浅埋深薄基岩地表水体下厚煤层重复开采研究

李 磊

（天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013）



特殊采煤与矿区环境治理

浅埋深薄基岩地表水体下厚煤层重复开采研究

李 磊

（天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013）

浅埋深薄基岩工作面导水裂缝带存在导通含水层及地表水的可能性，最终造成工作面突水的威胁。基于鄂尔多斯某矿实际地质采矿条件进行分析，对煤层开采的覆岩破坏高度进行预计，针对地表水体留设了防水煤岩柱，最终得出了地表水体下厚煤层重复开采的方案，并实现了工作面的安全开采，为鄂尔多斯地区解决类似条件下煤炭资源的回采提供了参考。

浅埋深薄基岩；重复开采；导水裂缝带

我国西部煤炭资源，尤其是蒙陕矿区大多面临着浅埋深薄基岩水体下安全开采的难题。国内学者对此类问题展开了大量研究，并取得一定成果。薛东杰等基于相似模拟试验对浅埋深薄基岩采动裂隙演化规律进行研究，并提出柱式塌落型结构及其失稳判断准则［1-2］；王兆会等通过理论分析及数值模拟对浅埋深薄基岩高强度开采的覆岩破坏特征进行分析［3］；张玉军等通过现场实测、理论分析、数值模拟等手段对浅埋深薄基岩综放开采下的覆岩破坏类型进行分析［4］；贾明魁利用短砌体梁及失稳后呈台阶岩梁的力学结果对薄基岩厚松散结构进行理论分析并通过实测确定了覆岩破坏高度［5］；许延春等基于赵固一矿深厚松散层薄基岩条件下的覆岩高度实测确定其裂采比为8.59［6］；缪协兴等运用水文地质分析、岩相古地理分析等方法分析了神东矿区浅埋深、薄基岩、厚砂层溃砂原理及其特点［7］。但目前尚未对浅埋深薄基岩水体下煤炭资源的近距离煤层的重复采动引起的覆岩破坏及矿井的安全回采问题进行研究分析。本文以鄂尔多斯某矿实际地质采矿条件为基础，运用了水理力学测试、数值模拟、钻孔实测、理论分析等手段，对浅埋深薄基岩厚煤层水体下安全开采进行了研究。

1　矿井水文地质条件

鄂尔多斯某矿位于东胜煤田北部边缘，井田范围内赋存12层煤层，其中，2-3，3-1，4-1，4-2，5-1号煤层在井田内大部可采，矿井主采2-3 与3-1煤层，2-3煤层平均厚度约为3.6m，设计开采厚度为2.8～4.0m，3-1煤层平均厚度约为4.8m，设计开采厚度为2.8～5.5m，其中2-3煤位于3-1煤之上，其平均间距为36.2m，均采用综合机械化采煤法。

根据矿井的水文地质分析可知，矿井开采的主要充水水源包括大气降水、地表水、第四系孔隙水、基岩风化带含水层及煤系地层砂岩含水层。其中矿井采动最易导通第四系孔隙水及基岩风化带含水层，其中基岩风化带属透水且含水地层，渗透系数为0.1545～0.4673m/d，透水性良好，为中等富水类型。以基岩风化带底部为界，风化带及上部地层，以砂岩或泥质砂岩为主，不胶结或弱胶结，岩芯采取率低，钻孔冲洗液消耗量高，孔隙、裂隙较发育；风化带以下地层，由于风化作用逐渐减弱，胶结程度较好，岩芯采取率除煤层外，采取率相对较高，冲洗液消耗量相对较小，原生裂隙发育率相对风化带大幅减低。煤层的开采面临着浅埋深弱固结岩层水体下安全开采的问题。

2　3-1煤顶板基岩水理试验及覆岩结构类型判断

2.13-1煤顶板基岩水理试验

3-1煤顶板基岩以泥质砂岩、砂岩和砂质泥岩为主，岩石矿物组成以硅质矿物、碳酸盐类矿物和黏土矿物为主。砂岩类岩石矿物石英含量23.2%～55.4%，长石含量2.4% ～34.3%，方解石含量0～22.5%，黏土矿物10.6%～44.2%，以石英、钾钠长石和方解石占优，其次为黏土矿物；泥岩类岩石矿物石英含量19.9% ～25.2%，长石含量5.3% ～18.3%，黏土矿物56.8% ～74.8%，黏土矿物占优，其次为石英、钾钠长石和方解石类矿物。

