葛亭煤矿730采区3煤层开采上限研究

李庆莲 赵元强 贾纪旺

摘要：本区域第四系底部为砂层，富水性较弱，但砂层易随水流动，因此3煤层开采上限确定时，可不留设防水煤柱，按冒落带高度留设防砂煤柱即可，即防砂煤柱按第四系底界下垂深35m留设。在开采过程中应考虑基岩风氧化带对煤质和支护的影响，防砂煤柱应大于或等于风氧化带高度。

关键词：下组下段 含水层 防砂煤柱 开采上限

葛亭煤矿位于济宁煤田西北部，行政区划属济宁市郊区二十里铺镇及长沟镇管辖，矿区中心位置距离济宁市15公里，矿井南北长4～4.5km，东西宽4～6km，面积为20.8838km2。矿井设计能力60万t/a，2003年核定生产能力为120万t。可采煤层为3、16、17煤，目前主采3煤层。

730采区地面位于矿井工业广场以东，井田的最东部。

1 采区地质特征

1.1 地层

本区为全隐蔽的华北型石炭～二叠系煤田，煤系以奥陶系为基底，沉积了石炭系中统本溪组、石炭系上统太原组、二叠系下统山西组及石盒子组，其上被第四系所覆盖。主要含煤地层为太原组和山西组。

1.1.1 第四系（Q）：厚度232.90～243.65m，平均239.82

m。区内由南往北逐渐变薄，由粘土、钙质粘土、砂质粘土、砂及砂砾层组成。

1.1.2 二叠系下统山西组（P1s）：本采区内二叠系地层只有山西组尚残留。

残留厚度43.55～59.05m，平均50.20m，是本区主要含煤地层。底部泥质含量增多，波状及浑浊状层理发育，见底栖动物通道，为一良好标志，与下伏太原组顶部的黑色海相泥岩、泥质粉砂岩为连续沉积。

本组内含煤2层（2、3），其中3煤层厚度大，为本区内主采煤层。

1.1.3 石炭系上统太原组（C3）：采区内揭露厚度44.73～

48.20m，平均46.97m，为本区主要含煤地层之一。由灰～灰黑色粉砂岩、泥岩、浅灰色中、细砂岩、石灰岩及煤层组成。

1.2 构造

1.2.1 井田地质构造背景

葛亭矿井处于济宁煤田鲁西南断块坳陷区的济宁地堑西侧。井田内构造发育受东西向及南北向区域构造控制，早期主要为北东～北东东向褶曲，后因受南北向断层控制，使其发生扭曲表现较弱，被改造为北东东～东西向褶曲形态已不完整。晚期主要表现为南北向褶曲。全矿井明显表现为一近南北向的向斜褶曲，构造的北端、翼部倾角较陡，轴部较缓，因受南北向、近东西向及北东向三组断层的切割，基本被分解为几个地层块段，形态不完整。区内主要发育有近南北向断层，同时由于受南北两侧东西向构造带的控制，仍然存有东西向断层；另外，北西向断层数量较少，落差小，延展短。

1.2.2 730采区范围内构造特征

①煤层产状。本区构造类型简单，根据三维地震资料和钻探资料情况，该区域为一单斜构造，走向SE～NW，倾向234°～248°，倾角10°～32°，平均22°。

②断层。采区内地质构造相对简单，根据已掌握资料，本区域内尚未发现有断层构造，只有采区西南部界处的F7断层，落差为30～300mm。

F7断层：为一正断层，位于采区东北部，为采区北部边界，矿井内延展长度4700m，走向北西～南北，倾向南西～西，倾角70°，落差30～300m。属基本查明断层。

2 采区水文地质特征

2.1 井田水文地质概况

葛亭煤矿南部以F11断层与运河煤矿为界，西、北界均为奥灰隐伏露头，为本矿井的补给边界，东界人为边界距唐阳断层1～2km；南界F11断层，落差65～400m，南升北降，矿井内各主要含水层与对盘奥灰对口接触，因而也有可能成为本矿井补给水源。

