防水安全煤岩柱预留高度浅析

王 灿，王新建，万海文

(安徽省煤田地质局水文勘探队，安徽 宿州 234000)



防水安全煤岩柱预留高度浅析

王 灿，王新建，万海文

(安徽省煤田地质局水文勘探队，安徽 宿州 234000)

覆岩破坏高度观测是合理确定安全煤柱的一项重要研究内容。所谓覆岩破坏高度即指煤层开采后所形成的垮落带和导水裂隙带高度，它的发育情况直接决定着水体下采煤的安全性和可靠性。通过对1021工作面覆岩破坏高度的现场观测，可以了解五沟煤矿松散层底部存在粘土条件下的覆岩破坏规律，从而确定防水安全煤岩柱预留高度，其成果对于正确指导矿井安全开采具有重大意义。

垮落带；导水裂隙带；防水安全煤岩柱高度

五沟煤矿地处淮北市濉溪县境内，其中距宿州市35 km,北距淮北市50 km，井田属临涣矿区南部，童亭背斜的西翼中段，总体上受到断层切割，以向斜为主的复式褶皱的构造组合，地质条件中等复杂。井田面积21.6 km2，可采储量4 000万 t，4个主采煤层(7-2、8-1、8-2、10煤)平均总厚度10.69 m，煤种为主焦煤，矿井设计年生产能力60万 t，服务年限20 a。目前回采二叠系山西组10煤层，平均煤厚3.86 m。本次在1021工作面地面施工补17钻孔，主要任务是探明两带高度，保证矿井安全开采。

1 矿井地质

1021工作面位于南二采区的东翼，为南二采区首采面，1021工作面直接顶为泥岩，厚0～10.05 m，老顶为细、粉砂岩厚6.85～11.9 m，直接底为细、粉砂岩。

工作面主采10煤层上方覆盖273 m左右的厚松散含水层，特别是其底部20.1～30.15 m，平均22.1 m厚的第四系砂、砾石含水层，直接覆盖在煤层露头之上，对煤系地层进行间接渗透补给，给浅部煤层的安全开采构成了明显的威胁。见图1。

图1 煤层覆盖示意图及两带高度示意图

2 水文地质

1021工作面主要充水水源为10煤层上覆第四含水层、顶板砂岩裂隙含水层、断层水和底板灰岩含水层。

2.1 第四含水层特征

松散层深度0～266.40 m，厚度266.40 m， 四含底部以冲洪积～残坡积相沉积物为主，岩性复杂，以砂砾、粘土砾石、细砂、粘土质砂为主，夹4层砂质粘土、粘土、粘土夹砾石，粘土类多呈半固结状。上部以灰绿色、棕黄色、棕红色粘土、砂为主，夹粘土质砂，粘土致密，可塑性强，具有钙质结核和铁锰质结核，见静压滑面，四含岩性砂层中泥质含量高，渗透性差，补给条件差。

2.2 顶板砂岩裂隙水

深度266.40～325.81 m，厚度59.41 m，岩性由砂岩、砂泥岩互层、粉砂岩、泥岩和煤组成，含10煤组。由于该含水层在南一采区赋存厚度0～4 m，接近新生界底界面，风化裂隙多被充填，富水性较弱，该层段地下水属于半封闭—封闭环境，以储存量为主，补给来源有限，对1021工作面的安全开采影响较小。

2.3 断层水

工作面附近有一F6正断层，走向北东，倾向北西，倾角70°，H=0～20 m，属于压扭性断层。根据以往钻孔资料显示以及井下揭露资料分析，F6断层为不导水断层，对1021工作面开采影响较小。

2.4 底板灰岩水

底板到灰岩该层段正常间距为32～67.38m，平均间距47.20m。以泥岩与粉砂岩为主，中下部砂泥岩互层，底部有一段致密的海相泥岩，正常情况下对开采10煤起到一定的隔水作用，对1021工作面的安全开采影响较小。

3 工程施工

3.1 施工工艺

(1)先用φ110 mm无芯钻头钻进至三隔层位200 m，再用φ110 mm取芯钻头钻进至260 m后测井，然后用φ220 mm扩孔器扩孔至254.30 m，下φ168 mm套管进行止水。

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(2)止水合格后，采用φ91 mm取芯钻头钻进至基岩，测井后用φ146 mm扩孔器扩孔至273.85 m，下φ127 mm套管进行止水，在基岩钻进的同时做好简易水文观测和RQD观测工作。