岩石胶结物（硅质、铁质、钙质、泥质等）类型不同、含量不同，其岩石的力学强度有很大差别，硅质＞铁质＞钙质＞泥质。由本次取样样品的矿物成分分析结果可知，3-1煤顶板基岩均属于泥质胶结（黏土矿物），虽然该区岩石硅酸盐和碳酸盐类矿物占优，但是由于其成熟度低，泥质胶结，属软～中硬岩石。

通过进行矿物相对含量X射线分析的测定结果表明，黏土矿物以蒙托石类和高岭石为主，二者占77%～90%，其中具有较好膨胀性的蒙托石占45%～84%；其次为伊利石和绿泥石类矿物，占10%～23%。黏土矿物绝对含量占岩石总质量的10.6%～74.8%，平均39.05%，煤层顶板岩体具有一定的遇水软化特性，尤其是煤层顶底板泥岩类岩层具有遇水软化特性，有利于矿井采动裂隙遇水闭合。

2.23-1煤覆岩结构类型判断

3-1煤顶板基岩总厚度为141.9m，其中砂岩类岩层占比51.7%，泥岩类占比48.3%，其中粗、中粒砂岩自然状态下抗压强度为2.80～46.85MPa，属软弱-中硬类岩石；细、粉砂岩类自然状态下抗压强度为6.00～67.79MPa，属软弱-中硬类岩石；砂质泥岩类自然状态下抗压强度为7.4～29.0MPa，属软弱-中硬类岩石。

煤系地层基岩柱中岩石力学参数多为软弱-中硬类型，该煤矿2-3和3-1煤层上覆基岩柱以砂岩类岩石为主，经综合分析认为，该煤矿2-3，3-1煤层上覆基岩应属中硬偏软类型。

3　2-3煤层与3-1煤层开采覆岩破坏高度预计

覆岩破坏高度是水体下安全开采的重要数据，采用了地面钻孔实测与数值模拟相结合的方法对浅埋深薄基岩厚煤层开采的覆岩破坏高度进行了预计，取得了相关数据。

3.1地面钻孔实测

为了取得矿井煤层开采的覆岩破坏高度数据，在2-3煤层开采工作面地表施工了一组钻孔（LD-121，LD-122，LD-123），采用冲洗液漏失量观测与钻孔彩色电视观测相结合的方法进行了 “两带”高度实测，实测结果表明2-3煤层单层开采厚度为3.2m，导水裂缝带高度为49.3～57.1m，裂采比为15.40～17.84，垮落带高度为16m，垮采比为5（表1）。

表1　2-3煤层导水裂缝带高度实测结果

3.2数值模拟预计

根据水多湖川区域内钻孔柱状统计及岩石力学试验确定岩石力学相关参数，利用FLAC3D软件构建了数值模拟模型。模拟分析得出当2-3煤采厚为3.2m，3-1煤层采厚为4.0m时，重复开采的导水裂缝带最大高度为124.0m，如图1所示。

图1　工作面推进200m后覆岩移动变形数值模型

3.32-3，3-1煤层重复开采覆岩破坏高度预计

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》（简称 《“三下”采煤规程》）规定，两层煤叠加开采时，上、下层煤的最小垂距大于回采下层煤的垮落带高度时，上、下层煤的导水裂缝带最大高度可按上、下层煤的厚度分别预计，取其中标高最高者作为两层煤的导水裂缝带最大高度；当下层煤的垮落带接触到或完全进入上层煤范围内时，上层煤的导水裂缝带最大高度采用本层煤的开采厚度计算，下层煤的导水裂缝带最大高度则应采用上、下两层煤的综合开采厚度来计算，取其中标高最高者为两层煤的导水裂缝带最大高度。根据矿井实测数据，结合矿井钻孔柱状资料，取3-1煤层开采的垮采比为5，得出3-1煤层开采垮落带波及不到2-3煤层。因此分别按各煤层的实际开采厚度来计算导水裂缝带高度，依据矿井实测结果，2-3，3-1煤层的开采的裂采比均为17，计算得出2-3煤层开采厚度为2.8～4.0m时，导水裂缝带高度为47.6～68.0m；3-1煤层开采厚度为2.8～5.5m时，导水裂缝带高度为47.6～93.5m。取两者标高高者为两层煤开采的导水裂缝带最大高度，根据矿井钻孔统计资料得出，2-3，3-1煤层重复开采的导水裂缝带最大高度为57.10～111.55m。

4　地表水体下重复开采的可行性评价

基于重复开采的导水裂缝带高度预计，2-3，3-1煤层重复开采时需留设防水安全煤岩柱，保护层厚度取6倍采厚，基岩风化带厚度取43.4m。根据 《“三下”采煤规程》规定，防水安全煤岩柱最小尺寸应满足下式:

