，取 1．18;

M2—(10+11)#煤层开采厚度，m，取 5．96;

h1－2—9#煤与(10+11)#煤之间的法线距离，m，取 1．20;

4 导水裂缝带高度计算

矿井采用厚煤层分层开采采煤法，选用《三下采煤规程》附表6－2缓倾斜煤层中硬岩石导水裂缝带高度公式，计算导水裂缝带高度。

下层煤的垮落带接触到或完全进入上层煤范围内时，上层煤的导水裂缝带最大高度采用本层煤的开采厚度计算，上层煤的导水裂缝带最大高度，则应采用上、下层煤的综合开采厚度计算，取其中标高最高者为两层煤的导水裂缝带最大高度。

1)1#、9#煤层导水裂缝带高度计算：公式一：

∑M—煤层综合采高，m，取6．66;则： HLi=61．61 m。

取大值，则，开采9#、10#、11#煤层导水裂缝带高度取 HLi=61．61 m。

导水裂缝带最大高度为61．61 m。

5 保护层厚度的确定：

1#与2#煤层间距4．04 m，2#煤的开采会导通1#煤老空积水。据ZK03号钻孔资料，2#煤层底板为泥岩、砂岩、薄煤层互层，泥岩厚度大于累计开采厚度6．66 m，根据《三下采煤规程》附表6－4防水安全煤岩柱保护层厚度中硬岩层取值计算公式：

保护层厚度=3×(∑M/n)

式中：

∑M—累计采高，m，取 6．66;

n—分层层数;本采区为3层。则：保护层厚度=6．66 m。

经分析计算，采用长壁分层开采采煤法开采9#、10#、11#煤层时，导水裂缝带最大高度 61．61 m，防水安全煤岩柱保护层厚度6．66 m，两者之和68．27 m，9#煤与2#煤层间距86．58 m，可以满足安全开采的要求，上组煤老空积水在无构造导通时对下组煤的开采没有影响。导水裂缝带高度计算示意图见图1。

图1 导水裂缝带高度计算示意图

矿井在二采区布置综采工作面进行试采，第一个工作面长度120 m，在9#煤层开采6．5个月后，联合布置开采(10+11)#煤层，工作面涌水量无明显变化，第二个工作面长度改为150 m，生产正常。

6 结束语

本文根据大山沟煤业二采区中部的ZK03号钻孔资料，对下组煤覆岩岩性进行了定性定量分析评价，运用经验公式法计算了导水裂缝带最大高度，得出了下组煤可以安全开采的结论。

由于《三下采煤规程》提供的经验公式并非来自本矿区的实测数据，在工作面推进中要随时监测顶板涌水量变化情况，发现异常时采取物探、钻探、巷探等方法查明原因，及时处理，保证安全生产。

在导水裂缝带最大高度接近上覆老空积水时，可以合理选择采煤方法，充填开采和条带式开采都可有效地减轻覆岩的破坏程度，其导水裂缝带高度比全部垮落法开采时大为减小，因此，应尽量采用;当采用垮落法开采近水平、缓倾斜煤层时，应采用倾斜分层间歇开采，不宜采用一次采全厚的采煤方法(如大采高综采、放顶煤采煤法等);应保持工作面连续匀速推进，避免推进速度过慢或停顿，防止工作面顶板超前断裂;合理布置工作面及其推进方向，使顶板含水层的水流向采空区后排出。