矿井的西部为奥灰隐伏露头区，据西部奥灰抽水试验资料，钻孔单位涌水量达0.622L/s.m，为Ⅱ级中等富水区，为煤系各主要含水层的补给水源。

2.2 采区3煤层水文地质条件

2.2.1 区内主要含水层

区内主要含水层为第四系砂层，3煤层顶、底板砂岩，太原组三灰，十下灰和奥灰含水层。

①第四系：第四系含水砂层分上、中、下三组，上、中组为强富水含水层，下组为中等富水含水层。根据本采区补4孔抽水试验资料，第四系下组含水砂层水位标高+27.444m，单位涌水量为0.0661～0.1324L/s.m，富水性为中等，渗透系数为0.01936～0.0687m/d。补5孔抽水试验资料，第四系下组含水砂层水位标高+28.107m，单位涌水量为0.0556～0.1635L/s.m，富水性为中等，渗透系数为0.01203～0.1323m/d。下组含水砂层顶、底板具有良好的隔水性能，使得大气降水、地表水和富水性强的第四系上、中组砂层水被本组所隔，不能向下补给，为煤系上覆地层重要隔水层组。在本采区内煤3顶板和第四系底界面间距较小，在部分块段第四系下组含水层会成为3煤层开采的直接充水含水层。

②3煤顶、底板砂岩：根据本次补勘资料，顶板砂岩厚1.35～8.95m，平均5.18m。主要由浅灰至灰色长石、石英砂岩组成，以细砂岩为主，含暗色矿物，局部夹中砂岩、粗砂岩。底板砂岩厚5.20～9.33m，平均7.04m，由灰白色长石、石英砂岩组成，以细砂岩为主，含少量暗色矿物，夹粉砂岩。矿井内有27个钻孔穿过3煤层顶、底板砂岩，有2个钻孔漏水，漏水孔率7.4%，据S7-5和S8-1钻孔抽水试验资料，水位标高为+32.69m，单位涌水量为0.003068～0.00608L/s.m，矿化度为0.4012～2.4057g/l，水质类型为HCO3-K+Na～SO4-K+Na·Mg，渗透系数为0.00159～0.0174m/d，为弱富水含水层。本采区内该含水层为第四系下隐伏露头，直接接受第四系下组含水层的补给，局部块段补给来源较好。

③三灰：厚4.00～5.15m，平均4.72m，上距3煤层41.24～45.85m，平均43.88m，根据相邻采区抽水试验资料，水位标高+32.65m，单位涌水量为0.000209～0.003131L/s.m，矿化度0.5499～0.6731g/L，渗透系数为0.004026～0.07993m/d，为弱富水含水层。以往勘探和井下实际揭露资料表明，随深度的增加，三灰的富水性显著减弱。正常情况下不会发生底鼓突水。

④十下灰：厚3.45～8.80m，平均5.35m。浅灰～深灰色，含丰富的海相动物化石。矿井内有57个钻孔揭露十下灰，有9个钻孔发生漏水，漏水孔率18.8%，绝大部分位于浅部十下灰风氧化带及断层附近。漏水点多分布于-570m以浅，其中56%的漏水点分布在-250m以浅。水位标高31.77～33.77m，单位涌水量0.002332 ～0.9664L/s.m，矿化度0.7027～0.7288g/L，水质类型为SO4·HCO3-Ca·K+Na·Mg～SO4.HCO3-Ca·Mg，渗透系数为0.8301～17.5952m/d，为弱～中强富水含水层。十下灰富水性极不均一，浅部（N7-11，N7-12）单位涌水量达0.9664L/s.m，水质类型SO4·HCO3-Ca·Mg，相距仅220m的N7-10孔单位涌水量仅0.002332L/s.m，水质类型为SO4.HCO3-Ca·K+Na·Mg，说明十下灰富水的不均匀性和随埋深增加富水性减弱的规律。

