煤層隱伏露頭附近工作面開采水害安全性研究

狄 超 梁茂亮 倪振峰

（1.單縣豐源實業(yè)有限公司，山東 菏澤 274330；2.山東豐源遠(yuǎn)航煤業(yè)有限公司，山東 棗莊 277000）

1 工程概況

單縣豐源實業(yè)有限公司張集煤礦位于單縣煤田東部，地處黃河沖積平原，井田內(nèi)Q+N 厚度平均516.99 m，具有明顯的由東向西、自南往北變厚的規(guī)律。井田總體構(gòu)造形態(tài)為一傾向北的單斜構(gòu)造，煤巖層傾角4°～27°，井田內(nèi)褶曲構(gòu)造不發(fā)育。礦井地質(zhì)和水文地質(zhì)類型為中等。

1306 工作面井下位于一采區(qū)西翼，工作面軌道順槽側(cè)較為靠近煤層隱伏露頭，工作面北側(cè)為1305老空區(qū)，3上煤層厚度4.5～7.4 m，平均6.2 m，煤巖層傾角18°～25°，平均22°。煤層直接頂板為灰黑色粉砂巖，基本頂為灰白色細(xì)砂巖。工作面地面標(biāo)高+38～+40 m，井下標(biāo)高-560～-676 m。工作面淺部區(qū)域基巖及風(fēng)氧化帶、古近系礫石層以及新近系底部地層的富水性不均一，工作面上覆基巖厚度變化較大，加之1306 工作面內(nèi)部存在斷裂構(gòu)造，工作面采用綜放開采時可能存在潰水潰沙的可能。

2 上覆松散地層賦存及富水性

2.1 上覆松散地層賦存特征

根據(jù)礦井地層的賦存特征，1306 工作面附近3煤層被巨厚的松散地層覆蓋，松散地層自上至下分別為第四系（Q）、新近系（N）和古近系（E）地層。為了進(jìn)一步研究1306 工作面附近上覆各松散地層的賦存及分布特征，對工作面附近井上下鉆孔資料進(jìn)行了統(tǒng)計，并繪制出基巖厚度等值線圖，具體見表1 和圖1。

圖1 1306 工作面基巖厚度等值線圖

表1 1306 工作面附近上覆松散地層厚度統(tǒng)計表

2.2 古近系礫石層的賦存特征分析

2.2.1 古近系礫石層厚度分布及巖性特征

1306 工作面設(shè)計開采區(qū)域古近系礫石層全區(qū)發(fā)育，厚度變化較大，為8.2～63.0 m，整體呈東部厚西部薄的特征。根據(jù)井上下鉆孔實際揭露及取芯情況可知，古近系礫石直接上覆于基巖風(fēng)氧化帶之上，主要以礫石為主，中間夾著薄層的含礫泥巖，礫石為灰色，粗～巨礫狀結(jié)構(gòu)，膠結(jié)疏松，破碎，填隙物為紫紅色泥巖和少量細(xì)砂，成分以石灰?guī)r為主，分選型差，礫徑普遍在1～30 cm 之間。

2.2.2 古近系礫石層的富水性及水力條件分析

1）抽水試驗結(jié)果分析

為了查明1306 工作面上覆古近系礫石層的富水性，在工作面淺部區(qū)域附近施工了水2018-1 鉆孔，并對其約70 m 厚的古近系礫石層進(jìn)行整層抽水試驗。試驗結(jié)果顯示：水2018-1 的古近系礫石層的單位涌水量為0.004 36 L/s·m，滲透系數(shù)為0.005 34 m/d；同時結(jié)合ZK10-1 號鉆孔的古近系礫石抽水試驗資料，其單位涌水量0.000 5 L/（s·m），滲透系數(shù)為0.003 59 m/d。根據(jù)抽水試驗可表明，研究區(qū)域附近古近系礫石層的富水性弱。抽水試驗結(jié)束后，該含水層水位很難達(dá)到原靜止水位，也說明古近系礫石含水層水以靜儲量為主，其補給條件較差。

