厚松散含水层薄基岩下厚煤层防水煤柱综放安全开采分析

常聚才，陈 贵，许文松

(1.安徽理工大学能源与安全学院，安徽淮南 232001;2.淮北矿业股份有限公司朱仙庄煤矿，安徽宿州 234111)

国内外在含水层下采煤时，为保障开采安全，主要采取留设防水或防砂煤柱的方法［1～3］，己经在不同矿区、不同富水程度的松散含水层下开采得到成功实施，并取得了大量的重要理论成果，如邻近松散承压含水层开采安全煤岩柱设计方法和突水防治原则与措施［4］，基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法［5］，水体下采煤留设安全煤岩柱的有效隔水厚度方法［6］，松散含水层突水危险系数防水煤柱确定方法［7］等。然而对两淮矿区厚松散含水层薄基岩条件下防水煤柱厚煤层安全开采研究很少，特别是厚煤层一次采全厚综放开采时，由于覆岩导水裂隙带高度增大，能否实现安全高效开采的研究较少，有必要进行深入研究。

1 工程概况

朱仙庄矿井田为一隐伏型煤田，上部为松散沉积物，下部为煤系地层，主采煤层上方覆盖巨厚松散含水层，可对煤系地层进行渗透补给，对浅部煤层的安全开采构成极大威胁。87采区是矿井最南部采区，主采煤层为8煤层，平均厚度10m，煤层倾角平均8°。煤系地层之上覆盖厚度为242.3～247.8m的松散沉积物，平均245m，发育4个含水层和3个隔水层，自上而下依次为第一含水层、第一隔水层、第二含水层、第二隔水层、第三含水层、第三隔水层(下称“三隔”)、第四含水层(下称“四含”)。初始为保证安全开采8煤层的开采上限设计为-280m，留有50～60m的防水煤柱，整个采区600多万吨储量作为防水煤柱无法开采，煤炭资源损失巨大。

2 水文地质特征分析

2．1 “三隔”分布规律及岩性特征

三隔分布较稳定，厚度平均80 m，据X射线衍射仪测定，其矿物成分主要以砂质粘土、粘土及钙质粘土岩为主，具有塑性强、膨胀性大的特点，其塑性指数为21～32，膨胀量为0.02～3.705。可见三隔具有较好的隔水性能，能有效阻隔下部含水层与上部含水层之间的水力联系，威胁87采区8煤安全开采的主要含水体为松散层下部的“四含”含水层组。

2．2 “四含”分布规律及沉积特征

采区内“四含”底界面标高为-216m～-225m，平均约为-222m，起伏变化不明显;“四含”厚度变化较稳定，为0～20m，平均厚度为5.6m。含粘量较高，为8% ～13%，且呈致密固结、半固结状态。抽水试验测定四含渗透系数K为0.017m/d，单位涌水量q为0.0009～0.0029L/(s·m)，甚至抽不出水，富水性弱，透水性差，垂直与水平补给均不太通畅，径流补给条件不畅。

2．3 基岩风氧化带特征

风氧化带厚10～20 m，占煤层覆岩厚度的80%以上，以泥岩、粘土质粉砂岩为主，岩石中粘土矿物含量较大，占65%左右，且岩石抗压强度低，浸水泥化程度较高。因此，基岩风氧化带具有较强的隔水性能，具有阻止和抑制导水裂隙高度发展的双重作用［8］。

3 综放开采覆岩移动破坏规律

3．1 物理模拟

以87采区地质及技术条件为背景，煤层厚度平均10m，倾角平均8°，走向推进长度200m，采用一次采全厚放顶煤开采。平面模拟模型的长、宽、高分别为3000mm、300mm、1200mm。依据相似准则，取几何比为 1∶100;容重比为 1∶1.67;应力比为 1∶167。

试验结果表明，随着工作面的继续推进，垮落带高度及裂缝带高度不断向上发展，但当工作面推进一定距离时，其高度基本保持不变。回采工作面推进200m后，垮落带高度为16.1m，垮采比为1.61，其两带高度发育特征见图1及表1。

图1 沿走向“两带”发育形态图Fig．1 Development morphology of the caving zone and the fractured zone in the strike direction

表1 不同推进距离时“两带”高度发育特征Table 1 Development characteristics of the caving zone and the fractured zone

3．2 数值计算

建立FLAC3D三维数值计算模型，模型沿走向长300m，沿倾向宽250m，模型高150m。模型中包括8煤层与顶底板岩层，煤层厚度平均10m，倾角平均8°，工作面倾斜长度为140m。三维网格共划分有171000个三维单元，共183804个结点。

