卜万奎

（菏泽学院，山东省菏泽市，274015）

潘谢矿区Ⅰ、Ⅱ型水体下防水煤岩柱留设探讨＊

卜万奎

（菏泽学院，山东省菏泽市，274015）

在研究淮南矿区煤田地质勘探工程的基础上，查明了巨厚松散层的水文工程地质条件，通过对比分析潘谢矿区巨厚松散层的岩性组合，将谢桥含水层的红层划分为隔水层；提出了在I、II型水体下存在下渗带的观点，分析了压架出水原因和防范技术措施，为确定潘谢矿区回采上限提供了科学依据。

巨厚松散层 红层 下渗带 煤岩柱留设 潘谢矿区

淮南矿区内第四系松散层厚169～437m，为巨厚松散强含水层，下部含水组直接与基岩面接触，局部为薄黏土层，富水性强、水量大。为保证安全开采，该矿区根据淮河南岸老区急（缓）倾斜煤层开采经验，强制要求各煤矿在开采设计时留设80m防水煤岩柱，造成近6亿t煤炭资源无法开采。因此，为提高矿区回采率，迫切需要对该矿区内防水煤岩柱留设的问题进行研究。

本文在大量试验和开采的基础上，依据《建筑物、水体、铁路及主要巷道煤柱留设与压煤开采规范》对潘谢矿区水体进行了划分和分析，以期为潘谢矿区提高开采上限提供参考。

1 水文地质条件特征

1.1 潘集矿区新生界松散含（隔）水层赋存特征

淮南煤田潘集矿区自新生界以来一直处于构造沉降带，形成了较厚的松散沉积物。该沉积物受古地形、沉降差异和新构造运动的控制，土性复杂。根据岩性组合特征及区域对比规律，谢桥矿区由上至下划分为上部含水组、上部隔水组、中部含水组、中部隔水组和底部“红层”，根据沉积物特征和赋水状况，潘集矿区内新生界含水层可分为下、中、上三个含水层（组）和上、中两个区域隔水层（组），见表1，其中下部含水层（组）是当前潘集矿区矿井开采的直接充水含水层，该层（组）沉积厚度分布、岩性组合、富水性等条件直接影响着矿区浅部煤层的开采。

1.2 谢桥矿区新生界松散含（隔）水层赋存特征

谢桥矿区松散层厚度194.10～485.64m，平均厚度363.26m；总体呈南薄北厚的趋势。南部古地形起伏明显，根据沉积规律和区域对比，以及《谢桥井田煤系上覆第三系“红层”隔水性评价补勘验证报告》重新对以往的划分作了适当的调整，可大致分为上部含水层（组）、上部隔水层（组）、中部含水层（组）、中部隔水层（组）及底部“红层”5部分，如表2所示。

表1 潘集矿区第四系含水组特征

表2 谢桥矿区第四系含水组特征

1.3 潘谢矿区新生界含、隔水层对比

淮南矿区松散层覆盖面积近532.51km2，可划分为潘集背斜区、谢桥背斜区两个水文地质单元。由于潘谢矿区煤田勘探过程中对巨厚新生界松散层勘探程度较低，特别是下部含水层的分布范围及其对压煤开采的影响程度的条件不清，淮南矿业集团先后对矿区潘集背斜、谢桥背斜两个水文地质单元的总体水文地质条件进行补充勘探，对比巨厚松散层沉积规律，含、隔水层组赋存特征及富水性，并对谢桥井田下部隔水层、潘集背斜区下部含水层进行详细对比和深入研究，已经查明新生界上部含水层、上部隔水层、中部含水层、中部隔水层在潘谢矿区全境稳定分布，但由于沉积环境变化，潘集背斜区中隔以下分布的是下部含、隔水层组，其中可分为下部含水层1、下部含水层2、下部含水层3和下部隔水层1、下部隔水层2、下部隔水层3分层；在谢桥背斜区，下含沉积缺失，中隔和下伏第三系（红层）隔水层合二为一，形成巨厚隔水层分布区，故对松散层压煤而言，潘谢矿区可分为潘集背斜区（潘一、二、三和潘北井田）和谢桥背斜区（谢桥、张集井田）两个水文地质单元。

2 水体类型分类

根据潘谢矿区下含水文地质条件，对照《建筑物、水体、铁路及主要巷道煤柱留设与压煤开采规范》水体采动等级的分类，综合分析认为：潘一、潘三井应属于新生界松散含水砂层水体下Ⅰ类水体采动等级类型，其煤层与顶板砂岩露头一般均被厚层含水较为丰富的中等偏强松散含水层所直接覆盖，煤层顶板砂岩弱裂隙含水层可接受上覆松散砂层富含水层定水头补给，其浅部煤层采掘工作面充水的可能性较大；潘二、潘北井和谢桥的张集部分井田应属于新生界松散含水砂层水体下Ⅱ类水体采动等级类型，其煤层与顶板砂岩露头上覆新生界粘土隔水层或具有多层结构的弱孔隙含水层，使煤层顶板砂岩露头上覆粘土隔水层缺失为弱孔隙含水层，因该类孔隙含水层富水性弱，导水性差，下渗补给煤层顶板砂岩弱孔隙含水层的水量十分有限，并受到两弱含水层的接触面积及砂岩弱孔隙含水层的导水性的限制。因此，该种条件较潘一、三井田条件防水煤柱留设最佳高度可以进一步提高。

