李要锋 李海生

(国投煤炭郑州能源开发有限公司)

水库下采煤安全性分析

李要锋 李海生

(国投煤炭郑州能源开发有限公司)

水体下安全采煤是煤矿面临的技术难题之一。针对某矿31采区的煤层覆存、地质构造、水文地质等具体地质条件及五星水库的现状，运用力学理论、经验公式和数值模拟等多种方法分析了水体下采煤的安全性，得出覆岩破坏发展的一般特征，多种方法预计覆岩破坏高度相差不大，在矿井缺乏实测条件的情况下，预计导水裂缝带高度更接近实际，限高5 m、最大采高7.5 m时，导水裂缝带发育高度最大值分别为76.01,96.3 m。结果表明，五星水库下进行煤层全采是安全可行的。

水下采煤 导水裂隙带 数值模拟 覆岩变形

某矿地表有杨河、魔洞王河及魔洞王水库、董家沟水库、红石峡水库，其中五星水库位于该矿31采区上方，估算压煤面积约30万m2，压煤量可达500多万t。回采水库下压煤，对于缓解该矿资源压力，保持矿井正常接替意义重大。

1 矿区及水库概况

31采区位于某矿的东部，计划采用单翼开采，采区上山布置于32采区东部边界，区内共划7个工作面，分别为31131，31111，31091，31071，31051，31031，31011。31采区整体为单斜构造，局部煤底板起伏较大。31采区上限标高为+20.0 m，下限标高为-357.0 m，地面标高为+170～+223 m，走向长2 092～2 151 m，倾向长1 086～1 398 m，面积为2 791 453 m2。采区地面有五星水库、村庄和工场，区内地势南高北低，沟谷发育，黄土覆盖层较厚，无地层出露。

五星水库位于31采区中部，库容量达30万m3，水域面积约63 060.67 m2，平均水深3.13 m，储水量约197 341 m3，库底标高为+178.34 m(最深3.8 m)。深度边界为水体的底界面，距二1煤顶部204 m，中部394 m，南部252 m。堤坝位于31采区的中下部，如果为堤坝留设保护煤柱，将对31091、31111、31131等工作面开采布局造成影响。

2 覆岩结构特征分析

根据水库附近的7个钻孔柱状图，其中4-补22钻孔位于31131设计工作面中部南侧，4-补79 钻孔位于31111设计工作面东部，5-补23钻孔位于31131设计工作面西侧，而5-补80钻孔则位于31091设计工作面西部，即五星水库大坝西北侧，5-补39钻孔位于31051设计工作面开切眼北侧，6-补78 钻孔位于31131设计工作面最西部31采区轨道上山附近，6-补7钻孔位于31091设计工作面西部。钻孔图与工作面相对位置见图1。根据钻孔资料，将各功能岩层厚度汇总，见表1。利用Matlab绘制煤层底板标高与基岩面高度示意图(图2)。

图1 31采区工作面布置及钻孔

为充分了解五星水库下的地质特征，运用曲线拟合软件，对五星水库附近的7个地质钻孔的各个功能岩层分类汇集圈连，可以比较直观地了解水库下的表土层及基岩厚度的发育规律，见图3、图4。

从图2～图4可以看出：

(1)在水库范围内，地表松散层厚度普遍较薄，从水库的浅水部至深水部，表土层厚度有增加趋势。

(2)从浅水部到深水部，基岩厚度逐渐增加，有利于水体下安全开采。同时基岩内的隔水层总体上也增厚，加大了阻隔水库水下渗的能力。

表1 钻孔资料汇总 m

孔号第四系厚度钻孔孔口标高基岩面埋深基岩面标高基岩厚度煤层厚度煤层底板埋深煤层底板标高5-补3915.17195.3315.17180.16201.3614.61231.59-36.266-补78.00197.788.00189.78354.119.44371.48-173.705-补8010.05192.5310.05182.48310.618.05329.61-137.084-补7921.32196.2026170.2349.805.5376.53-180.336-补7822.72198.3822.72175.66419.0012.51454.18-255.805-补2328.90190.6930.46160.23395.968.17424.06-233.374-补226.05192.296.05186.24412.366.61424.45-232.16