式中，Hsh为防水安全煤岩柱的垂高，m；Hli为导水裂缝带最大高度，m；Hb为保护层厚度，m；Hf为基岩风化带深度，m。

将各个钻孔实际地质参数代入式（1），并与基岩柱高度进行对比分析。结果表明重复开采区域3-1煤层顶板基岩柱厚度能够满足留设防水安全煤岩柱的要求，见表2。即2-3煤层以设计限厚（3.2m）和3-1煤层以沉积厚度开采时，可实现煤层的安全重复开采。由于水多湖川区域内钻孔控制差，若采厚发生变化时，应重新进行2-3，3-1煤层重复开采的可行性评价。

表2　2-3，3-1煤层重复开采区防水安全煤岩柱高度

5　矿井实际开采方案

根据矿井水体下开采可行性分析结果，按照对地表水体留设防水安全煤岩柱的要求进行了2-3 与3-1煤层的开采。根据工作面2-3与3-1煤层的上覆基岩柱厚度，对2-3煤层提出了限厚开采满足留设防水安全煤岩柱的方案；对3-1煤层基岩柱厚度满足留设防水安全煤岩柱的要求，提出了可以采取全厚开采的方案。目前工作面2-3，3-1煤层首采工作面均实现了安全回采，回采期间工作面涌水量约为20～30m3/h。

6　结 论

（1）结合基岩段的岩石水理试验分析基岩中黏土矿物绝对含量来看，其占岩石总质量的10.6% ～74.8%，平均占39.05%，含量相对较高；从黏土矿物的相对含量来看，煤层顶板岩层应表现出一定的遇水软化特性，特别是煤层顶底板泥岩类岩层具有遇水软化特性，为矿井裂隙遇水闭合提供有利条件。结合岩石物理力学性质确定出2-3，3-1煤层上覆基岩应属中硬类型。

（2）通过钻孔实测及数值模拟预计了2-3，3 -1煤层重复开采的覆岩破坏高度，得出2-3，3-1煤层重复开采的导水裂缝带最大高度为57.10～111.55m。

（3）结合钻孔实际地质参数，进行留设防水煤岩柱理论计算，最终确定论证区域的安全开采可行性，为矿井实际生产提供依据。

（4）制定了矿井的水体下厚煤层重复开采的方案，实现了两层煤的安全开采，为后续工作面开采提供了借鉴。

［1］薛东杰，周宏伟，任伟光，等.浅埋煤层超大采高开采柱式崩塌模型及失稳［J］.煤炭学报，2015，40（4）:760-765.

［2］薛东杰，周宏伟，任伟光，等.浅埋深薄基岩煤层组开采采动裂隙演化及台阶式切落形成机制［J］.煤炭学报，2015，40（8）:1746-1752.

［3］王兆会，杨胜利，孔德中.浅埋深薄基岩高强度开采工作面压架机理分析［J］.煤炭科学技术，2015，43（3）:1-5，9.

［4］张玉军，宋业杰.浅埋煤层综放开采覆岩破坏高度与特征［J］.煤矿开采，2014，19（6）:16-24.

［5］贾明魁.薄基岩突水威胁煤层开采覆岩变形破坏演化规律研究［J］.采矿与安全工程学报，2012，29（2）:168-172.

［6］许延春，李振华，贾安立，等.深厚松散层薄基岩条件下覆岩破坏高度实测分析［J］.2010，38（7）:21-23.

［7］缪协兴，王长申，白海波.神东矿区煤矿水害类型及水文地质特征分析［J］.采矿与安全工程学报，2010，27（3）: 285-291，298.

［责任编辑：徐乃忠］

Thick Coal Seam Repetition Mining under Open Waters with Thin Basement in Shallow

LI Lei
（Coal Mining&Designing Department，Tiandi Science&Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China）

The possibility of working face water flowing fractured zone with thin basement in shallow could connected aquifer and surface water was large，then the working face would faced water inrush risk，on the basis geological and mining situation of one coal mine in Erdos district，the broken height of overburden that caused by mining was predicted，and then the water proof coal pillar was layout for surface water，the thick coal seam repetition mining scheme under the surface water was put forward，then mining working face safety realized，it references for coal resource mining with similar situation of Erdos district.

thin basement in shallow；repetition mining；water flowing fractured zone

TD823.83

A

1006-6225（2016）04-0084-03

2015-12-10

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.04.022

国家科技重大专项资助项目（2011ZX05064）

李 磊（1982-），男，山东乐陵人，助理研究员，主要从事水体下采煤研究。

［引用格式］李 磊.浅埋深薄基岩地表水体下厚煤层重复开采研究［J］.煤矿开采，2016，21（4）：84-86.