關(guān)于合理縮小防水煤柱可行性分析中若干要點(diǎn)問題探研

文/吳衛(wèi)，安徽省煤田地質(zhì)局第一勘探隊(duì)

關(guān)于合理縮小防水煤柱可行性分析中若干要點(diǎn)問題探研

文/吳衛(wèi)，安徽省煤田地質(zhì)局第一勘探隊(duì)

為最大解放和實(shí)現(xiàn)安全回收防水煤柱資源量，淮南礦區(qū)對于巨厚松散層下淺部煤系露頭帶的研究日趨深入。在通過勘探手段取得水文地質(zhì)、工程地質(zhì)資料后，對于“水體類型”、“覆巖類型”、“兩帶高度公式選取”、“保護(hù)層及剩余煤柱留設(shè)”等要點(diǎn)的把握，成為合理縮小防水煤柱方案建立的核心。本文以顧橋北二采區(qū)作為研究對象，引出問題并提出解決方向。

近水體采動等級；覆巖類型；兩帶高度；防水煤柱

研究區(qū)概況

顧橋礦井位于安徽省淮南市鳳臺縣西北約20km處，行政區(qū)劃隸屬鳳臺縣顧橋鎮(zhèn)管轄。井田內(nèi)煤系地層被厚224.10～576.00m的新生界松散層所覆蓋，松散層沉積厚度受古地貌形態(tài)控制，總體分布形態(tài)呈西北高、東南低的趨勢。

由于北二采區(qū)新生界水文地質(zhì)勘探程度嚴(yán)重不足，不能滿足松散砂層水體下提高上限開采需要。2016年，顧橋礦對本區(qū)新生界水文地質(zhì)條件進(jìn)行補(bǔ)勘。完成后，根據(jù)《“三下”開采規(guī)程》、《礦區(qū)水文地質(zhì)與工程地質(zhì)勘探規(guī)范》、《煤礦防治水規(guī)定》，結(jié)合鉆探、抽水、取苾、力學(xué)資料。進(jìn)行縮小防水煤柱可行性建立工作。從而引出對以下4個(gè)要點(diǎn)問題的探研。

1 近水體等級劃分中“水體類型” 的確定

淺部煤系上部“水體類型”建立的正確與否，直接影響到近水體等級的劃分，基巖上方是否能夠形成穩(wěn)定連續(xù)的粘性土，以阻隔上部水體對淺部煤系產(chǎn)生補(bǔ)給，是問題的關(guān)健。

北二采區(qū)存在“天窗”與“非天窗”區(qū)，淺部煤系上覆有“下含”、“下隔”、“紅層”三類巖體，研究發(fā)現(xiàn)。本區(qū)紅層單位涌水量0.00026 L/(s.m)，屬弱富水含水層，天然狀態(tài)下處于封閉狀態(tài)。

淮南煤田一般將“紅層”作為隔水層使用，主要源于丁集抽水試驗(yàn)資料中“紅層裂隙不發(fā)育，水位標(biāo)高-7.363m（2010年6月），抽水5小時(shí)后無水，富水性弱～無水”這一論述，同時(shí)，張集、劉莊井田也因“紅層裂隙不發(fā)育，鉆進(jìn)中無耗、漏水現(xiàn)象”，將此層作為隔水層使用。

本次紅層抽水發(fā)現(xiàn)，砂礫巖厚度6.60m，為灰白色，礫徑10～11 0mm，主要為石英砂巖，細(xì)砂巖，見水蝕現(xiàn)象。上細(xì)砂巖見水蝕現(xiàn)象。靜水位標(biāo)高+2.866m，小時(shí)涌水量0.076m3/h，水位降深80.68m，恢復(fù)水位標(biāo)高-1.904m，滲透系數(shù)0.0026 m/d，影響半徑41.14 m。抽水時(shí)，水位待續(xù)下降，約4-5小時(shí)至80.M左右穩(wěn)定。停抽時(shí)，水位恢復(fù)緩慢，72小時(shí)后水頭損失4.77m?；謴?fù)水位低于靜止水位。顯示地下水徑流不暢，為靜儲量消耗型特征，含水層處于封閉狀態(tài)。單位涌水量0.00026L/（S.m），富水性弱。

分析認(rèn)為，當(dāng)“下隔”依駙于“紅層”時(shí)，因紅層的隔水性，“下隔+紅層”構(gòu)成了新生界底部復(fù)合隔水層（組）。“下隔、下隔+紅層”作為“非天窗區(qū)”，對淺部煤系起到保護(hù)作用。

