关于合理缩小防水煤柱可行性分析中若干要点问题探研

文/吴卫，安徽省煤田地质局第一勘探队

关于合理缩小防水煤柱可行性分析中若干要点问题探研

文/吴卫，安徽省煤田地质局第一勘探队

为最大解放和实现安全回收防水煤柱资源量，淮南矿区对于巨厚松散层下浅部煤系露头带的研究日趋深入。在通过勘探手段取得水文地质、工程地质资料后，对于“水体类型”、“覆岩类型”、“两带高度公式选取”、“保护层及剩余煤柱留设”等要点的把握，成为合理缩小防水煤柱方案建立的核心。本文以顾桥北二采区作为研究对象，引出问题并提出解决方向。

近水体采动等级；覆岩类型；两带高度；防水煤柱

研究区概况

顾桥矿井位于安徽省淮南市凤台县西北约20km处，行政区划隶属凤台县顾桥镇管辖。井田内煤系地层被厚224.10～576.00m的新生界松散层所覆盖，松散层沉积厚度受古地貌形态控制，总体分布形态呈西北高、东南低的趋势。

由于北二采区新生界水文地质勘探程度严重不足，不能满足松散砂层水体下提高上限开采需要。2016年，顾桥矿对本区新生界水文地质条件进行补勘。完成后，根据《“三下”开采规程》、《矿区水文地质与工程地质勘探规范》、《煤矿防治水规定》，结合钻探、抽水、取苾、力学资料。进行缩小防水煤柱可行性建立工作。从而引出对以下4个要点问题的探研。

1 近水体等级划分中“水体类型” 的确定

浅部煤系上部“水体类型”建立的正确与否，直接影响到近水体等级的划分，基岩上方是否能够形成稳定连续的粘性土，以阻隔上部水体对浅部煤系产生补给，是问题的关健。

北二采区存在“天窗”与“非天窗”区，浅部煤系上覆有“下含”、“下隔”、“红层”三类岩体，研究发现。本区红层单位涌水量0.00026 L/(s.m)，属弱富水含水层，天然状态下处于封闭状态。

淮南煤田一般将“红层”作为隔水层使用，主要源于丁集抽水试验资料中“红层裂隙不发育，水位标高-7.363m（2010年6月），抽水5小时后无水，富水性弱～无水”这一论述，同时，张集、刘庄井田也因“红层裂隙不发育，钻进中无耗、漏水现象”，将此层作为隔水层使用。

本次红层抽水发现，砂砾岩厚度6.60m，为灰白色，砾径10～11 0mm，主要为石英砂岩，细砂岩，见水蚀现象。上细砂岩见水蚀现象。静水位标高+2.866m，小时涌水量0.076m3/h，水位降深80.68m，恢复水位标高-1.904m，渗透系数0.0026 m/d，影响半径41.14 m。抽水时，水位待续下降，约4-5小时至80.M左右稳定。停抽时，水位恢复缓慢，72小时后水头损失4.77m。恢复水位低于静止水位。显示地下水径流不畅，为静储量消耗型特征，含水层处于封闭状态。单位涌水量0.00026L/（S.m），富水性弱。

分析认为，当“下隔”依驸于“红层”时，因红层的隔水性，“下隔+红层”构成了新生界底部复合隔水层（组）。“下隔、下隔+红层”作为“非天窗区”，对浅部煤系起到保护作用。

当“下含”依驸于“红层”时，“红层”的封闭环境被干扰，“下含+红层”层段，红层砾石可能因上部水体开采影响产生扰动，隔水性能降低。同时在上部水体水压的作用下，红层含水性可能因压迫而增强，因此，当下隔缺失，红层与上部含水砂层直接接触，形成“下含+红层”时，应将红层作为弱含水层对待。

根据上述分析。在厘清红层含、隔水性的情况下，近水体采动等级划分中的“水体类型”随之改变，对于采区划分Ⅰ、Ⅱ类水体等级产生影响。

2 主采煤层顶板岩特征对覆岩类型划分的影响

根据采区浅部煤系60m内的岩层特征—即各主要开采煤层顶板的岩性、岩性组合和稳定性以及工程地质特征，对照“三下”开采规程附录六中的附表6-1，对覆岩岩性类型进行划分。

力学强度有试验室实测及声速测井两类值，力学实测存在岩样因保存不当强度降低的问题，而声速测井中标定值的选取，成为抗压强度值是否可靠的主要因素，研究发现，上述资料应以力学实测值为重，声速测井值具有良好的软、硬岩对应关系，可区分强、弱，但因标定值的不确定常导致误差出现。

对于浅部煤系砂岩、粉砂岩、泥岩的层段比例及力学强度，采用加权平均法进行统计，进而通过其反映特征完成覆岩类型的划分。

以浅部13-1煤为例：煤层顶板岩性以泥岩为主，所占比例为6 9.30%，厚度29.75（露头带）～28.85m（北二采区极值），单轴抗压强度平均为19.58Mpa（露头带）～ 28.95 Mpa（北二采区），砂岩比例仅为20.84%。4）13-1煤顶板通过抗压强度厚度加权平均，其值为32.61～49.35 Mpa，平均36.92Mpa，覆岩介于中硬（20～40Mpa）范围之间。划为中硬覆岩类型。

