礦井隔離煤柱設(shè)計實例

巫顯鈞

(重慶松藻煤電有限責(zé)任公司,重慶市綦江縣,401445)

★煤炭科技·開拓與開采 ★

礦井隔離煤柱設(shè)計實例

巫顯鈞

(重慶松藻煤電有限責(zé)任公司,重慶市綦江縣,401445)

分析了渝陽煤礦與小漁沱煤礦礦井邊界沿線的地質(zhì)條件,并依據(jù)國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計了兩礦間的隔離煤柱,6#、7#、8#、11#煤層的隔離煤柱傾斜寬度分別為64.33 m、74.34 m、85.29 m和112.56 m。

隔離煤柱 煤柱寬度 導(dǎo)水裂隙帶

AbstractIn this paper,geo logical conditions of the m ine bo rdering areas betw een Yuyang Coal M ine and Xiaoyutuo Coal M ine are analyzed and in comp liance w ith relevant state norm s and standards,separating coal pillars between the two mines are designed w ith their inclined w idth in the#6,#7,#8 and#11 coal seam s being 64.33 m,74.34 m,85.29 m and 112.56 m,respectively.

Key wordsseparating coal pillar,coal pillar w idth,w ater sipping fissure zone

渝陽煤礦與小漁沱煤礦均開采二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M中的近-中等距離緩傾斜煤層群,全區(qū)可采煤層為8#煤層 (中厚煤層),另有2～3層局部可采薄煤層,各煤層均為煤與瓦斯突出煤層,必須先開采保護(hù)層。南北相鄰的渝陽煤礦和小漁沱煤礦沿煤層傾向劃分,以8#煤層-200 m等高線為界,邊界線長度約6580 m,兩礦采礦活動的標(biāo)高分別為+ 464～-250 m和-150～-800 m。渝陽煤礦為生產(chǎn)礦井,目前北三區(qū)開拓已接近邊界,小漁沱煤礦為在建礦井,剛開工建設(shè)。

1 設(shè)計原則

1.1 地質(zhì)條件

分析研究兩個礦井邊界附近,認(rèn)為應(yīng)從地表到煤系的水文地質(zhì)條件和充水因素出發(fā),確定影響煤柱留設(shè)的主要因素和必須防范的含水層。綜合分析邊界附近地勘鉆孔的地質(zhì)資料后,邊界附近具有的地質(zhì)特征見圖1。

(1)各煤層層間距比較穩(wěn)定。6#煤層以上的煤系厚度、長興灰?guī)r含水層厚度、玉龍山一段的隔水層厚度、玉龍山二三段灰?guī)r含水層厚度、飛仙關(guān)泥巖隔水層厚度均比較穩(wěn)定。見表1。

圖1 隔離煤柱設(shè)計剖面圖 (方案一)

表1 煤巖層厚度層間距簡表m

(2)煤系頂部相關(guān)的含水層特征。煤系頂板長興灰?guī)r含水層厚度48.97～52.03 m,含巖溶裂隙水,抽水試驗單位涌水量 0.00000264～0.0000156 L/(s·m),水量小,含水性極弱且極不均一;玉龍山二三段灰?guī)r含水層厚度96.38～111.22 m,含巖溶裂隙水,抽水試驗單位涌水量0.00439 L/s·m,滲透系數(shù)為0.00381 m/d,含水性弱且極不均一。

(3)6#煤層以上的煤系隔水層厚度27.01～30.27 m,長興灰?guī)r以上的玉龍山一段的隔水層厚度29.84～40.27m,玉龍山灰?guī)r以上的飛仙關(guān)泥巖隔水層厚度174.16～190.32 m。

(4)煤系巖層由泥巖、砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂巖和石灰?guī)r組成,巖石的單向抗壓強度差別大,為15～177.9 M Pa;長興和玉龍山石灰?guī)r的單向抗壓強度一般為33.7～75.9 M Pa。煤層頂部巖石為中硬-堅硬巖石。

1.2 設(shè)計原則

首先必須認(rèn)真分析研究礦井邊界附近的客觀地質(zhì)條件,收集整理規(guī)程規(guī)范的相關(guān)技術(shù)政策規(guī)定,理清設(shè)計思路,做到設(shè)計不違規(guī);其次,應(yīng)設(shè)計幾個方案進(jìn)行優(yōu)選,對設(shè)計結(jié)論進(jìn)行驗算,保證設(shè)計的科學(xué)性;最后,設(shè)計結(jié)論的表述必須準(zhǔn)確唯一、不存在歧義、方便使用。

2 煤柱設(shè)計的理論依據(jù)