由于近风氧化带防水煤柱顶板有下渗带的存在，当工作面采动冒裂带、离层带与下渗带沟通后，封存在下渗带的地下水便成为“迟到”的充水水源，致使近风氧化带煤层综采面会出现压架出水现象，这是一种不常见、但危害性较大的事故，是潘集矿区近风氧化带煤层综采面的一种新的、特殊的水害模式。所以在重点查明和分析新生界下部含水层岩性组合结构、厚度、埋深、富水性以及煤层、顶板砂岩露头与新生界下部含水层的接触关系的基础上，必须开展煤层回采中压架出水的研究，才能确定出潘谢矿区在Ⅰ、Ⅱ型水体下的防水煤岩柱尺寸。

3 Ⅰ、Ⅱ类水体下综放开采压架出水的研究

3.1 压架出水原因

综合分析压架出水工作面的水文工程地质条件、综采支架载荷及工作面的布置等因素，认为压架出水是由多种原因造成的。

（1）高水头压力下产生下渗带。由于出水工作面上覆承压含水层的水头压力值最高达到4.4MPa，高承压松散含水层水体在高水头压力的作用下，向煤系地层砂岩层间渗流，产生了“渗压不渗流”与缓慢的渗流速度并存的现象，从而形成了深度为67m左右的下渗带，这样下渗带水和下含水会对离层侧向补给。

例如潘二矿12126工作面上方为天窗区，覆岩为砂岩直覆型，直接顶、老顶砂岩皆发育有约40m的下渗带。

（2）下渗带深度内岩石工程力学性质。在下渗带深度之内下含水与煤系地层的砂岩裂隙水产生了一定的水力联系，由于高水压下下渗带的存在，使这个深度内的岩石的含水量增大，导致近风氧化带岩石抗压、抗拉等工程力学性质降低。由于近风氧化带力学指标岩石强度的降低，老顶初次来压时，煤壁片帮，支架承受老顶压力，支架走不动。下含水压力和顶板压力全部作用在支架上。

潘三矿1412（3）工作面，与其他压架出水面的水体类型、支架载荷类似，而且水压高达5.3MPa，但却没有发生压架出水。究其原因，主要是由于该工作面顶板覆岩中直接顶和老顶皆为砂质泥岩和粉砂岩，不发育下渗带，因而采动中控顶区顶板的水文工程地质条件变化不大，由于没有下渗带水的参与及其导致的水文地质工程地质条件恶化，因而，开采中未发生压架出水。

（3）综采选用的支架支撑阻力小，导致控顶区下沉量大。由于选用的支架支撑阻力小，控顶区上方出现离层和竖向裂隙，一方面使上覆砂岩裂隙含水体及下渗带含水体沟通；另一方面控顶区产生的离层结构面对岩体力学性质、渗透特性及水力耦合过程起控制作用，顶板砂岩中的水体在这样的控制作用下也就会出现沿控顶区离层层面出水的情况。

（4）初次来压控顶区顶板下沉量大。分析潘一矿1402（3）工作面，当工作面矿山压力显现剧烈时，煤壁前方顶板压力大，顶板下沉速度快，即煤体垂直位移速度大，煤壁片帮严重，造成顶板无支护面积的增大，顶板产生离层、位移、脱落，直至大范围漏顶。另一方面由于煤壁抗压强度小，煤壁下沉，一端岩梁的重量大部分靠支架承担，支架最大支撑阻力小，支架下沉，造成压架，顶板下沉量加大，形成顶板离层。

（5）高承压水作用下顶板下沉。在高承压水直接覆盖条件下，近风氧化带以下至60m煤柱受到渗水的影响，煤抗压强度降低，当老顶初次来压时，由于煤壁片帮，老顶作用力全部作用在支架上，由于支架的初撑力小，造成支架被压，不能移动，立柱穿底，卸压阀全部打开，造成顶板下沉产生离层。这样离层积水和下含水就会通过导水离层进入控顶区。

（6）随着压架时间延长，离层空间增大，水平向与下渗带内的底含水沟通，形成控顶区离层带积水，并进一步软化顶板，下层量继续增加而发育垂向裂隙，并与离层沟通，从而发生控顶区涌水。

总的来说，巨厚松散层下浅部煤层开采工作面受不同工程地质水文条件（包括顶板岩性组合、软弱坚硬、含隔水层空间组合、是否发育下渗带等）、顶板控顶区与不同采矿工程条件（主要为采厚、支撑阻力、采煤方法）的相互作用，是回采工作面出现压架出水的根本原因。