图2 基岩厚度示意

图3 表土层厚度分布

图4 基岩厚度分布

(3)顶板隔水层从浅部向深部逐渐增厚，但厚度总体较薄，处于导水裂缝带内，基本不具有隔水性。

(4)煤层顶板含水层厚度有渐增趋势，水库正下方总体较厚，5.10～16.56m，为采区的直接充水水源。由井田抽水资料可知，顶板含水层含水量小，对矿井安全生产影响不大。

3 覆岩岩性分析

按照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》规定，在缺少实际观测资料的矿区，可结合本区域上覆岩层岩性的综合评价系数、地质条件、开采技术条件等确定上覆岩层岩性特征。31采区煤层上覆岩层主要由中、细粒砂岩，粉砂岩，砂质泥岩，泥岩等互层组成。经综合统计分析得，砂岩、粉砂岩、泥岩所占的比例大致为0.34∶0.08∶0.58，说明覆岩岩性属软弱偏中硬型[1-2]。为确保水体下采煤的安全，其导水裂缝带最大高度按中硬和软弱覆岩2种岩性进行综合分析计算。31采区表土层普遍较薄，受煤层倾角的影响，水库范围内基岩厚度变化较大，201.36～412.36m。覆岩岩性构成中，软岩占比重较大，有利于阻隔水库水向下渗漏。

4 防水安全煤岩柱设计

4.1 计算点选取

保护煤柱的设计应首先考虑井下开采的安全性。在确保安全的前提下，根据矿井地质条件，尽可能减小煤柱尺寸，减少煤炭损失。在设计水体范围内保护煤柱时，选取的计算点应具有代表性，并尽可能多。限于井田范围内的地质钻孔资料缺乏，分别在水库的上、中、下部及堤坝附近共取8个特征点计算，特征点分布见图5。

图5 特征点布置

4.2 覆岩破坏高度分析

根据选定的特征点，分别对每个点的导水裂缝带破坏高度及裂缝带发育最大标高进行计算，特征点的标高、煤厚根据钻孔柱状图及煤层底板等高线图确定[3-4]。全采7.5m时覆岩破坏高度统计见表2，限厚5m时覆岩破坏高度统计见表3。

表2 全采7.5 m时覆岩破坏高度

表3 限厚5 m时覆岩破坏高度

综合以上计算结果，将水库平面图与水库下覆岩破坏高度均按1∶1绘制，则垮落带与导水裂缝带发育高度可用图6表示。

图6 覆岩破坏发育高度示意

由图6可以看出，31采区各工作面的导水裂隙带高度与水库底界面的垂直距离均在120 m以上。越靠近水库下游，该安全距离越大，有利于实现水库下安全开采。

4.3 煤岩柱尺寸计算

防水安全煤岩柱是为防止煤层上水体流入井下而在煤层开采上限与水体底边界之间留设的煤与岩体的总成[5]。在工程实践中，出于安全考虑，防水安全煤岩柱高度常用导水裂缝带高度与保护层厚度之和表示，即

Hsh=Hli+Hb,

(1)

式中,Hsh为防水安全煤岩柱高度，m；Hli为导水裂缝带最大高度，m；Hb为保护层厚度，m。

在缓倾斜条件下，保护层厚度取值见表4。

表4 防水安全煤岩柱的保护层厚度 m

埋藏条件松散层底部黏土层厚度大于累计采高松散层底部黏土层厚度小于累计采高松散层全厚小于累计采高松散层底部无黏土层坚硬岩层4A5A6A7A中硬岩层3A4A5A6A软弱岩层2A3A4A5A极软弱岩层2A2A3A4A

注：A为累计采高与分层层数的比值。

由表1和图3可知，地表松散土层平均厚16m左右，大于煤层采高。根据表4，31采区防水安全煤岩柱的保护层厚度按软弱和中硬2种方案计算，得水库下保护层厚度分别为2倍和3倍的回采高度。导水裂隙带高度按照预计最大值计算，煤层厚度按照实际情况选取。计算得出保护层厚度及水库下防水安全煤岩柱厚度，见表5。

