厚煤层分层开采提高开采上限研究

王 䶮

（山东科技大学资源与环境工程学院，山东 青岛266590）

单家村煤矿井田为第四系覆盖的隐蔽式井田，设计生产能力45万t／a，矿井现主采3煤层，服务年限61年。为确保矿井安全生产，六采区设计留有防水煤柱195万t，形成大量呆滞煤量。6311工作面位于六采区西北部，为六采区埋藏最浅的一个工作面，为了合理开发利用煤炭资源，最大限度地提高资源利用率，延长矿井服务年限，缓解采掘紧张局面，确保矿井健康可持续发展，因此提高6311工作面的开采上限具有重要意义。

1 水文地质条件

1.1 第四系地质特征

第四系厚度为157.50～256.48m，平均厚度186.39m，分上、中、下三组，即 Q上、Q中和 Q下。上组由棕黄色黏土、砂质黏土、砂及砂砾相间组成。在8～13m处有一层厚约2～5m的灰黑色淤泥层，层位较稳定。本组含砂1～3层，黏土类占80%。中组由棕黄色、灰绿色黏土、砂质黏土、黏土质砂、黏土质砂砾相间组成，黏土中含铁锰结核，具中至粗粒砂2～6层。本组突出特征是含铁锰质结核，砂类占优势，即砂占65%。下组由灰绿色黏土、砂质黏土、砂及砂砾相间组成。距底界30m处有一层钙质层，层位较稳定，含砂3～8层，但砂层含黏土质较高，呈半固结状态，黏土类占60%。与下伏下第三系呈不整合接触。

1.2 第四系下组底部岩性特征

第四系下组（Q下）岩性由灰绿色、黄褐色的黏土、砂质黏土及砂层相互组成，夹有中－粗粒砂岩2～10层。在井田范围内，该组底部与基岩接触之处有一层厚度（2.93～42.40m）不等的黏土层。采区内三个钻孔资料见表1。

由表1可知，6311工作面上覆第四系底界面黏土岩厚度为7.4～42.0m，平均为23.5m。

表1 六采区第四系底部黏土岩岩性描述表

1.3 第四系松散层隔含水层划分

第四系中含水层与隔水层相互交错，透镜体比较发育，岩性变化比较复杂，按颜色、岩性和富水性划分为上、中、下三组。其中：上组（Q上）厚47.91～53.31m，平均厚度51.21m，主要由灰黄色、黄褐色砂质黏土、黏土质砂及砂层组成，透水性好，富水性强，钻孔单位涌水量为2.011L／s.m；中组（Q中）厚46.20～93.96m，平均厚度62.57m，主要由黄褐色夹灰绿色的砂质黏土、黏土及砂层组成，钻孔单位涌水量为7.14L／s.m；下组（Q下）厚63.35～80.86m，平均厚度72.58m，以黏土质为主，夹1～2层薄层砂岩，大多呈现半固结状，富水性中等，单位涌水量为0.0971～0.213L／s.m，底部与基岩接触之处大多为一层厚度不等的黏土层。

单家村井田第四系底部有一层厚度2.93～42.40m的黏土类地层与下伏地层相隔，可起到隔水作用。

2 含水层类型及水体采动等级确定

2.1 含水层类型

根据钻孔抽水试验资料，第四系下组砂及砂砾层松散孔隙含水层单位涌水量为0.0971～0.213L／s·m，3煤顶板砂岩单位涌水量为0.00568L／s·m，且经过多年开采，矿井－450水平以上三灰水已疏放。按照钻孔单位涌水量，含水层富水性等级标准［1］综合分析，6311工作面开采时覆岩含水层富水性等级为中等－弱富水性，从侧重安全角度考虑，定为中等富水性。

2.2 水体采动等级

近水体下采煤时，应按水体的类型、流态和赋存条件等，将受开采影响的水体进行分级［2］。根据地质资料，补7、补8钻孔及其间的第四系底黏厚度稳定，大于21.1m；8－8到补7钻孔之间底黏厚度最小为7.4m，其下赋存一层厚度6.4m砂层，几乎直接与基岩风化带接触。若回采过程中导水裂缝带波及该层砂岩，可能导致矿井涌水量增加。综合分析，根据相关规定及分级标准，在松散含水层下进行开采时，确定6311工作面开采时的水体采动等级为Ⅰ级，不允许导水裂缝带波及松散孔隙弱含水层水体，应留设防水安全煤岩柱。