當(dāng)“下含”依駙于“紅層”時(shí)，“紅層”的封閉環(huán)境被干擾，“下含+紅層”層段，紅層礫石可能因上部水體開采影響產(chǎn)生擾動，隔水性能降低。同時(shí)在上部水體水壓的作用下，紅層含水性可能因壓迫而增強(qiáng)，因此，當(dāng)下隔缺失，紅層與上部含水砂層直接接觸，形成“下含+紅層”時(shí)，應(yīng)將紅層作為弱含水層對待。

根據(jù)上述分析。在厘清紅層含、隔水性的情況下，近水體采動等級劃分中的“水體類型”隨之改變，對于采區(qū)劃分Ⅰ、Ⅱ類水體等級產(chǎn)生影響。

2 主采煤層頂板巖特征對覆巖類型劃分的影響

根據(jù)采區(qū)淺部煤系60m內(nèi)的巖層特征—即各主要開采煤層頂板的巖性、巖性組合和穩(wěn)定性以及工程地質(zhì)特征，對照“三下”開采規(guī)程附錄六中的附表6-1，對覆巖巖性類型進(jìn)行劃分。

力學(xué)強(qiáng)度有試驗(yàn)室實(shí)測及聲速測井兩類值，力學(xué)實(shí)測存在巖樣因保存不當(dāng)強(qiáng)度降低的問題，而聲速測井中標(biāo)定值的選取，成為抗壓強(qiáng)度值是否可靠的主要因素，研究發(fā)現(xiàn)，上述資料應(yīng)以力學(xué)實(shí)測值為重，聲速測井值具有良好的軟、硬巖對應(yīng)關(guān)系，可區(qū)分強(qiáng)、弱，但因標(biāo)定值的不確定常導(dǎo)致誤差出現(xiàn)。

對于淺部煤系砂巖、粉砂巖、泥巖的層段比例及力學(xué)強(qiáng)度，采用加權(quán)平均法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而通過其反映特征完成覆巖類型的劃分。

以淺部13-1煤為例：煤層頂板巖性以泥巖為主，所占比例為6 9.30%，厚度29.75（露頭帶）～28.85m（北二采區(qū)極值），單軸抗壓強(qiáng)度平均為19.58Mpa（露頭帶）～ 28.95 Mpa（北二采區(qū)），砂巖比例僅為20.84%。4）13-1煤頂板通過抗壓強(qiáng)度厚度加權(quán)平均，其值為32.61～49.35 Mpa，平均36.92Mpa，覆巖介于中硬（20～40Mpa）范圍之間。劃為中硬覆巖類型。

按此方法對11-2、8、6-1、1煤類型進(jìn)行劃分，研究區(qū)內(nèi)均為為中硬類型。

3 落帶和導(dǎo)水裂縫帶預(yù)計(jì)中“三下公式”與“經(jīng)驗(yàn)公式”的對照

“三下”采煤規(guī)程采用的兩帶計(jì)算公式，反映出的是礦井規(guī)律共性特征，而“經(jīng)驗(yàn)公式”，則針對某一地區(qū)而言，為歷年取得實(shí)際參數(shù)建立，符合本地變化規(guī)律，但局限性明顯?；茨系V區(qū)早在八十年代就有兩帶高度預(yù)計(jì)的相關(guān)紀(jì)錄，因此，本次采用“三下公式”及“經(jīng)驗(yàn)公式”兩種方法進(jìn)行對照計(jì)算，以期選擇合理取值范圍，提高精確度。

3.1 “三下”采煤規(guī)程公式法

根據(jù)“三下”采煤規(guī)程附錄六中附表6-2的計(jì)算公式，按照中硬覆巖類型，對13-1煤的垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶高度進(jìn)行預(yù)計(jì)；

計(jì)算結(jié)果：

垮落帶高度 8.474-12.87M 導(dǎo)水裂縫帶高度 34.649～45.85M.

3.2 淮南礦區(qū)“經(jīng)驗(yàn)公式法”

從采礦角度出發(fā)，按覆巖巖性及組合，可將直接頂及間接頂簡化、歸納為堅(jiān)硬-堅(jiān)硬、軟弱-軟弱、軟弱-堅(jiān)硬、堅(jiān)硬-軟弱四種類型。根據(jù)采區(qū)淺部煤系60m內(nèi)巖層特征，選擇其中“無周期來壓頂板、中硬覆巖”經(jīng)驗(yàn)公式，進(jìn)行13-1煤垮落帶、導(dǎo)水裂縫帶計(jì)算；垮落帶（Hm）公式與“三下公式”相同。導(dǎo)水裂縫帶（Hf）公式如下：

