龙马煤矿珠子河下开采可行性分析

李 磊，樊振丽，梁发宽

（1.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013;2.华润天能徐州煤电有限公司，江苏徐州 221006）

龙马煤矿珠子河下开采可行性分析

李 磊1，樊振丽1，梁发宽2

（1.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013;2.华润天能徐州煤电有限公司，江苏徐州 221006）

通过分析龙马煤矿的水文地质条件和煤层顶板覆岩结构类型，采用简易水文观测法和经验公式法确定了龙马煤矿主采煤层覆岩的破坏高度，确定了主采煤层的开采上限，分析了采空区积水对珠子河下采煤的影响，在此基础上论证了珠子河下采煤可行性。

覆岩结构类型;简易水文观测;开采上限;河下采煤

龙马井田位于靖宇煤田东南侧，区内地形为高山玄武岩、熔岩台地，海拔标高为617.08m，最低406m，相对差211.08m;玄武岩台地标高为510～567m。珠子河为区内主要河流，流域面积为95.5km2，流入松花江，最高洪水位标高为416.5m，水深15～17m，最高洪水流量244m3/s。龙马煤矿是吉林杉松岗矿业集团的主力矿井，现有煤炭储量12.4187Mt。珠子河从井田中部横穿而过，不仅压覆了约1.4937Mt煤炭资源，而且给矿井开采接续造成极大困难。因此，为了提高矿井产量，增加经济效益，延长矿井服务年限，有必要对珠子河下采煤可行性进行分析。

1 矿井水文地质条件

龙马煤矿开采1，2，3号煤，煤层顶板自下至上发育有侏罗系上统石人组砂、砾岩段裂隙水含水层（J33sh）、侏罗系上统石人组火山碎屑岩段裂隙水含水层 （J53sh）、第四系砂砾层孔隙水含水层 （Q1）及第四系玄武岩孔洞裂隙水含水层 （Q2）共4层含水层［1］。龙马煤矿煤层群顶板含水层柱状图如图1所示。

矿井的直接充水水源为煤系地层弱富水含水层，含水层接受大气降水及玄武岩孔洞裂隙含水层的渗透补给。由于珠子河经煤系上流过，当矿井开采到河流附近煤层时，珠子河河水通过基岩对工作面进行渗透补给，成为向矿井充水的水源。

图1 龙马煤矿煤层群顶板含水层柱状

2 可采煤层覆岩结构类型

在煤系地层中，对于大多数坚硬的岩层来说，在一定荷载作用下，都表现出脆性破坏特征，即当坚硬岩层的悬露跨度达到该岩层的垮落步距之后，岩层产生明显的变形并发生脆性断裂;对于覆岩中某些软弱和极软弱的岩层 （如泥岩、黏土和风化岩层）来说，其破坏往往表现出明显的塑性，即岩体的挠曲变形较大，并产生流动、挤出等，破坏后不产生明显的破坏面，这种变形一般能阻隔导水裂缝带向上发展［2－4］。

根据龙马煤矿煤层顶底板岩石力学试验结果（表1），结合龙马煤矿1，2，3号煤层上覆基岩柱的岩性构成统计结果，1，2，3号煤层上覆基岩柱中砂岩类岩层所占比例平均约为94.58%，91.11%，87.66%，泥岩类岩层所占比例平均约为5.31%，8.89%，12.31%。综合分析认为，龙马煤矿可采煤层上覆岩层应属中硬类型。

表1 龙马煤矿1，2，3号煤层顶底板岩石力学强度参数

由于软、硬岩层力学参数不同，导致采动后岩体内应力分布和破坏类型不同，一般的软弱岩层塑性大，采动后透水性弱，有时被水浸润后软化，还可以构成水体下采煤的隔水层;而坚硬的砂岩脆性较大，采动后产生脆性破坏，且被水浸润后不软化，透水性强，对水体下采煤不利。因此，分析龙马煤矿中硬覆岩类型的导水裂缝带高度尤其重要。

3 可采煤层覆岩破坏高度预计

3.1 简易水文观测法

“两带”探测LD102孔止水深度为100.59m，止水检查合格后进行基岩段钻进，并用清水作为冲洗液，进行漏失量及钻孔水位观测。漏失液观测从孔深100.59m开始，图2与图3为LD102孔冲洗液漏失量及钻孔水位随钻孔深度变化的曲线图。

