水体下工作面开采上限确定及可行性分析

刘应龙

(山西汾西正善煤业有限公司，山西 孝义 032300)

按照“三下”开采规程中的规定，我国水体下采煤一般根据开采条件和水体防护要求，分别采用留设三种类型的安全煤岩柱，即，防水、防砂和防塌安全煤岩柱。本文根据已有实测资料分析研究软岩顶板条件下煤2开采导水裂隙带发育规律，为三采区首采面岩柱的留设，尤其是开采上限的确定提供了重要的依据[1-3]。同时，本文将根据上述结论，按照相关规程规范，确定三采区首采H2303工作面的安全开采上限，并论证其可行性。

1 工程概况

根据三采区H2303工作面区域勘探资料，水域施工钻孔仅揭露煤4底板以上地层，三采区首采面揭露地层自下而上为：朱壁店组、李家崖组、小楼组，第四系。该采区为全隐蔽的古近系含煤区，其中，李家崖组为主要含煤地层，分上、下两含煤段，该组厚度约96.30 m～151.37 m，平均总厚122.99 m，共含煤4层，即煤1、煤2、煤3及煤4。可采及局部可采煤层3层，即，煤1、煤2、煤4，平均总厚10.29 m，其中，煤2最大厚度5.93 m，为主要可采煤层，地层倾角一般小于15°。

H2303工作面横跨宽缓的HY向斜，煤层走向由西部的北北西向东逐渐过渡为北北东和北东向以及东南向，倾向由西西南向东逐渐转变为东东南和南东以及南西向。材料巷位是工作面南顺槽，沿煤2层施工，南侧存在SF-15断层，该断层三维地震解释落差20 m，走向北西西～南南西，倾向南南西～南南东，倾角60°～80°。轨道、皮带及回风巷揭露该断层时均无富水、导水现象。巷道正常掘进过程中受煤2及底板砂岩水影响，煤l油2含水层位于煤2顶板以上15 m左右，其底板与含油泥岩呈自然过渡接触关系。煤1油2层含裂隙水，富水性不均一，在三采轨道上车场施工的观8孔涌水量9.7 m3/h，局部富水性较好，水位稳定在-130.13 m左右。

H2303工作面基岩风化带厚度4 m(BH11)～18 m(BH7)，富水性极弱，具有隔水性，基岩上部基本为泥岩，具有较好隔水性，厚度38.20 m～99.23 m，平均70.26 m。隔水层的存在能较好地阻隔水与第四系水对下部含水层的补给作用。煤2上部其他含水层，如，泥灰岩含水层、泥岩夹泥灰岩互层含水层、煤l油2含水层富水性均从弱至中等，各含水层间不同程度地赋存有泥岩等隔水层，阻隔各含水层之间的水力联系。

H2303工作面在进行-200 m标高以浅开采时，煤层采厚在5.5 m左右，由于基岩厚度变薄，开采受第四系含水层及水体的威胁。因此，确定第四系水下渗底界面与开采后导水裂隙高度之间安全保护层厚度及其隔水性能成为开采安全关键研究内容，根据研究结果应该圈定出安全合理的开采范围。

2 防水煤岩柱的留设及评价

对水体下采煤的可靠性和安全性进行评价时，合理留设安全煤柱十分重要。结合分析结果，根据实际情况留设防水安全煤柱，确保导水裂隙带不波及第四系底部含水体(二含)，以确保三采区首采工作面的安全回采。

2.1 保护层厚度确定

根据三采区第四系松散层水文地质结构的分析和研究可知，第四系松散层底部一般无黏土层，基岩风化带厚度4 m(BH11)～18 m(BH7)，多为灰绿色泥岩或钙质泥岩，有效地阻隔了第四系与底部基岩的水力联系，起到了隔水层的作用[4-5]。

另外，根据在H2303工作面周围分布BH7、BH8、BH10以及BH12 4孔统计资料来看，该工作面周围基岩风化带厚度在7 m(BH8)～18 m(BH7)之间，根据现行“三下”规程的有关条款规定，结合三采区煤2覆岩“中硬偏软”以及松散层底部存在有效隔水层的实际条件，可按照“松散层底部黏性土层厚度大于累计采厚”的情况选取保护层厚度(Hb)，见式(1)。

Hb=3M

(1)

另外，根据以往陆地开采经验，保护层厚度一般取值不小于10 m，因此，本次评价当计算保护层厚度大于10 m，按计算值进行评价；计算保护层厚度小于10 m，取值10 m进行评价。

2.2 防水煤岩柱尺寸的计算

防水煤岩柱尺寸(Hsh)等于导水裂隙带的高度(Hli)加上保护层的厚度，见式(2)。

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Hsh=Hli+Hb

(2)