3 覆岩破坏高度预计

3.1 覆岩破坏高度预计公式

六采区内3煤覆岩为泥岩、粉砂岩、细砂岩，在自然状态下，岩石抗压强度为31～70MPa，属中硬～坚硬岩石；直接底细粒砂岩的抗压强度为33.54MPa，属中硬岩石。参照六采区覆岩岩性和力学测试结果，本采区3煤覆岩综合强度为中硬岩石。根据3煤层覆岩情况，结合岩石强度实测和风氧化状况，选定导水裂缝带和垮落带高度计算公式［3－4］分别如下。

式中：Hli为导水裂缝带最大高度，m；Hm为冒落带最大高度，m；∑m为累计采厚，m。

3.2 覆岩破坏高度预计结果

6311工作面3煤层厚度为4.8～10.6m，平均厚度7.2m，设计分为3层开采，煤层采高均为2.4m，带入式（1）、式（2）分别计算分层开采是冒落带和倒水裂隙带高度，见表2。

表2“两带”高度计算结果表

4 安全煤岩柱与开采上限确定

4.1 安全煤岩柱计算及留设

防水安全煤岩柱的目的是不允许导水裂缝带波及水体，其垂高（Hsh）应大于或等于导水裂缝带最大高度（Hli）加上保护层厚度（Hb）［5－6］，即Hsh≥Hli＋Hb。

保护层是设计水体下安全煤岩柱时，为安全考虑所增加的岩层区段，它位于导水裂缝带与水体底界面之间。根据防水安全煤岩柱保护层厚度的计算公式［7－8］，针对覆岩具体情况，保护层的厚度为：Hb＝3∑m／n，其中n为分层数。根据公式计算得3煤层分层开采时的保护层厚度为7.2m。所以，得到第1分层开采时，防水安全煤岩柱高度为：Hsh1＝（26.7～37.8）＋7.2＝33.9～45.0m，同理开采第2、第3分层时，防水安全煤岩柱的高度分别为Hsh2＝44.1～55.4m，Hsh3＝49.3～60.4m。

为保证6311工作面安全开采，综合考虑风氧化等不利影响，按前述水体采动等级为Ⅰ级留设防水安全煤岩柱［9－10］。3个分层采高均为2.4m，分别留设45.0m、55.0m和60.0m防水安全煤岩柱，比原设计煤柱提高25m。

4.2 开采上限确定

根据单家村煤矿多年开采经验，3煤层顶板砂岩水对开采构不成水害威胁；而四采区最浅部的工作面开采时，未发现第四系底部沙层水渗入井下。因此，只要6311工作面开采上限确定合理，开采是安全的。

根据6311工作面内补7、补8钻孔资料，第四系底界面标高在－111.63～－134.61m之间，按留设的防水安全煤岩柱高度45.0m，确定3煤第1分层安全开采标高为－179.71m，取整数为－180m。同理，可确定第2、第3分层安全开采标高分别为－190m和－195m。

5 结论

1）根据钻孔抽水试验资料，结合安全角度考虑，经综合分析，确定6311工作面开采时，覆岩含水层类型为中等富水性。

2）根据矿井地质报告及井田内钻孔分析，为确保安全，按相关规程规定，确定6311工作面开采时的水体采动等级为Ⅰ级，要求留设顶板防水安全煤岩柱。

3）根据确定的含水层类型和水体采动等级，按相关公式计算，6311工作面第1分层开采时，第四系防水煤岩柱45.0m，开采上限标高为－180m；第2、第3分层开采时，第四系防水煤岩柱分别为55.0m、60.0m，开采上 限标高 分 别 为 －190m、－195m。

4）6311工作面提高开采上限25m，可多回收煤炭资源9.4万t，增加经济效益7000多万元。

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