計(jì)算結(jié)果：垮落帶 Hm=8.47～12.87m； 導(dǎo)水裂縫帶：Hf=34.04～44.23m。

由此完成采區(qū)11-2、8、6-1、1煤的垮落帶、導(dǎo)水裂縫帶計(jì)算。

3.3 預(yù)計(jì)結(jié)果選擇 采用上述兩種公式計(jì)算對照發(fā)現(xiàn)：除“經(jīng)驗(yàn)法”計(jì)算1煤導(dǎo)水裂縫帶最大值65.87M，較“三下”公式計(jì)算最大值60.28M較大、11-2煤堅(jiān)硬覆巖導(dǎo)水裂縫帶計(jì)算值75.64較“三下”公式計(jì)算最大值61.82較大，其他數(shù)值均較為接近?？紤]至經(jīng)驗(yàn)公式法的局限性和時(shí)效性，按照就高不就低的原則，選用本選用“三下”公式計(jì)算結(jié)果，礦區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式僅供參考。

4 保護(hù)層及剩余煤柱厚度的留設(shè)

不同水體類型對安全煤巖柱高度留設(shè)產(chǎn)生影響，采區(qū)新生界底部復(fù)合隔水層（組）賦存穩(wěn)定與不穩(wěn)定共存，因此，選擇隔水性較好的層段，以,作為防水巖柱和保護(hù)層利用，成為區(qū)合 理 留 設(shè)防水煤柱的關(guān)健。

近水體采動等級Ⅱ類，可以留設(shè)頂板防砂安全煤巖柱。即允許導(dǎo)水裂縫帶波及松散弱含水層或已疏降的松散強(qiáng)含水層，但不允許垮落帶接近松散層底部。其垂高應(yīng)大于或等于垮落帶的最大高度加上保護(hù)層的厚度。。

研究分析，本區(qū)Ⅱ類區(qū)塊，新生界底部復(fù)合隔水層（組）賦存穩(wěn)定，可作為防水巖柱和保護(hù)層利用，根據(jù)本區(qū)“下隔+紅層”的形態(tài)特征，在保護(hù)層上部，再保存一定的剩余煤柱，與淮南礦區(qū)經(jīng)驗(yàn)作法相符。對于提高淺部煤系安全系數(shù)效果明顯。由此，首先按“三下”開采規(guī)程要求留設(shè)防砂安全煤巖柱，在按中硬3倍采厚留設(shè)保護(hù)層的基礎(chǔ)上，再在此以上層段，留設(shè)出一定厚度的剩余煤柱。以此計(jì)算出13-1煤層防砂安全煤巖柱高度，“下隔+紅層”厚5.83～1 7.90m，按平均煤厚4.07m，冒高采厚比3.16，予計(jì)垮落帶最大高度1 2.87m。按平均煤厚的3倍計(jì)算保護(hù)層厚度為12.21m，應(yīng)留設(shè)25.08m防砂煤巖柱。建議留設(shè)30m防砂煤巖柱。尚有4.92m剩余煤柱存在。

由此，11-2煤層應(yīng)留設(shè)27.23m防砂煤巖柱。建議留設(shè)30防砂煤巖柱。尚有2.77m剩余煤柱存在。8煤層按平均煤厚2.67m，應(yīng)留設(shè)1 8.67 m防砂煤巖柱。建議留設(shè)20.00m防砂煤巖柱。尚有1.33m剩余煤柱存在。1煤層按平均煤厚6.32m，應(yīng)留設(shè)34.14m防砂煤巖柱。建議留設(shè)40..00m防砂煤巖柱。尚有5.86m剩余煤柱存在。

由上述參數(shù)作為基礎(chǔ)，計(jì)算安全煤柱 留 設(shè) 高度，確定：采動等級Ⅱ類區(qū)塊，留 設(shè)20.00～40.00m 安全煤柱。即按淮南煤田部分礦區(qū)常規(guī)防水煤柱80.00m留設(shè)比較。Ⅱ類區(qū)塊縮小40.00～60.00m防水煤柱。達(dá)到縮小防水煤（巖）柱，提高煤層回采上限的目的。

5 結(jié)語

通過對淺部煤系1）水體類型 2）覆巖類型 3）兩帶高度 4）保護(hù)層及剩余煤柱厚度留設(shè)4個(gè)要點(diǎn)問題的探研，北二采區(qū)對于巨厚松散層下淺部煤系露頭帶的研究思路逐漸清晰，在達(dá)到合理縮小防水煤柱目的的同時(shí)，其工作方法和技術(shù)手段也得到認(rèn)可，為今后開展此類工作提供了借鑒方向。

（1）安徽省煤田一隊(duì)：《顧橋礦北二采區(qū)新生界水文地質(zhì)條件補(bǔ)勘報(bào)告》，2016；

（2）王宏等：《礦井水害防治技術(shù)》 煤炭工業(yè)出版社，2007；

（3）武強(qiáng)等：《煤礦防治水規(guī)定釋義》 中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2009。