2）井下探查孔放水結(jié)果分析

根據(jù)1306 工作面井下探查孔施工情況可知，9個新近系探查孔均穿過古近系礫石層而進(jìn)入新近系底部，在施工過程中僅在鉆場3 和鉆場4 的鉆孔在揭露頂板砂巖時，有0.5～2 m3/h，在鉆進(jìn)進(jìn)入礫石層時均無水，由此也可表明，工作面內(nèi)上覆古近系礫石層的富水性弱。

2.3 新近系底部地層的賦存特征分析

2.3.1 新近系底部地層沉積結(jié)構(gòu)特征分析

根據(jù)工作面附近的水2018-1 鉆孔及井下新近系探查孔的實際揭露情況可知，在1306 工作面區(qū)域新近系底部普遍賦存著厚度較大且穩(wěn)定的黏土層，稱之為“底黏”；根據(jù)水2018-1 鉆孔揭露“底黏”厚度8.2 m，9 個井下新近系探查孔均鉆進(jìn)新近系底部6～10 m，均為黏土層，由此可以推斷工作面區(qū)域“底黏”厚度至少大于6 m。因此，從底黏厚度角度分析認(rèn)為，其承受采動影響能力較強，可有效地阻隔其上部含水層的下滲補給。

在新近系底部向上50 m 的地層，主要以黏土層為主，占比達(dá)85.2%，其新近系底黏上部分布著1～2 層厚度較薄的砂質(zhì)含水層，累計厚度7.4 m，稱之為“新近系底含”。

2.3.2 新近系底部地層巖性及其物理力學(xué)特性分析

1）“底黏”的巖性及物理力學(xué)特性

根據(jù)井上下鉆孔柱狀圖及取芯情況可知，新近系底部以淺灰綠色和棕黃色的黏土和砂質(zhì)黏土為主。由土工試驗結(jié)果顯示，黏土的塑性指數(shù)為17.7～21.1，液性指數(shù)為-0.50～-0.09，飽和度為69%～96%，含水率為17.2%～21.7%，壓縮性系數(shù)為0.13～0.32 MPa-1。

通過對研究區(qū)域附近新近系底部黏土和粉質(zhì)黏土的土工測試結(jié)果分析，認(rèn)為研究區(qū)域新近系底部黏土具有塑性大、含水率和液性指數(shù)低且遇水膨脹性好的特點；雖然粉質(zhì)黏土較黏土相比，其黏土含量相對略低，但其整體黏土性質(zhì)較好。且新近系底段地層自上至下，黏土含量逐漸增加，最底部地層主要以穩(wěn)定的黏土層為主。因此，研究區(qū)域附近新近系底部黏土層的黏土質(zhì)含量高、固結(jié)程度與力學(xué)性質(zhì)較好，硬度大且質(zhì)密，具有良好的阻水隔砂性。

2）“底含”的巖性及粒度成分

根據(jù)水2018-1 鉆孔的取芯情況可知，新近系“底含”多以棕黃色的粉細(xì)砂為主，松散，含少量黏土，粒徑小于0.25 mm 的細(xì)粒與粉粒成分普遍大于60%。

2.3.3 新近系底部地層富水性及水力條件分析

為了進(jìn)一步查明1306 工作面上覆新近系“底含”的富水性，在工作面淺部區(qū)域附近施工了水2018-1鉆孔，并對新近系“底含”（抽水層厚度為18.2 m）進(jìn)行了整層抽水試驗。試驗結(jié)果顯示：水2018-1 的新近系“底含”的單位涌水量為0.000 62 L/（s·m），滲透系數(shù)為0.002 69 m/d。根據(jù)抽水試驗可表明，研究區(qū)域附新近系“底含”的富水性弱。

由于新近系“底含”上部賦存著厚度很大且穩(wěn)定的黏土層，可有效地阻隔上部含水層對底含的垂向補給，致使“底含”的水力聯(lián)系差。

將1306 工作面新近系底部地層賦存特征歸結(jié)為以下兩點：

1）1306 工作面淺部區(qū)域附近新近系底部黏土層全區(qū)發(fā)育，厚度較大，固結(jié)程度好，具有較強的承受采動影響能力和良好的阻水隔砂性能。