2.1 理論設(shè)計

(1)松藻礦區(qū)近水平煤層群開采巖層移動觀測已開展20余年,原松藻礦務(wù)局與重慶大學(xué)共同完成的《松藻礦區(qū)近水平煤層群開采地表移動規(guī)律的研究》科研報告,通過了由重慶市科學(xué)技術(shù)委員會組織的鑒定。該報告推薦松藻礦區(qū)近水平、緩傾斜礦井煤層群開采后,上下山巖層移動角均采用65°。

(2)由于松藻礦區(qū)暫無“三帶”實測資料,依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程)》(煤行管字〔2000〕第81號)附表6-2中的導(dǎo)水裂隙帶最大高度計算公式計算導(dǎo)水裂隙帶高度。

式中:Hf——導(dǎo)水裂隙帶最大高度,m;

M——煤層累計采高,m。

計算結(jié)果見表2。4層煤開采后,最大導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為74.23 m,到達(dá)了長興灰?guī)r上部,各煤層開采后的導(dǎo)水裂隙帶已經(jīng)導(dǎo)通為一個整體。依據(jù)煤層群開采后最大導(dǎo)水裂隙帶的頂部標(biāo)高設(shè)計防隔水煤柱是可行的。

(3)導(dǎo)水裂隙帶頂部需要留設(shè)的隔水巖柱寬度,按照《煤礦防治水規(guī)定》 (2009年9月21日國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局28號令)附錄三中的推薦公式計算。

式中:L——導(dǎo)水裂隙帶上限巖柱寬度,m;

H——采空區(qū)底板以上的靜水位高度,m;

Hf——導(dǎo)水裂隙帶最大高度,m;

Ts——水壓與巖柱寬度的比值,取1計算。

計算結(jié)果見表2,從表2可知,開采兩層以上的煤層時,L均小于20 m,一律按20 m設(shè)計。

(4)原中國統(tǒng)配煤礦總公司《關(guān)于印發(fā)統(tǒng)配煤礦 (礦井水文地質(zhì)分類)的通知》 (中煤總生字〔1992〕第57號)審定渝陽煤礦水文地質(zhì)條件分類為Ⅲ類 (復(fù)雜)。應(yīng)該按照《煤礦防治水規(guī)定》附錄三中圖3-7a設(shè)計煤柱。

表2 礦井隔離煤柱設(shè)計結(jié)果表m

2.2 設(shè)計方案

鑒于邊界附近煤巖層厚度和巖性比較穩(wěn)定,只采用一個剖面設(shè)計沿走向等寬的隔離煤柱是可行的。

(1)方案一。參見圖1。依據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》附錄三中圖3-7a,首先按照最上面的6#煤層開采后的導(dǎo)水裂隙帶高度 Hf1、上限巖柱寬度20 m、移動角65°設(shè)計6#煤層煤柱 E、F邊界點,再按移動角向下設(shè)計7#煤層的煤柱G、H邊界點。

由于8#煤層開采后的導(dǎo)水裂隙帶頂部標(biāo)高略高于6#煤層開采后的導(dǎo)水裂隙帶,按照8#煤層開采后的導(dǎo)水裂隙帶高度 Hf3、上限巖柱寬度20 m、移動角65°設(shè)計8#煤層煤柱 I、J邊界點,再以 I、J點按移動角向下設(shè)計11#煤層煤柱 C、D邊界點。6#、7#、8#、11#煤層的設(shè)計煤柱傾斜寬度分別為 EF64.33 m、GH74.34 m、IJ85.29 m和CD112.56 m,見表2中方案一。

(2)方案二。參見圖2。按照4層煤開采后的導(dǎo)水裂隙帶高度74.23 m(Hf8)、上限巖柱寬度20 m、移動角65°統(tǒng)一設(shè)計4層煤的煤柱邊界點 F、H、I、J、C和D點。先開采6#或7#煤層作為保護(hù)層,按照《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中瓦斯卸壓角劃定保護(hù)范圍,如果6#或7#煤層煤柱邊界點定為E’或G’點,則主采8#煤層的受保護(hù)范圍在I點左邊 (實際煤柱會更大)。而只開采6#和7#兩層煤的區(qū)域,導(dǎo)水裂隙帶高度 Hf9只有56.31 m,沒有 Hf8高,據(jù)此優(yōu)化設(shè)計,將6#、7#煤層煤柱上邊界點優(yōu)化為 E、G點,既滿足了瓦斯保護(hù)關(guān)系的需要,又保證了 Hf9～Hf8頂部之間有20 m寬的完整巖柱。

