老公营子煤矿第四系含水层下特厚煤层综放开采研究

封占军，李 磊，刘治国，魏耀军

(1.内蒙古平庄能源股份有限公司老公营子煤矿，内蒙古赤峰024076;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013)

综放开采是将特厚煤层一次性开采出来的高产高效的采煤方法，其优点是采煤生产成本低、生产效率高、经济效益显著。缺点是由于采煤强度大造成覆岩破坏高度增大，对水体下采煤十分不利［1］。

老公营子煤矿位于内蒙古赤峰市，第四系含水层富水性强，直接覆盖于煤系地层之上，其主采煤层5煤平均厚度10.34m，属特厚煤层［2］。本文通过对老公营子煤矿水文地质条件的研究，对5煤第四系含水层下综放开采可行性进行了评价，对矿井实现高产高效开采具有重要的指导意义。

1 矿井地质采矿条件

老公营子煤矿位于元宝山煤田中部，含煤地层为侏罗系地层，主采煤层5煤平均厚度为10.34m，适合采用综放开采。

矿井主要含水层有第四系孔隙潜水含水层、第四系玄武岩承压含水层、第四系孔隙承压含水层、白垩系基岩含水层及侏罗系基岩承压含水层。

第四系含水层为强富水含水层，直接覆盖在煤系地层之上;煤系地层基岩含水层为弱富水含水层。由于第四系含水层与基岩含水层之间没有稳定的隔水层，两者形成了统一水体对工作面进行充水，对5煤的综放开采造成了严重威胁，且矿井在开采3煤期间在最小柱厚比为22的情况下发生过异常出水事故，也说明了矿井地质采矿条件的特殊性。

2 煤层的覆岩结构特性

水体下采煤的实践结果显示:软、硬岩层的力学参数不同，采动后岩体内应力的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。因此分析煤层上覆岩层的结构特性对于研究覆岩的破坏规律有着重要的意义［3］。

根据老公营子煤矿5煤顶底板的岩石力学实验结果 (表1)，结合对矿井5煤顶板以上基岩柱的岩性结果统计，5煤顶板以上基岩柱中砂岩类岩石所占比例约为79.18%，泥岩类岩石所占比例约为20.82%，经综合分析认为，老公营子矿井5煤上覆岩层属软弱类型。

为了解5煤上覆岩层含隔水性能，对5煤上覆岩层中泥岩及粉砂岩取样进行了物理性质、水理性质、物质组成的定量测试，测试结果表明岩层较软，泥岩类活性大，遇水易膨胀，具有较好的隔水性能，对水体下采煤有利。

表1 老公营子煤矿5煤顶底板岩石力学性质试验成果

3 5煤综放开采覆岩破坏高度预计

综放开采是一种新兴的采煤方法， 《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》)中尚缺少综放开采覆岩破坏高度的预计方法。康永华、滕永海、许延春分别总结了综放开采覆岩破坏高度的预计公式，但主要针对于华东及东北地区的地质采矿条件［4－6］。老公营子煤矿属于西北地区，其地质采矿条件不同于华东及东北地区，有其特殊性，因此需要结合矿井的开采实践，通过数值模拟、理论分析的方法对老公营子煤矿5煤综放开采的覆岩破坏高度进行预计。

3.1 简易水文观测

在工作面采空区上方施工“两带”孔，应用钻孔冲洗液漏失量观测法及彩色钻孔电视成像法对煤层开采的覆岩破坏高度进行实测，是目前最有效的覆岩破坏高度预计方法。图1，图2为老公营子煤矿5煤开采“两带”钻孔冲洗液漏失量与钻孔水位观测图。由图中可以看出LD111孔在孔深180m左右冲洗液完全漏失，在孔深220m左右钻孔无水位;LD112孔在孔深165m左右冲洗液完全漏失，在孔深225m左右钻孔无水位。结合彩色钻孔电视影像 (图3)得出5煤开采厚度为2.6m时，导水裂缝带高度为24.36～24.91m，裂采比为9.37～9.58。

3.2 类比分析

由于综放开采的覆岩破坏高度预计没有相应的计算公式，因此需依据国内其他矿井综放开采的实践经验进行类比分析，如表2所示。

根据导水裂缝带发育规律和老公营子煤矿5－1煤层工作面初次开采条件下的导水裂缝带高度与开采厚度的比值为9.37～9.58的实测结果，结合老公营子煤矿和5煤赋存区的具体条件，通过类比分析，本着安全稳妥的原则，选取5煤综放开采时裂高采厚比为9，对应5煤最大厚度为21.31m时，导水裂缝带最大高度为190m。