按此方法对11-2、8、6-1、1煤类型进行划分，研究区内均为为中硬类型。

3 落带和导水裂缝带预计中“三下公式”与“经验公式”的对照

“三下”采煤规程采用的两带计算公式，反映出的是矿井规律共性特征，而“经验公式”，则针对某一地区而言，为历年取得实际参数建立，符合本地变化规律，但局限性明显。淮南矿区早在八十年代就有两带高度预计的相关纪录，因此，本次采用“三下公式”及“经验公式”两种方法进行对照计算，以期选择合理取值范围，提高精确度。

3.1 “三下”采煤规程公式法

根据“三下”采煤规程附录六中附表6-2的计算公式，按照中硬覆岩类型，对13-1煤的垮落带和导水裂缝带高度进行预计；

计算结果：

垮落带高度 8.474-12.87M 导水裂缝带高度 34.649～45.85M.

3.2 淮南矿区“经验公式法”

从采矿角度出发，按覆岩岩性及组合，可将直接顶及间接顶简化、归纳为坚硬-坚硬、软弱-软弱、软弱-坚硬、坚硬-软弱四种类型。根据采区浅部煤系60m内岩层特征，选择其中“无周期来压顶板、中硬覆岩”经验公式，进行13-1煤垮落带、导水裂缝带计算；垮落带（Hm）公式与“三下公式”相同。导水裂缝带（Hf）公式如下：

计算结果：垮落带 Hm=8.47～12.87m； 导水裂缝带：Hf=34.04～44.23m。

由此完成采区11-2、8、6-1、1煤的垮落带、导水裂缝带计算。

3.3 预计结果选择 采用上述两种公式计算对照发现：除“经验法”计算1煤导水裂缝带最大值65.87M，较“三下”公式计算最大值60.28M较大、11-2煤坚硬覆岩导水裂缝带计算值75.64较“三下”公式计算最大值61.82较大，其他数值均较为接近。考虑至经验公式法的局限性和时效性，按照就高不就低的原则，选用本选用“三下”公式计算结果，矿区经验公式仅供参考。

4 保护层及剩余煤柱厚度的留设

不同水体类型对安全煤岩柱高度留设产生影响，采区新生界底部复合隔水层（组）赋存稳定与不稳定共存，因此，选择隔水性较好的层段，以,作为防水岩柱和保护层利用，成为区合 理 留 设防水煤柱的关健。

近水体采动等级Ⅱ类，可以留设顶板防砂安全煤岩柱。即允许导水裂缝带波及松散弱含水层或已疏降的松散强含水层，但不允许垮落带接近松散层底部。其垂高应大于或等于垮落带的最大高度加上保护层的厚度。。

研究分析，本区Ⅱ类区块，新生界底部复合隔水层（组）赋存稳定，可作为防水岩柱和保护层利用，根据本区“下隔+红层”的形态特征，在保护层上部，再保存一定的剩余煤柱，与淮南矿区经验作法相符。对于提高浅部煤系安全系数效果明显。由此，首先按“三下”开采规程要求留设防砂安全煤岩柱，在按中硬3倍采厚留设保护层的基础上，再在此以上层段，留设出一定厚度的剩余煤柱。以此计算出13-1煤层防砂安全煤岩柱高度，“下隔+红层”厚5.83～1 7.90m，按平均煤厚4.07m，冒高采厚比3.16，予计垮落带最大高度1 2.87m。按平均煤厚的3倍计算保护层厚度为12.21m，应留设25.08m防砂煤岩柱。建议留设30m防砂煤岩柱。尚有4.92m剩余煤柱存在。

由此，11-2煤层应留设27.23m防砂煤岩柱。建议留设30防砂煤岩柱。尚有2.77m剩余煤柱存在。8煤层按平均煤厚2.67m，应留设1 8.67 m防砂煤岩柱。建议留设20.00m防砂煤岩柱。尚有1.33m剩余煤柱存在。1煤层按平均煤厚6.32m，应留设34.14m防砂煤岩柱。建议留设40..00m防砂煤岩柱。尚有5.86m剩余煤柱存在。

由上述参数作为基础，计算安全煤柱 留 设 高度，确定：采动等级Ⅱ类区块，留 设20.00～40.00m 安全煤柱。即按淮南煤田部分矿区常规防水煤柱80.00m留设比较。Ⅱ类区块缩小40.00～60.00m防水煤柱。达到缩小防水煤（岩）柱，提高煤层回采上限的目的。

5 结语

通过对浅部煤系1）水体类型 2）覆岩类型 3）两带高度 4）保护层及剩余煤柱厚度留设4个要点问题的探研，北二采区对于巨厚松散层下浅部煤系露头带的研究思路逐渐清晰，在达到合理缩小防水煤柱目的的同时，其工作方法和技术手段也得到认可，为今后开展此类工作提供了借鉴方向。

（1）安徽省煤田一队：《顾桥矿北二采区新生界水文地质条件补勘报告》，2016；

（2）王宏等：《矿井水害防治技术》 煤炭工业出版社，2007；

（3）武强等：《煤矿防治水规定释义》 中国矿业大学出版社，2009。