表5 防水安全煤岩柱高度 m

计算点号导水裂缝带高度Hli软弱中硬保护层厚度Hb软弱中硬防水安全煤岩柱Hsh软弱中硬水库底部距保护带上限距离/m软弱中硬1#48.6162.611116.559.6179.11138.19118.692#56.1569.5212.418.668.5588.12160.47140.93#59.5072.421319.572.591.92172.2152.784#66.478.1214.221.378.692.32188.7174.985#63.6273.3813.219.876.8293.18200.58184.226#73.2996.301522.588.29107.97217.71198.037#66.478.1214.221.380.699.42237.9219.088#68.7380.5114.421.683.13102.11249.07230.09

由表5可知,在各计算点处，按实际采高计算，水库底部距保护带上限距离最小为118m，最大为230m，即考虑导水裂缝带发育状况与保护层厚度之后，上覆岩距水库底边界仍有118～230m的余量。由地质勘探资料可知，上覆岩层多为泥岩、砂质泥岩、砂岩互层，且泥岩占比较大，有利于形成隔水层，完全可以阻隔松散含水层及地表水体与导水裂隙区的通道。水库下限厚5m回采，则采煤安全性更高。

5 水库下开采可行性分析

根据多种方法计算结果可知：31采区水库下开采，全采时，导水裂缝带发育高度的平均值为75.4m，最大值为96.3m，保护层厚度取最大值为22.5m。导水裂缝带高度按最大值计算，水库底部距保护带上限有78.8～199.2m的覆岩厚度；导水裂缝带高度若按平均值计算，则上部覆岩厚度将达到118～230m。根据地质钻孔资料分析，上覆岩多为泥岩、砂质泥岩、砂岩互层，且泥岩占比大，有利于形成隔水层，完全可以阻隔水库及松散含水层水体向下贯通。

31采区地质构造较复杂，水库附近断层多，破坏了覆岩的完整性，降低其隔水性能。同时，工作面回采过程中，覆岩容易产生剪切破断、台阶沉降等破坏，形成导水通道，对水体下采煤有较大的安全隐患。由上一章计算结果可知，限厚5m回采，导水裂缝带发育预计高度为58.76m，最大预计值为76.01m，导水裂缝带高度比全采时明显降低。由于水库呈狭长形，直接压煤面积不大，但会影响整个采区的工作面布置。从最大限度回采煤炭资源的角度考虑，对水库下煤层采用限厚开采，一方面开采强度降低，覆岩破坏较缓和；另一方面覆岩破坏高度也会降低，从而提高水库下采煤的安全性[6]。

6 结 论

(1)利用某矿勘探资料，详细分析了覆岩的结构特征，具有基岩厚、泥岩占比大的特点，有利于形成隔水层。

(2)对某矿水体下开采覆岩破坏高度进行预计，得出限厚5m、最大采高7.5m时，预计导水裂缝带高度平均值分别为58.76,75.4m，最大值分别为76.01，96.3m。

(3)根据选定的计算点和导水裂缝带的预计值，分析了防水安全煤岩柱的高度，覆岩破坏上界面与水库底界面之间至少有118～230m的覆岩层，覆岩结构中泥岩比重大，水库内水体不会影响工作面的正常回采。

[1] 邹 海,桂和荣,王桂梁，等.综放开采导水裂隙带高度预测方法[J].煤田地质与勘探,1998,26(6):43-46.

[2] 刘伟韬,武 强,李献忠，等.覆岩裂缝带发育高度的实测与数值仿真方法研究[J].煤炭工程,2005(11):55-57.

[3] 康永华,赵国玺.覆岩性质对“两带”高度的影响[J].煤矿开采,1998(1):52-54.

[4] 山东科技大学.UDEC通用化离散元用户指导(UDEC3.l)[R].青岛：山东科技大学,2004.

[5] 陈佩佩,刘鸿泉,张刚艳.海下综放开采防水安全煤岩柱厚度的确定[J].煤炭学报,2009,37(7):875-880.

[6] 姜 敏,栾元重,任 耀,等.蒋庄煤矿水体下安全开采可行性分析[J].煤矿安全,2012,43(10):188-191.

2014-12-15)

李要锋(1980—)，男，助理工程师，452370 河南省登封市徐庄镇教学三矿。