2）1306 工作面淺部區(qū)域新近系底含以粉細(xì)砂為主，含黏土成分，其厚度較小，富水性弱，水力聯(lián)系差，且底含距3 煤頂板距離較大。

1306 工作面新近系底部地層組合結(jié)構(gòu)和巖性特征有利于工作面淺部煤層的開采。

3 工作面開采覆巖破壞高度

3.1 底分層限厚綜采條件

采用底分層開采工藝，工作面采高為3.0 m，覆巖破壞高度采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》中公式（1）和公式（2），及兗州礦區(qū)分層綜采經(jīng)驗公式（3）和公式（4）計算。

硬覆巖類型綜采覆巖“兩帶”高度計算公式如下：

兗州礦區(qū)綜采硬覆巖采動破壞高度計算公式如下：

式中：Hm為垮落帶高度最大值，m；HLi為導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨茸畲笾?，m；∑M為累計采厚，取值3.0 m。

代入公式（1）和（2）中，計算垮落帶發(fā)育高度為6.86～11.26 m，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度為30.11～41.31 m。

代入公式（3）和（4）中，計算垮落帶發(fā)育高度為10.38～16.68 m，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度為36.30～41.02 m。

計算結(jié)果取較大值，即分層開采“兩帶”高度分別為16.68 m 和41.31 m。

3.2 綜放開采條件

1）經(jīng)驗公式預(yù)計兗州礦區(qū)實際觀測結(jié)果統(tǒng)計分析，歸結(jié)出“兩帶”高度的經(jīng)驗公式（5）和（6），綜放條件下垮落帶高度一般按3～5 倍采厚進(jìn)行預(yù)計，郭屯礦和新巨龍公司的淺部工作面已成功回采垮落帶取4 倍采厚，故本次垮落帶高度按4.5 倍采厚計算：

導(dǎo)水?dāng)嗔褞ё畲蟾叨扰c采厚的關(guān)系為（兗州礦區(qū)）：

式中：Hm為垮落帶高度最大值，m；HLi為導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨茸畲笾?，m；∑M為累計采厚，取值4.5～7.4 m。

代入公式（5）和（6），計算垮落帶和導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨确謩e為20.25～33.30 m 和48.47～69.90 m。

2）利用裂采比預(yù)計

根據(jù)《1305 工作面“兩帶”高度探測研究總結(jié)報告》，1305 老空區(qū)頂板垮落帶發(fā)育高度32.2 m，垮采比4.29；斷裂帶發(fā)育高度94.4 m，裂采比12.59。將1306 工作面煤厚分別按垮采比4.29、裂采比12.59 進(jìn)行計算，垮落帶和導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度預(yù)計分別為19.4～31.8 m、56.7～93.2 m。

綜合以上兩種方法預(yù)測結(jié)果取較大值：1）底分層開采時垮落帶和導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度分別為16.68 m、41.31 m；2）綜放開采時垮落帶最大高度為20.25～33.3 m，導(dǎo)水?dāng)嗔褞ё畲蟀l(fā)育高度為56.7～93.2 m。

4 FLAC3D 數(shù)值模擬

根據(jù)1306 工作面淺部區(qū)域的地層賦存特征及各巖性巖石力學(xué)參數(shù)，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，通過建立與1306 工作面淺部區(qū)域條件相似的力學(xué)模型，分別對底分層和綜放開采采煤工藝下覆巖層的破壞特征進(jìn)行模擬計算，通過模擬計算結(jié)果與公式計算結(jié)果的對比，研究分析淺部煤層開采后中硬偏軟覆巖破壞特征[1-4]。確定按平面應(yīng)變模型處理，從整體來看處在彈性范圍，屬于彈性模型，小部分有塑性屈服破壞，因此可按彈塑性模型處理。

由于現(xiàn)場巖層的復(fù)雜性，采用彈塑性有限元分析巖體的力學(xué)特性。參考1306 工作面基巖室內(nèi)巖石試驗結(jié)果，先對1306 工作面上覆巖層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)分析，確定了計算模型和計算網(wǎng)格，然后采用底分層限厚綜采和綜放開采及各采煤工藝的實際回采率，對1306 工作面淺部區(qū)域上覆巖層的破壞情況進(jìn)行了計算模擬，最終計算出了1306 工作面淺部煤層分別采用底分層限厚綜采和綜放開采兩種采煤工藝條件下開采后中硬偏軟覆巖的破壞特征。