⑤奥灰：3煤～奥灰间距为210.0m，奥灰是开采3煤层时的间接充水含水层。G1号钻孔位于本区域以东350m，揭露奥灰50.44m终孔；根据430采区补勘施工的钻孔的补1和补3号钻孔资料受岩浆岩侵蚀影响，3煤至奥灰间距均被拉大，其中补1号钻孔间距为372.49m，揭露奥灰53.45m，补3号钻孔间距为350.45m，揭露奥灰12.66m，钻进过程中浆液消耗量稳定在0.16m3/h；钻孔揭露发现，奥灰中常见小溶洞和裂隙，多未充填，具缝合线构造。从钻孔揭露情况分析，奥灰水压力大，充水空间发育，为中等富水含水层。3煤层正常开采情况下距奥灰水较远，奥灰水对3煤层开采影响不大。

2.2.2 断层的导水性

全矿井35个钻孔穿过断层，揭露48个断点，只有3个钻孔发生漏水现象，且都在小断层附近，断层带漏水不明显，断层带充水空间不发育。矿井实际揭露资料表明，断层均不含水、不导水。本采区范围内有F6、F4断层，断层落差大于100m，造成奥灰与3煤间距缩小，故在接近断层前，应做好断层的防探水工作，确保掘进和回采的安全。

2.2.3 采区水文地质条件和突水危险性分析

通过对采区内各含水层分析可知，本采区充水条件相对简单，主要表现在以下几点：

①直接充水含水层（3煤顶、底板砂岩含水层）为弱富水含水层，易于疏干，从邻近采区230采区补勘抽水试验对比以往资料来看，3砂的水位标高已出现明显的下降趋势。

②间接充水含水层（三灰、十下灰含水层等）富水性弱，距3煤相对较远。

③断层带充水空间不发育，断层均不含水且导水性较弱，仅在断层落差较大。

突水危险性分析：正常情况下，3煤顶、底板砂岩含水层、岩浆岩含水层不存在突水危险，三灰含水层正常条件上距3煤48.37m，属于弱含水层，也不存在突水危险。但由于区内3煤顶板距第四系底界面较近，且第四系底部含水层富水性中等，局部块段部直接覆盖于3煤之上，成为3煤的直接顶板，对本区域3煤的开采威胁较大，有可能随着3煤层的开采造成突水威胁。

2.2.4 井田的水文地质类型及其复杂程度

综上所述本采区3煤层开采的直接充水含水层均为孔隙～裂隙含水层，由于直接含水层补给源都是第四系下组下段的含水层，三层之间水力联系密切，互有影响，故本采区的水文地质类型应属二类Ⅱ-1型，水文地质条件中等偏简单。

3 开采上限研究

3.1 第四系下组下段富水性与防水煤柱留设的研究

3.1.1 导水裂隙带高度计算

根据国家技术监督局1991年颁发的《矿区水文地质工程地质勘探规范》（GB12719-91）中所列附录FG（参考件），导水裂隙带高度计算公式：

Hm=+5.1，其中M为累计采厚；n为煤分层层数

730采区3煤层平均厚6.11m，如全层开采，则Hm最大将达91.16m。

3.1.2 第四系下组下段含水层富水性特征

补4号孔冒裂带范围内第四系下组下段有关水文地质参数如下：

①砂层渗透系数室内测试值：样号补4-3-1/2/3/4为粗砂，取样深度170.25～183.72m，垂直渗透系数为2.00E-05cm/s，经换算渗透系数K=0.01728m/d。