圖2 隔離煤柱設(shè)計剖面圖 (方案二)

優(yōu)化后6#、7#、8#、11#煤層的設(shè)計煤柱傾斜寬 度 分 別為 EF84.34 m、GH94.34 m、IJ117.08 m和 CD144.35 m,見表 2中方案二。整體煤巖柱在傾斜剖面上的形狀為 ABDCIGKA圈閉。

3 隔離煤柱驗算

《煤礦防治水規(guī)定》附錄三中規(guī)定,礦井隔離煤柱的最小寬度不得小于40 m,設(shè)計的兩個方案均滿足此項要求。

3.1 采空區(qū)水的富集規(guī)律

煤層開采頂板冒落下沉后,在采空區(qū)上方形成冒落裂隙導(dǎo)水帶,地下水 (有時含地表水)以采空區(qū)為中心形成降落漏斗往采空區(qū)聚集,積水量受冒落裂隙帶的含水性和導(dǎo)水構(gòu)造雙重控制。初期及井下抽排水期間表現(xiàn)為地下水位不斷下降,隨著采空區(qū)的逐漸壓實穩(wěn)定,特別是礦井報廢停止抽水后,地下水位又逐漸上升。從頂板冒落初期-大面積冒落下沉-采空區(qū)壓實穩(wěn)定的過程,同體積 (空間)的冒落裂隙帶的含水量變化是逐漸增加-趨于穩(wěn)定-逐漸減少。任何時候采空區(qū)及其冒落裂隙帶都不是純水體,不同地點的水位高度及其水壓都可能不同。

3.2 靜水位高度與上限巖柱寬度

從技術(shù)理論依據(jù)和設(shè)計過程可知,導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度和上限巖柱寬度是礦井隔離煤柱設(shè)計的兩個主要參數(shù),而采空區(qū)底板以上的靜水位高度又是上限巖柱寬度計算的主要參數(shù)。從表2可以看出,不論采空區(qū)的靜水位標(biāo)高采用長興頂界還是玉龍山頂界,計算的上限巖柱寬度均小于20 m,只能按規(guī)定取最小值20 m進(jìn)行設(shè)計。

煤層群開采后最大導(dǎo)水裂隙帶只發(fā)育到長興含水層上部,而長興灰?guī)r以上有約40 m的玉龍山一段鈣質(zhì)泥巖隔水層,玉龍山灰?guī)r頂部有170 m以上的飛仙關(guān)泥巖隔水層,上限巖柱寬度采用20 m設(shè)計是可靠而安全的。

3.3 煤柱耐側(cè)壓驗算

依據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》附錄三中的經(jīng)驗公式驗算,各煤層承受水頭側(cè)壓所需要的煤柱寬度見表3。高度約200 m計算,設(shè)計的各煤層煤柱也完全能夠承受采空區(qū)積水對煤層的側(cè)壓力。

由于開采近-中等距離煤層群,下煤層開采后會破壞上煤層的完整性和連續(xù)性,設(shè)計應(yīng)保證上煤層的煤柱不受下煤層開采的破壞。設(shè)計的兩個方案均按照巖層移動角65°向下統(tǒng)一劃定,設(shè)計成果能夠保證各煤層煤柱的完整性。

表3 耐壓煤柱寬度計算表

式中:L——煤柱留設(shè)的寬度,m;

K——安全系數(shù),此處取5;

M——煤層厚度或采高,m;

p——水頭壓力,M Pa;

Kp——煤的抗拉強度,M Pa。即使按最壞的情況從采空區(qū)到玉龍山頂界水頭

4 方案比較

對比兩個方案,方案一的煤柱比方案二小20～30 m,可多開采煤炭資源150.4萬t,經(jīng)濟效益顯而易見,下面從技術(shù)和安全兩個方面進(jìn)行比較。

(1)技術(shù)方面。兩個方案的技術(shù)理論依據(jù)基本一致,區(qū)別在于所采用的導(dǎo)水裂隙帶高度不同。方案一采用獨立煤層開采后的兩個最高的導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)行設(shè)計,而方案二則采用4層煤開采后的總的導(dǎo)水裂隙帶設(shè)計,兩者高差31 m,但都到達(dá)了長興組。從技術(shù)上講兩者都可行、均不違規(guī)。