數(shù)值模擬結(jié)果得出：1）底分層綜采時，覆巖的垮落帶最大高度為12.7 m，導(dǎo)水?dāng)嗔褞ё畲蟀l(fā)育高度為36.9 m；2）采用綜放開采時，覆巖的垮落帶最大高度為18.6～30.5 m，導(dǎo)水?dāng)嗔褞ё畲蟀l(fā)育高度為49.0～80.6 m。具體模擬結(jié)果如圖2、圖3，各采煤工藝條件下公式計算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果統(tǒng)計見表2。

圖2 1306 工作面底分層綜采3.0 m 覆巖運動變形破壞模擬結(jié)果

通過結(jié)果對比分析可知，數(shù)值模擬結(jié)果略小于公式計算結(jié)果，分析原因認(rèn)為根據(jù)工作面淺部區(qū)域的地質(zhì)賦存特征可知，由于1306 工作面相較1305工作面基巖薄，巖層在風(fēng)氧化作用下，上部地層巖性及物理力學(xué)性質(zhì)均發(fā)生變化，特別是巖石強度降低，在實際開采過程中，巖層下沉速度快，垮落帶及導(dǎo)水?dāng)嗔褞У冗_(dá)不到充分發(fā)育，且?guī)r層呈現(xiàn)“上軟下硬”結(jié)構(gòu)，同時第四系底部存在穩(wěn)定的黏土層，其利于抑制裂縫的發(fā)展，從而出現(xiàn)模擬結(jié)果較理論計算結(jié)果略小是合理的。

5 安全煤巖柱留設(shè)

防砂安全煤巖柱的作用是防止垮落帶進(jìn)入或接近松散層確保泥砂不潰入井下，但可允許一部分導(dǎo)水?dāng)嗔褞нM(jìn)入松散層中的弱含水層。安全防砂煤柱的最小高度Hs應(yīng)大于垮落帶高度Hm與保護層厚度Hb之和，即：

1306 工作面防砂煤巖柱留設(shè)采用公式（7）計算，不同開采工藝條件下防砂安全煤巖柱尺寸計算如下：

1）底分層限厚綜采條件下

采用底分層綜采，采高3.0 m 時，其垮落帶高度為16.68 m。此時，保護層厚度取3A，即為9 m。代入公式（7）計算得所需留設(shè)的最小防砂安全煤巖柱高度為25.68 m。

2）綜放開采條件下

① 保護層的選取

由于綜放全厚開采時，采厚大，保護層的留設(shè)無明確規(guī)定，菏澤區(qū)域的郭屯煤礦和新巨龍公司的薄基巖工作面保護層取2 倍采厚成功開采的經(jīng)驗，本次1306 工作面的保護帶厚度也按2 倍采厚選取，故保護層厚度為2A=9～14.8 m。

② 綜放開采防砂煤巖柱尺寸確定

綜放開采其垮落帶最大高度為20.25～33.3 m，按防砂煤巖柱的留設(shè)方法，將垮落帶最大高度20.25～33.3 m 和保護層厚度為9～14.8 m 代入公式（7），計算出綜放條件下最小防砂煤柱高度約為29.25～48.1 m。綜上所述，兩種不同開采條件下留設(shè)安全煤巖柱最小高度統(tǒng)計結(jié)果見表3。

表3 不同開采條件下留設(shè)最小安全煤巖柱厚度統(tǒng)計表

根據(jù)目前分析可知，1306 工作面基巖厚度最小為95 m，遠(yuǎn)大于全厚綜放開采所需最小防砂煤巖柱厚度（29.25～48.1 m），因此1306 工作面可自設(shè)計切眼起采用全厚綜放開采。

6 結(jié)論

1）1306 工作面淺部區(qū)域基巖及風(fēng)氧化巖層具有較好的隔水阻砂和抑制裂縫擴展的雙重作用，增強工作面開采的安全性。

2）1306 工作面開采區(qū)域最小基巖厚度大于全厚綜放開采所需最小防砂煤巖柱厚度，故工作面采用全厚綜放開采至設(shè)計停采線結(jié)束，不受頂板水害威脅。

3）1306 工作面回采結(jié)束后工作面未發(fā)生頂板出水，結(jié)果表明上述論證的正確性，為礦井后期煤層隱伏露頭附近工作面安全回采提供地質(zhì)支持。