图1 钻孔冲洗液漏失量与孔深关系曲线

图2 钻孔水位与孔深关系曲线

图3 裂缝带顶点裂缝发育特征

表2 部分矿井综放开采条件下的覆岩破坏高度实测结果

3.3 数值模拟

利用FLAC3D建立了老公营子矿工作面5煤综放开采的数值模型 ，模型大小为1000m×400m×207m，并依据矿井实际地质条件赋予了模型参数。经数值计算得出 (图4)，工作面在综放开采厚度为21.31m时，导水裂缝带发育高度约为182m，裂高采厚比为8.54，与类比结果相近，证明类比结果比较符合矿井开采实际。

图4 数值模型计算结果

4 5煤第四系含水层下综放开采研究

4.1 5煤综放开采相关含水层的影响

老公营子煤矿5煤上覆基岩含水层岩性主要由灰、灰白色粗、中、细砂岩及部分粉砂岩组成，泥质胶结，局部裂隙发育，属于弱富水含水层。分析认为煤层在第四系含水层下进行综放开采时，导水裂缝带不波及第四系含水层时，第四系含水层不会对工作面直接充水，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 防水安全煤岩柱的选取

根据《“三下”采煤规程》规定，在强含水层下需留设防水安全煤岩柱开采。如公式1所示，防水安全煤岩柱高度 (Hsh)应大于或等于导水裂缝带的最大高度 (Hli)加上保护层厚度 (Hb)，即:

依据老公营子地质采矿条件，选取保护层厚度为3倍的综放开采厚度，则防水安全煤岩柱高度与煤层的柱厚比为12，得出按照5煤最大煤厚21.31m进行放顶煤时应留设的防水安全煤岩柱垂高约为255.72m。

4.3 5煤综放开采方案的选取

由于第四系含水层为强富水含水层，为防止导水裂缝带波及到第四系含水层，防水安全煤岩柱需在基岩柱内选取。即当5煤上覆基岩柱厚度大于防水安全煤岩柱高度时，第四系含水层不会对工作面直接充水。依据井田内钻孔资料，5煤层赋存区内上覆基岩柱厚度由西南向东北逐步变厚，厚度约为170～416m。对比5煤上覆基岩柱厚度与实际揭露5煤开采所需的防水煤岩柱高度，得出5煤赋存区内仅两个钻孔揭露基岩柱厚度不满足留设防水安全煤岩柱的条件，其余钻孔都满足留设防水安全煤岩柱高度的条件。因此，建议5煤进行综放开采时工作面布置在井田东北部基岩柱厚度较厚的区域，对于不满足留设防水安全煤岩柱的区域，可以采取限制采放高度的方法来进行回采。同时考虑到3煤工作面出现的较大涌水的原因目前尚未查清，为了防止覆岩破坏高度异常增大而导致采动裂隙直接波及第四系孔隙含水层，5煤综放开采时应按试采要求进行管理，并应根据回采工作面的水情变化等情况灵活调整，控制放煤高度。

5 结论

(1)分析了老公营子煤矿5煤综放开采的地质采矿条件，认为第四系含水层为老公营子煤矿的主要充水含水层，是矿井进行5煤综放开采的严重威胁水源。

(2)通过统计矿井5煤以上基岩柱的岩性结构以及相关实验研究，确定5煤上覆岩层岩性为软弱类型，泥岩及粉砂岩类隔水性能好，对水体下采煤有利。

(3)利用简易水文观测法、类比法及数值模拟法确定了5煤综放开采的裂高采厚比为9，开采厚度为21.34m时，导水裂缝带最大高度约为190m。

(4)老公营子煤矿需留设防水安全煤岩柱对5煤进行第四系含水层下综放开采，研究区内基本可以满足针对第四系孔隙含水层留设综放开采防水安全煤岩柱的要求，但为防止发生覆岩破坏高度异常增大而导致采动裂隙直接波及第四系孔隙含水层，5煤综放开采时应按试采要求进行管理。

［1］康永华，孔凡铭.巨厚含水砂层下顶水综放开采试验［J］.煤炭科学技术，1998，26(9):35－38.

［2］天地科技股份有限公司开采设计事业部.老公营子煤矿第四系含水层下安全开采技术研究［R］.北京，2010.

［3］北京开采所.煤矿地表移动与覆岩破坏规律及其应用［M］.北京:煤炭工业出版社，1981.

［4］康永华，黄福海，席京德.综采重复开采的覆岩破坏规律［J］.煤炭科学技术，2001，29(1):22－24.

［5］许延春，李俊成，刘世奇，等.综放开采覆岩“两带”高度的计算公式及适用性分析 ［J］.煤矿开采，2011，16(2):4－7.

［6］滕永海.综放开采导水裂缝带的发育特征与最大高度计算［J］.煤炭科学技术，2011，39(4):118－120.