(2)安全方面。根據(jù)前面的驗算結(jié)果,只需要考察兩個方案因采用的導(dǎo)水裂隙帶高度不同而導(dǎo)致的安全保障程度差異。

根據(jù)采空區(qū)水的富集規(guī)律,導(dǎo)水裂隙帶上段的含水性差異大,受上部補給水源、導(dǎo)水構(gòu)造、礦井抽排水等多因素影響,加之局部巖性的差異會導(dǎo)致導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度本身就有起伏。由于這兩個方面的不確定因素,處在同一巖溶含水層中的兩種計算方法得出的理想導(dǎo)水裂隙帶,很難說其含水性有什么差別。

長興組巖溶含水層含水性極弱,并且極不均勻,只有當(dāng)實際的導(dǎo)水裂隙導(dǎo)通了巖溶通道,并有充足的補給水源時,對采空區(qū)才構(gòu)成威脅。在這一點上兩個方案都存在偶然性。

渝陽煤礦采空區(qū)冒落裂隙帶水對小漁沱煤礦威脅最大的時段,出現(xiàn)在渝陽煤礦閉坑停止抽水后水位上升時,小漁沱煤礦又正好在上部條帶回采。威脅的程度取決于兩個礦井的導(dǎo)水裂隙帶之間是否存在長興巖溶通道導(dǎo)通。但不管如何,上部水只能通過40 m以上的冒落裂隙帶逐漸進(jìn)入小漁沱煤礦采面,只要措施得當(dāng),完全能保證不發(fā)生人員傷亡事故。況且在這一點上兩個方案差別不大。

綜上所述,兩個方案的安全保障程度基本一致,應(yīng)選擇方案一,多回收煤炭資源。

采用方案一,最終確認(rèn)6#、7#、8#、11#煤層的礦井隔離煤柱傾斜寬度分別為 64.33 m、74.34 m、85.29 m和112.56 m,各煤層煤柱分別采用煤柱邊界點的平面坐標(biāo) X和 Y來表述。在煤層底板等高線圖上,首先準(zhǔn)確繪制礦井邊界線,再根據(jù)圖1分別將 EF、GH、IJ、CD煤柱分別投影到各自煤層的平面圖上,最后依次求取所有邊界點的平面坐標(biāo) X、Y。分煤層依次序?qū)⑦吔琰c坐標(biāo)X、Y列表,同平面圖、剖面圖一起作為設(shè)計成果提交,便于今后準(zhǔn)確無誤地使用隔離煤柱設(shè)計成果。各煤層煤柱在平面圖上均為條帶狀。

5 煤柱保護(hù)

相鄰兩礦在設(shè)計和生產(chǎn)過程中,都必須嚴(yán)格按照各煤層煤柱邊界點坐標(biāo) X、Y進(jìn)行控制,確保煤柱寬度和組合形狀。由于勘探控制密度有限、煤層底板等高線存在誤差,只能按照平面坐標(biāo) X、Y控制,各點的高程是近似值。相鄰兩礦均不得在隔離煤柱中進(jìn)行采掘活動,不得破壞煤柱的完整性。治理瓦斯需要有少量抽采鉆孔穿過煤柱時,必須從嚴(yán)控制鉆孔數(shù)量,抽采完后必須立即進(jìn)行嚴(yán)密填實。

6 結(jié)語

全面系統(tǒng)地分析客觀地質(zhì)條件和安全保障程度后,充分依據(jù)現(xiàn)有規(guī)范設(shè)計礦井隔離煤柱,并經(jīng)多方面驗算,設(shè)計成果是安全可靠的。本設(shè)計對礦區(qū)其它隔離煤柱的設(shè)計有重要的指導(dǎo)意義。在以后的生產(chǎn)過程中,發(fā)現(xiàn)新的導(dǎo)水構(gòu)造時,必須沿導(dǎo)水構(gòu)造留設(shè)防隔水煤柱。本文中提到的不確定因素較多,生產(chǎn)過程中在條件允許時應(yīng)盡量予以查明,并依據(jù)查明情況對礦井隔離煤柱進(jìn)行局部修正。

[1]曹樹剛等.松藻礦區(qū)近水平煤層群開采地表移動規(guī)律的研究 [D].重慶:2001

[2]國家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程 [M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2000

[3]國家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦防治水規(guī)定 [M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2009

[4]國家煤礦安全監(jiān)察局.防治煤與瓦斯突出規(guī)定 [M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2009

(責(zé)任編輯 張毅玲)

A case study of the design of coalm ine separating coal pillars

Wu Xianjun
(Songzao Coal&Electric Power Co L td,Qijiang,Chongqing 401445,China)

A

巫顯鈞 (1966-),男,四川瀘州人,高級工程師,現(xiàn)任重慶松藻煤電有限責(zé)任公司地測科長,長期從事礦井地質(zhì)、礦井水文地質(zhì)、資源儲量管理工作。