样号补4-5-1/2/3为中砂，取样深度195.20～201.40

m，垂直渗透系数为1.66E-06cm/s，经换算渗透系数K=

0.01434m/d。

样号补4-7-1/2/3/4为中砂，取样深度222.86～229.85

m，垂直渗透系数为3.79E-05cm/s，经换算渗透系数K=

0.03275m/d。

②抽水试验求得渗透系数值及单位涌水量。补4孔抽水试验Q=123.84m3/d s=21.70m q=0.0661L/s·m

经计算K=0.247879m/d。

③矿井涌水量预算。利用承压转无压公式Q=1.366K[（2H-M）M-h2]/lg

其中K为补4号孔抽水试验求得的渗透系数，H为水位降深值，取补4、补2、补5号钻孔第四系底界深的平均值减去水位深度，即：

H=239.82-11.99=227.83 h=0

M为含水层厚度，取4、补2、补5号三个第四系底界面为砂层或钙质层的钻孔的第四系下段砂层平均值，M=24.37m

经计算Q=268.10（m3/h）。

根据以上有关水文地质参数，结合《矿井地质规定》及《煤矿防治水规定》对含水层的划分标准，采区内第四系下组为含水性中等的含水层。

3.2 冒落带计算与防砂煤柱留设

3.2.1 第四系底部岩性分布特征

第四系底部的岩性特征对开采上限的确定及煤岩柱留设方式至关重要，为了准确地反映出本采区第四系底部的岩性分布特征，对采区内第四系底部为砂质的2个钻孔的资料，进行了分析对比，2个钻孔的确定成果如表1：

3.2.2 冒落带计算与安全煤岩段留设

开采3煤层冒落带不会贯穿第四系下组，并且第四系下组的富水性中等，从抽水试验中得知，第四系底部砂层中的粉、细砂易随水流动，所以开采3煤露头附近时重点应注意防止冒落带流砂溃入井下，即要按冒落带高度留设防砂煤柱。根据本采区补5号孔3煤顶板岩石力学测试结果，3煤顶板属中硬～软弱顶板，据此计算冒落带高度。

①根据国家技术监督局1991年颁发的《矿区水文地质工程地质勘探规范》（GB12719-91）中所列附录FG（参考件），冒落带高度计算公式：

公式1：Hm=（3～4）M，其中M为累计采厚

730采区3煤层平均厚6.11m，全层开采，则Hm最大将达24.44m。

②根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，冒落带计算公式为：

公式2：Hm=100∑m/（4.7∑m+19）±2.2

即：Hm=12.80±2.2

根据《煤矿防治水规定》规定，煤层露头防隔水煤（岩）柱的留设，按下列公式计算：

公式3：Hf=Hk+Hb

式中：Hf——防隔水煤（岩）柱高度，m；

Hk——采后垮落带高度，m；

Hb——保护层厚度，m；Hb=3∑m/n

分别将“公式1”“公式2”中的计算数值代入“公式3”：

按“公式1”中计算值：Hs≥24.44+3×6.11≥42.77m

按“公式2”中计算值：Hf=15.0+3×6.11=33.33m。

③安全煤岩柱留设建议

本区域第四系底部为砂层，砂层易随水流动，建议按照防砂煤柱留设，即3煤层到第四系底界间距小于33.33m区域不开采，间距大于33.33m的区域可开采。在开采过程中应考虑基岩风氧化带对煤质和支护的影响，防砂煤柱应大于或等于风氧化带高度。在靠近风化带边界附近，在条件许可的情况下，应在井下布设钻孔进行探查。

根据计算，3煤层防砂煤柱应大于33.33m，据此建议730采区3煤层防砂煤岩柱按第四系底界面下垂深35m留设。

矿井内采区地层及水文地质条件不完全相同，防砂煤柱或防水煤柱的留设应按照相关规范规定，在做足工作的前提下进行合理选择。

根据计算，3煤层防砂煤柱应大于33.33m，据此建议3煤层防砂煤岩柱按第四系底界面的下垂身35m。本留设方法，较矿井初步设计留设的防水煤柱提高了近40余米，解放了约320万吨的煤柱储量，具有显著的经济和社会效益。

参考文献：

[1]淄博矿业集团葛亭煤矿730采区补充勘探报告[R].山东嘉祥：山东省煤田地质局第二勘探队，2011.

[2]葛亭井田精查地质报告.山东泰安：山东省煤田地质局，1997.

[3]杨成田，等.专门水文地质学[M].地质出版社，1981.

作者简介：李庆莲（1966-），女，重庆永川人，1989年毕业于江苏省常州煤田职工地质学校，助理工程师，研究方向：水文地质。