根据塑性分析和破坏准则判别，8煤层采用一次采全厚放顶煤开采时，其覆岩最大冒高和最大有效裂高的位置见图2所示。由于基岩风氧化带风化程度较大，吸水后膨胀系数大，有效地抑制了冒落带和裂缝带的发育高度，最大有效冒落带高度发育到四含的底部，冒落带发育高度为16.2m。

图2 覆岩塑性破坏区分布Fig．2 Plastic damage distribution of the overlying strata

3．3 现场测试

为探明煤层开采后上覆岩层内垮落带和导水裂缝带的发育高度，在87采区二区段873综放工作面上方地表施工2个钻孔，采用钻孔冲洗液漏失量方法进行覆岩破坏高度测试。

1#钻孔第四系松散层厚度为246.15 m，采用清水作为冲洗液钻进至孔深295.75m，每次上下钻水位稳定在27.80～40.37 m。钻进至296.4m时发生了掉钻现象，提钻后孔深299.12m处的水位陡然下降(图3);303.42m深处孔口发生吸风现象，且在299.12～303.42m处层段掉钻现象十分频繁，可以判断孔深303.42 m处为垮落带顶点。1#钻孔处煤层底板标高为-296.67 m，周围50 m范围内采厚平均为7.85 m，通过分析计算，1#钻孔垮落带高度为11.34m，为采厚的1.44倍。

2#钻孔第四系松散层厚度为250.25 m，在271.65～280.15 m处孔内水位发生较大幅度回升现象，原因为钻孔穿过的泥岩遇水后经采动影响形成了再生隔水层。在孔深283.26m处，上钻水位迅速下降至218.6m(图4)。在283.26～286.37m深处层段发生掉钻现象，且上钻的水位观测不到，孔口出现吸风现象，可以判断孔深286.37m处为垮落带顶点。2#钻孔处煤层底板标高为-288.3m，周围50m范围内采厚平均为9.3m，通过分析计算得2#钻孔垮落带高度为15.74m，为采厚的1.69倍。

图3 1#钻孔水位随孔深变化曲线Fig．3 Relationship between water level and drill hole depth variation of NO．1 hole

图4 2#钻孔水位随孔深变化曲线Fig．4 Relationship between water level and drill hole depth variation of NO．2 hole

4 防水煤柱安全开采上限分析

由87采区水文地质特征分析，区内“四含”富水性极弱，补给条件差，且基岩风氧化带具有较强的隔水性能，主采煤层浅部覆岩属于软弱-极软弱型。根据《煤矿防治水规定》［9］和《建筑物、水体、铁路及主要巷道煤柱留设与压煤开采规程》(简称《规程》)［10］之规定，确定其为三类水体，可以设计留设防塌煤柱开采。

4．1 防塌煤柱高度留设

目前，对于大采高及放顶煤开采时，覆岩导水裂隙带和冒落带高度的确定，尚无经验公式。若采用《规程》中经验公式估算垮落带高度，选用软弱型覆岩计算，如式(1)～(2)。

当覆岩为软弱时，冒落带高度为:

当覆岩为极软弱时，冒落带高度为:

式中:M——煤层累计厚度，取平均厚度10m。

采用实验室相似材料模拟试验、数值模拟分析、现场实测及《规程》中公式计算的87采区综放开采垮落带高度发育特征如表2所示，可以看出，87采区8煤综放开采时垮采比最大为1.69，即开采10m厚煤层时，垮落带高度最大为16.9m。

因此，留设最大防塌煤柱高度为:

表2 不同计算方法获得87采区综放开采垮落带高度发育特征Table 2 Height of the caving zone in No．87 mining area by FMTC method with the full-seam

4．2 开采上限的确定

87采区综放开采合理的回采上限可以采用式(4)计算。

式中:Hsx——回采上限标高;

Had——“四含”底界面标高，平均-222m。

经计算，87采区综放开采合理的回采上限为-238.9m，考虑基岩面起伏等因素，为稳妥起见，确定开采上限的标高为-240m，即在-240m标高以下防水煤柱内采用一次采全厚的放顶煤开采是安全可行的。

5 工程应用及经济效益分析

87采区内布置 870、871、872、874 四个综放工作面开采-280～-240m之间的防水煤柱，各综放面开采地质及技术条件如表3所示。综放工作面配套ZF6000/17.5/28液压支架、MG300/720AWD采煤机、SGZ-764/630前后刮板运输机等设备，4个综放面实际回收防水煤柱煤炭400多万吨，每吨煤利润按150元计算，则产生经济效益60000万元。实现了厚煤层防水煤柱一次采全厚放顶煤安全开采，最大限度地回收了煤炭资源，产生了巨大的经济效益。