3.2 压架出水防范措施

（1）依据顶板分类法及经验类比法对含水体下工作面开采的支架合理选型。当在Ⅰ类水体下进行综采时，为防止压架出水事故的发生，选用初撑力较大的支撑掩护式支架。

（2）在有条件的情况下，注浆加固煤壁，使煤壁强度增大，提高煤壁支撑力。

（3）加快工作面开采速度，尽量做到工作面连续均匀推采，以缓解工作面控顶区上覆岩层破坏发育速度。

（4）加强顶板离层变形监测和工作面矿压监测，以及出水点的水位、水量和水质的监测，及时掌握顶板离层、工作面矿压和出水的变化规律，同时要保证排水系统畅通。

4 潘谢矿区缩小防水煤岩柱工程实践

4.1 Ⅰ类水体工程实践

潘一矿1402（3）工作面上方基岩风化带厚约10～22m。工作面西部倾向方向600m范围内13－1煤层直接被老顶砂岩覆盖，自西向东留设66～73m的防水煤岩柱，自下而上依次为：细砂岩、粘土岩及砂质粘土岩、中细砂岩、泥质砂岩和粘土岩。该工作面共发生4次突水。其中，第一次突水是由于新生界下部含水组水通过煤系砂岩裂隙而进入工作面，出水位于工作面第一次综采压架处，出水水量36m3/h，出水时间较长，造成1402（3）工作面生产环境恶化、一度无法生产。后3次出水水量18～40m3/h，为顶板砂岩裂隙水，出水时间较短。综合分析其工作面的压架出水，是因为下含富水性较强，又直接与基岩面接触，加之近风氧化带裂隙较发育，使得下含水进入近风氧化带，随着近风氧化带含水量的增大，必然导致岩石强度降低，老顶初次来压时，下含水头压力和顶板压力全部作用在支架上，支架承受老顶压力和下含水压力等压力的作用，支架走不动而压架。而当工作面无法正常推进时，下含水和离层、下渗带水沟通，渗入工作面，致使工作面出水。从潘一矿1402（3）工作面充水压架情况来看，在煤岩柱80m左右，用初撑力为4000kN的液压支架在潘一矿进行开采时，导通了导水裂隙带，产生了压架出水，因此，初撑力为4000kN的液压支架无法实现综采。经实践研究，改用德国的W S1.7－2.1/4.5型两柱式掩护液压支架，其初撑力为4908kN，额定工作阻力6708kN，同时，根据导水裂隙带的高度，将防水煤柱的高度由80m缩小为56m，取得开采成功。

4.2 Ⅱ类水体工程实践

潘二矿井田内基岩及煤系地层均隐伏在新生界巨厚松散层下，松散层总厚为139.41～347.26m，并可分为上、中、下3个含水层和两个隔水层，下部含水层厚0～77.64m，是矿井直接充水含水层，底部松散含水层水压值2～2.78MPa，矿井设计中暂留80m的防水煤岩柱。该采区处在天窗区。顶板为风化中粒砂岩，在试采中出现顶板砂岩裂隙水与下部松散含水层相连通，16018回采工作面出现淋水，稳定水量为5～8m3/h。分析其充水原因是因为在工作面刚推进时，顶板砂岩裂隙水与下部松散含水层相连通，即沟通了下渗带，下含水便通过通道在工作面产生了压架出水。后改用高档分层普采或炮采，由此缩短了导水裂隙带的高度，并根据导水裂隙带高度、下渗带的高度、高档分层普采或炮采工作面条件，将防水煤岩柱缩小为42m，使得开采获得成功。

5 结论

通过对潘谢矿区水文地质条件的研究，得出：

（1）在Ⅱ类水体下存在下渗带；

（2）Ⅱ类水体下将开采方式由综采改为普采或炮采，Ⅰ类水体下综采开采过程中提高支撑掩护支架工作阻力，可以缩短防水煤岩柱。

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Research on setting water－proof coal－rock pillar under water bodies of type I and II in Panxie Colliery

Bu Wankui
（Heze University，Heze，Shandong 274015，China）

Based on the research of exploration engineering for coalfield geology，the conditions of hydro－geology and engineering geology of super－thick loose bed are detected in Huainan Colliery.Through the comparative analysis of the lithological association of super－thick loose bed in Panxie colliery，the red bed in Xieqiao aquifer is classified as water－resisting layer.Then the view of the existence of downward infiltration zone under water－bodies of type I and II is proposed，and the causes and preventive technical measures of water outlet induced by support compression are also analyzed，which have provided scientific basis for determination of the upper extraction limit in Panxie colliery.

super－thick loose bed，red bed，downward infiltration zone，setting coal－rock pillar，Panxie Colliery

P641

A

中国博士后科学基金（20110491486）；菏泽学院科研基金（XY10BS04）

卜万奎（1981－），男，博士，菏泽学院教师，中国矿业大学土木工程专业博士后，现主要从事采动岩体力学与工程方面的研究。

（责任编辑 张毅玲）