综合冲洗液漏失量及钻孔水位深度随孔深的变化情况可以看出:钻孔冲洗液在孔深218.29m处全部漏失，钻孔水位也由25m降至100m左右，但水位仍然可测，此段孔内岩性为凝灰质砾岩，漏失原因判断为原生裂隙发育;在285.81m处测不到水位，而此处岩性为原生裂隙不发育的泥岩、粉砂岩，同时该段存在钻机钻进速度较同岩性正常钻进速度明显加快的现象，结合彩色钻孔电视影像等信息综合判断钻孔导水裂缝带顶点在孔深285.81m处;该处3号煤层埋深约为340m，则导水裂缝带高度约为54.19m，裂采比约为13.48。

图2 LD102孔冲洗液漏失量与孔深关系曲线

图3 LD102孔钻孔水位与孔深关系曲线

3.2 经验公式法

根据龙马煤矿煤层顶板覆岩结构类型，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》中硬覆岩条件下的经验公式来计算龙马煤矿主采煤层的导水裂缝带最大高度，即

为了安全起见，这里将公式 （1）中的计算中误差取为正值，计算结果见表2。

表2 经验公式法预计导水裂缝带高度

因此，综合简易水文观测法和经验公式法预计的结果，单一煤层开采时，1号煤导水裂缝带高度为28.93～33.97m，2号煤导水裂缝带高度为32.85～36.64m，3号煤导水裂缝带高度为29.99～46.16m;分层开采时，3号煤导水裂缝带高度为37.05～48.70m。

4 珠子河下开采可行性分析

4.1 珠子河下煤层开采相关含水层的影响

龙马煤矿煤层上覆基岩含水层岩性主要是火山碎屑岩、砂岩、砾岩、泥岩、页岩，各层厚度不一，彼此交替出露，是不均一的弱富水性含水层。分析认为煤层在珠子河下开采时，在导水裂缝带波及不到河床砂砾残积层时，河水不会对工作面的开采直接充水，而是沿基岩对工作面进行渗透补给，煤系地层中的基岩弱富水含水层为煤层开采的直接充水含水层。

4.2 珠子河下主采煤层开采上限的确定

珠子河属于直接位于基岩上方或底界面下无稳定的黏土性隔水层的地表水体，不允许导水裂缝带波及水体，要求留设顶板防水安全煤 （岩）柱进行开采，计算各煤层的安全回采上限如表3所示。

表3 龙马煤矿1，2，3号煤层初步确定回采上限

由于龙马煤矿第四系底部没有黏土层，且煤层上覆基岩以砂岩为主，泥岩类隔水岩层较少，覆岩结构类型属于中硬，基岩中无直接隔水层，对水体下采煤十分不利，加之河流常年有水，因此，出于安全和尽可能减少对矿井充水影响的角度考虑，为保证龙马煤矿珠子河下安全开采，各煤层取开采最大厚度时的煤层开采上限并增加一定厚度的保护层作为其回采上限值，则1号煤层的回采上限标高确定为295m，2号煤层的回采上限标高确定为290m，3号煤层的回采上限标高确定为250m。

4.3 采空区积水对珠子河下采煤影响

由于井田内有一平硐被珠子河水淹没，采空区与珠子河水联通，因此，判断采空区内已充满积水，并受到珠子河水的侧向补给。目前在珠子河下留设有防水煤岩柱，一旦龙马煤矿在珠子河下进行开采，采空区积水将对工作面进行侧向补给，因此需要留设足够宽度的防水煤岩柱，防止采空区水直接进入到工作面，对工作面的安全生产造成威胁。

根据《煤矿防治水规定》中采空区及老窑积水区隔水煤柱不得小于20m的规定，在这里均取20m。由于龙马煤矿1号煤层内生裂隙发育，性脆易裂，在这里取2.5倍的安全系数，从而计算得到1号煤层的隔水煤柱宽度取值为50m。

同时，从煤柱的长期稳定性角度分析，要保证煤柱的长期稳定，必须满足P极/P实＞1，其中P极为煤柱能承载的最大载荷，P实为煤柱实际承受的载荷。

式中，γ为上覆岩层的密度，25kN/m3;H为采深，m;a为煤柱的宽度，m;m为采厚，m;b为工作面宽度，m。

将煤层及开采条件代入以上两式，经计算得到P极/P实=1.23＞1，可见留设的隔水煤柱基本能保证煤柱的长期稳定性。

对于位于1号煤层下方的2号和3号煤层，除留设本层的隔水煤柱外，还应保护上部煤层的隔水煤柱，根据《煤矿防治水规定》附录三之八中规定，当上下煤层的层间距小于下煤层开采后的导水裂缝带高度时，下煤层的隔水煤岩柱应根据采动塌陷角和煤层间距，从上层煤煤柱边界向下推算，如图4所示。