表3 开采防水煤柱综放工作面地质及技术条件Table 3 FMTC face geological and technical conditions under waterproof coal pillars

6 结论

(1)“三隔”具有较好的隔水性能，能有效阻隔下部含水层与上部含水层之间的水力联系;“四含”含粘性高、富水性极弱，补给条件差;基岩风氧化带具有较强的隔水性能，区内可以留设防塌煤柱开采。

(2)采用一次采全厚综放开采覆岩最大垮落带高度为16.9m，在-240m标高以下防水煤柱内实现了厚煤层一次采全厚安全高效开采。

(3)工程实践表明，研究结果可靠性高，87采区内回收防水煤柱煤炭400多万吨，最大限度地回收了煤炭资源，经济效益显著。

［1］ 康永华.兴隆庄煤矿提高回采上限的试验研究［J］. 煤炭学报，1995，20(5):449-453.［KANG Y H.The test of improving mining upper limit in Xinglong coal mine［J］ .Journal of China Coal Society，1995，20(5):449-453.(in Chinese)］

［2］ 涂敏，桂和荣，李明好，等.厚松散层及超薄覆岩厚煤层防水煤柱开采试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2004，23(20):3494-3497.［TU M，GUI H R，LI M H，et al.Testing study on mining of water proof coal pillars in thick loose bed and thick coal seam under ultrathin overlying strata ［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23(20):3494-3497.(in Chinese)］

［3］ 陈陆望，桂和荣，李一帆.UDEC模拟厚松散层及超薄覆岩条件下开采防水煤柱覆岩突水可能性［J］.水文地质工程地质，2007，34(1):53-56.［CHEN L W，GUI H R，LI Y F.UDEC simulation of the waterpouring probability in exploiting water proof coal pillars under the conditions of thick loose bed and ultrathin overlying strata［J］.Hydrogeology ＆ Engineering Geology，2007，34(1):53-56.(in Chinese)］

［4］ 刘天泉.露头煤柱优化设计理论与技术［M］.北京:煤炭工业出版社，1998.［LIU T Q.Theory and techniques for optimal design of outcrop coal pillar［M］. Beijing:ChinaCoalIndustryPublishing House，1998.(in Chinese)］

［5］ 许家林，朱卫兵，王晓振.基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法［J］.煤炭学报，2012，37(5):762-769.［XU J L，ZHU W B，WANG X Z.New method to predict the height of fractured waterconducting zone by location of key strata［J］.Journal of China Coal Society，2012，37(5):762-769.(in Chinese)］

［6］ 许延春.综放开采防水煤岩柱保护层的有效隔水厚度留设方法［J］.煤炭学报，2005，30(3):305-308.［XU Y C.Design methods of the effective water-resisting thickness for the protective seam of the water barrier in fully-caving mechanized coal mining［J］.Journal of China Coal Society，2005，30(3):305-308.(in Chinese)］

［7］ 孟召平，高延法，卢爱红，等.第四系松散含水层下煤层开采突水危险性及防水煤柱确定方法［J］.采矿与安全工程学报，2013，30(1):23-29.［MENG ZH P，GAO Y F，LU AI H，et al.Water inrush risk evaluation of coal mining under Quaternary alluvialwaterand reasonable design method of waterproof coal pillar［J］.Journal of Mining＆ Safety Engineering，2013，30(1):23-29.(in Chinese)］

［8］ 杜锋，白海波.厚松散层薄基岩综放开采覆岩破断机理研究［J］.煤炭学报，2012，37(7):1105-1110.［DU F，BAI H B.Mechanism research of overlying strata activity with fully mechanized caving in thin bedrock with thick alluvium ［J］.Journal of China Coal Society，2012，37(7):1105-1110.(in Chinese)］

［9］ 国家安全生产监管总局，国家煤矿安全监察局.煤矿防治水规定［M］.北京:煤炭工业出版社，2009.［State Administration of Work Safety， State Administration of Coal Mine Safety.Coal mine water prevention regulation［M］.Beijing:China Coal Industry Publishing House，2009.(in Chinese)］

［10］ 国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程［M］.北京:煤炭工业出版社，2000.［State Bureau of coal industry.Buildings，water，the railroad and the main roadway of coal pillars and mining coal for［M］.Beijing:China Coal Industry Publishing House，2000.(in Chinese)］