(3)采用φ91 mm取芯钻头钻进至终孔后测井并做井下电视。

3.2 钻探取芯

钻孔从219.86 m开始取芯，松散层共取芯16层，合格16层，层次合格率为100%；基岩段含煤地层取芯进尺 61.41 m，采长44.15 m，平均采取率67%。基岩段全取芯并进行了岩石RQD值统计，据此对基岩岩体完整性进行了评价，岩石质量为劣，岩体完整性差。岩芯鉴定详细描述岩石的风化程度、节理、层理的发育程度和特征，划出破碎带。

4 彩色井下电视采集

钻孔施工完毕，在取得了数字测井资料后，用SJ-2型全景式井下电视数字采集器对钻孔进行井下数字电视采集。补17孔孔深325.81 m，新地层深度266.40 m，第一路套管下置深度为 254.30 m，第二路套管下置深度273.85 m；井下电视采集由地面开始，套管孔径较标准，未变形，井下电视测到315.24 m，套管底口 273.67 m，273.67～281井壁不完整，见裂隙并见微小掉块，281 m往下井壁破碎，裂隙发育，306 m开始仪器已经看不见井壁，破碎掉块严重。

5 两带高度的确定

5.1 确定依据

从钻孔的岩性、岩芯采取率、简易水文、孔口吸风井下电视等现象综合判断，松散层从219.86～256.92 m泥浆消耗量0.19～0.80 m3/h ，260 m泥浆全漏 ，262.29～281 m泥浆消耗量0.48～0.96 m3/h ，281.00～285.35 m泥浆消耗量1.76～3.2 m3/h ，285.35 m往下全漏。同步观测孔内水位，265～285.35 m水位29.5 m，285.35 m下部全漏，水位降幅很大超过150 m，后经过井下电视资料显示，水位在230.50 m。

基岩段岩芯垂直裂隙并不多见，但整体岩芯破碎，基岩段平均采取率只有74%，个别层位不到30%，整体RQD较低，302.11 m至终孔RQD几乎为0%，284.6～285.35 m岩芯见后生水平及纵向裂隙，从302.11 m开始钻具振动，卡岩芯时有吸风现象，钻孔垮塌严重。

5.2 确定高度

最终确定导水裂隙带起深281.40 m，止深317 m，裂高35.60 m。其中冒落带：302.11～317 m，高度14.89 m。导水带主要岩性为泥岩、粉砂岩、细砂岩。泥岩为灰色、深灰色，块状，性脆，破碎；粉砂岩为灰色，砂质结构，块状构造，岩芯破碎成角砾状；细砂岩为灰、灰白色，砂质结构，块状构造，见黄铁矿，岩芯破碎，垂直裂隙发育。

5.3 防水安全煤岩柱高度预留对比

依据《五沟煤矿含水层下开采煤岩柱合理留设研究》10煤层顶板覆岩类型属于软弱～中硬覆岩类型(Hb=2A～3A)。选用1021工作面最大采厚4.2 m，覆岩为中硬时冒落带带高度为13.04 m，防水安全煤岩柱保护层为

Hb=3A=3×4.2=12.6 m

防砂防砂煤岩柱垂高计算最大为

13.04+12.6=25.64 m

根据以往施工了三个两带高度孔，通过对比从表1可以看出最大冒高采厚比4.69倍为1016钻孔，计算确定的1021浅部工作面需要留设的防水安全煤岩柱高度为：4.69×4.2+12.6=32.3 m

从表2可知，本次施工的补17孔最大冒高采厚比为9.42倍。防水安全煤岩柱高度为：

9.42×4.2+12.6=52.16 m

表1 以往 “两带”高度发育特征测试成果表

表2 本次补勘“两带”高度发育特征测试成果表

6 结语

通过本次施工钻孔获取两带数据，计算防砂安全煤岩柱高度为52.16 m，对比原有1016钻孔最大防水安全煤岩柱高度32.3 m多留设19.38 m。按“三下”采煤《规程》计算的防水安全煤岩柱最大为25.64 m，比最大煤岩柱多留设26.52 m，因此，通过本次钻探确定的防砂安全煤岩高度开采是安全可行的。

[1]金连生，牟金锁.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程.北京：煤炭工业出版社.2000.

[2]国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局.煤矿防治水规定.北京：煤炭工业出版社.2009.

[3]李建.五沟煤矿1021工作面“四含”防砂煤岩柱合理留设论文.2012.

P641.47

B

1004-1184(2016)06-0081-02

2016-08-14

王灿(1982-)，男，安徽宿州人，工程师，主要从事水文地质、工程地质和煤田地质工作。