图4 多煤层隔水煤柱留设

计算后分别得到龙马煤矿2号煤的隔水煤柱宽度为78m，3号煤的隔水煤柱宽度为85m。

4.4 开采可行性小结

综上所述，对于龙马煤矿在珠子河下开采有威胁的水体主要包括上覆基岩含水层、河水、大气降水以及老窑采空区积水。基岩含水层位于煤系地层中，煤层开采时将会波及到，为煤层开采直接充水含水层;河水对于工作面的威胁，取决于近距离多煤层开采的采动破坏影响范围及程度，即煤层开采“两带”高度是否波及到河床底部;对于同一煤层的采空区，则取决于煤层开采影响的扰动程度，隔水煤柱的宽度及煤柱的长期稳定性。因而，龙马煤矿珠子河下1，2，3号煤层开采的可行性取决于顶板防水安全煤岩柱和隔水煤柱两个条件，两者要互相兼顾，才能保证煤层开采的可行性和安全合理性。分析认为，在满足顶板防水煤柱与侧方隔水煤柱的条件下，积极做好井下疏排水工作，对珠子河下煤层进行开采是可行的。

5 结论

（1）分析龙马煤矿水文地质条件认为，龙马煤矿珠子河下直接充水含水层为弱富水的煤系裂隙含水层，含水特征表现为由若干薄层含水层及若干薄层隔水层组成的含水层组，河水、大气降水及采空区积水对工作面有渗透补给，水文地质条件复杂。覆岩类型属中硬类型，对水体下采煤不利。

（2）综合简易水文观测法和经验公式法预计结果，单一煤层开采时，1，2，3号煤导水裂缝带高度分别为:28.93～33.97m，32.85～36.64m和29.99～46.16m;分层开采时，3号煤导水裂缝带高度37.05～48.70m。

（3）确定了龙马煤矿珠子河下1，2，3号煤层进行开采的回采上限，回采上限标高分别为295m，290m和250m。

（4）在满足留设顶板防水安全煤岩柱条件的同时，还应考虑侧方向同煤层留设隔水煤柱的条件。计算得出1，2，3号煤层隔水煤柱宽度分别为50m，78m和85m。

（5）在满足顶板防水煤柱和侧方隔水煤柱的条件下，对珠子河下煤层进行开采是可行的。

［1］天地科技股份有限公司开采设计事业部.龙马矿业有限公司珠子河下压煤开采可行性分析论证［R］.北京，2011.

［2］李 磊.祁东煤矿高水压下原生纵向裂隙发育覆岩采动破坏研究［D］.煤炭科学研究总院，2008.

［3］樊振丽，武 强，孙晓宇.梧桐庄矿多含水层底板突水危险性评价 ［J］.煤矿开采，2011，16（5）:89－93.

［4］张玉军，徐法奎，陈 千.王坡煤矿综放开采地表移动与覆岩破坏规律研究［A］.2010全国“三下”采煤与土地复垦学术会议论文集［C］.北京，2010.

Feasibility of Mining Coal under Zhuzi River in Longma Colliery

LI Lei1，FAN Zhen-li1，LIANG Fa-kuan2
（1.Coal Mining ＆ Designing Department，Tiandi Science ＆ Technology Co.，Ltd，Beijing 100013，China;
2.Huaren Tianneng Xuzhou Coal＆ Power Co.，Ltd，Xuzhou 221006，China）

Applying simple hydrographic survey and empirical formula，broken height of overlying strata and mining upper limit was obtained by analyzing hydrogeology condition and structure type of overlying strata in Longma Colliery.Influence of gob seeper on mining under Zhuzi river was analyzed and feasibility of mining under Zhuzi river was discussed on the basis of this.

structure type of overlying rock;simple hydrographic survey;mining upper limit;coal mining under river

TD823.83

A

1006-6225（2012）02-0078-04

2012－01－09

国家科技重大专项大型油气田及煤层气开发资助项目 （2008ZX05040－001）

李 磊 （1982－），男，山东乐陵人，助理研究员，从事水体下采煤研究。

［责任编辑:周景林］