根据研究成果，防水煤岩柱尺寸的计算公式可以改写成式(3)。

Hsh=64.16+3M

(3)

式中：M为煤层开采厚度，m；Hsh为防水煤岩柱尺寸，m。

3 开采上限的确定

根据分析，三采区H2303首采面安全开采上限确定的主要关键要素统计如表1所示。

表1 三采区H2303首采面安全开采上限确定要素表

结合上述分析，三采区H2303工作面安全开采上限主要依据的要素有：第四系底界(基岩起伏面，见图1)、有效隔水层底界、采动导水裂隙带发育高度等。同时，为了减少露头煤柱的压煤量，最大限度地开采煤炭资源，本研究提出H2303工作面安全开采上限确定的基本思路为：在工作面临近开采上限时，采用减小开采厚度的方法，从而减少由煤柱留设造成的煤炭损失。即，在基岩厚度较大层段时，采用全煤厚开采方式，并以此为依据确定安全开采上限。当基岩厚度较小时，变煤厚开采，根据该矿目前采用的割煤机型号，采高变更为3 m(导水裂隙带发育高度取数值模拟结果35 m及拟合公式预测34.57 m中较大值，即取35 m)，以此为依据确定安全开采上限。

根据对三采区的地质、水文地质条件和开采条件的分析，推算出三采区H2303工作面不同采厚条件下的开采上限如表2所示。

根据计算结果，基于三采区现有的勘探程度，尤其是对采区H2303工作面水文地质条件揭露和认识的基础上，最终确定该工作面安全开采上限。

不同采厚条件下上限为：全煤厚开采：即工作面采用全煤厚6 m开采，安全开采上限为-160 m(实际计算值为-158.16 m)；

限煤厚开采：即-160 m以浅变更采煤厚度(3 m)，开采上限为-120 m(实际计算值为-121 m)。

图1 H2303工作面煤2安全开采区域划分图

表2 H2303工作面开采上限及标高

采厚由3 m增大到6 m过程中，即从只采3 m不放顶煤到顶煤全放过程中，需要注意循序放煤，以防止煤层采厚剧烈变化而导致导水裂隙带发育高度的急剧增大。

4 保护煤岩柱的承载能力评价

本文通过收集已有顶板隔水层的各项物理力学指标及参数评价特定厚度和性质的岩层阻隔水头压力的能力，特别是针对保护层的承载特性进行分析。本研究确定水的下渗界面为第四系“一隔”，其厚度平均20 m。根据《矿井地质工作手册》提供顶板承压条件下安全隔水层厚度评价方法，可以将H2303工作面顶板导水裂隙带以上到水下界面之间的岩层段看作隔水岩柱(约39 m)，与考虑水头压力条件下的所需的最小安全隔水层厚度进行比较，进而评价实际有效厚度是否能够满足承载水水头的要求[6]。评价公式如式(4)。

(4)

式中：H为安全隔水岩柱厚度，m；P为允许的顶板承压水头压力，根据水体及浅层地下水下渗界面，取0.38 MPa；L为工作面最大控顶距离，工作面最大控顶距离，通常以工作面最大周期来压步距代替，一般为20 m～30 m，本次评价取30 m；K为自然条件下的隔水岩柱抗拉强度，煤2顶板该段岩层平均抗拉强度2.02 MPa；为隔水岩柱的平均容重，平均容重2 200 kg/m3；r为安全系数，取1.5。

将上述各参数代入式(4)，可得承载目前水头压力需要最小安全隔水岩柱厚度为7.6 m，远小于“有效隔水煤岩柱”的厚度39 m。

从上述保护煤岩柱的承载能力评价来看，本次H2303工作面所留设的防水煤岩柱是安全的，可以确保安全开采。

5 结论

三采区的水文地质条件基本查清，所确定的第四系“二含”入渗下界面和水体采动类型可靠；利用多种手段研究海域三采区覆岩破坏规律，并总结提炼的顶板导水裂隙带发育高度计算公式，作为三采区开采安全评价的依据，结果可靠；根据相关规程要求确定了H2303工作面的安全开采上限，并对“有效隔水煤岩柱”的承载能力进行了评价，结果也同样偏安全；根据相关规程要求确定了H2303工作面的安全开采上限，并对“有效隔水煤岩柱”的承载能力进行了评价，结果也同样偏安全。

因此，本研究所确定的三采区H2303工作面安全开采上限总体上是可靠的，在严格按照本文提出的开采方案，留设足够防水煤岩柱的情况下开采不会影响到“二含”，也不会引起水体的下渗。