影响浅部煤层开采主要因素分析

冯晓东 李刚

摘 要：本文以中煤平朔集团井工一矿的西部浅部煤层工作面为研究对象，针对开采过程中存在的问题，系统分析影响浅部煤层开采的水文与工程地质因素，即新生界底部松散层富水性程度、基岩面起伏变化、风化带性质、煤层顶板覆岩结构及其岩性等，其研究结果为类似条件的其他矿井安全开采具有一定指导性。

关键词：井工一矿;浅部煤层;底部松散层;覆岩结构;影响因素

1 工程概况

中煤平朔集团井工一矿井田内地层由浅到深分别由新生界松散层，二叠煤系地层，石炭系太原组地层和奥陶系地层等构成，倾角由浅入深逐渐变缓（23°～5°）。田内以斜切张扭性断层为主，压扭性断层次之。受构造、风化作用影响，井田范围内基岩面起伏不平，沿背斜轴走向呈现出两边较陡，中间低凹的格局。浅部13-1煤层为其重要开采范围，煤层在其开采过程中，受新生界底部松散含水层、基岩面高低起伏变化、风化带性质及煤层上部覆岩性质及其结构等多种因素共同叠加影响。为此，留设不同高度和类型的煤岩柱是有必要的。

2 浅部煤层开采

目前浅部煤层开采工作面主要集中在西部。截止2015年7月，浅部煤层开采的工作面共计9个，其中普采工作面3个，炮采工作面4个，综采加炮采1个，普采加综采1个。其中8个上提工作面分布在西区，只有一个在东区。在9个浅部工作面回采过程中，其中6个工作面回采过程中出现突涌水现象，其变化范围在3～40m3/h之间，最大出现在1402（3）工作面，其涌水量为40m3/h。另外，还出现1602（3）工作面在回采过程中压架事故，造成近亿元的经济损失。。

3 影响浅部煤层开采主要因素

3.1 底部松散层的富水性程度

新生界松散层厚度南薄北厚，其变化在149～376.34m之间。其底部松散层由黏土层、质黏土、中细砂及砂砾层等组成，呈互层状。由于受沉积前的古地貌起伏影响，其底部松散沉积物出现粗、细颗粒交替，在开采范围内顶部主要以层状砂砾石为主，其次为砂质黏土。依古地形分析以及底部松散层岩性统计，受井田内沉积前所发育一个较大的冲沟影响，其沉积物为一个典型的坡积和洪积以及山间河道所共同所形成产物。通过对底部松散层抽水试验，可以得到其单位涌水量及其渗透系数。

3.2 基岩面及影响因素

（1）构造作用影响。矿区煤系底层形成后，先前受到近南北方向的挤压作用，发生褶曲变形，形成了向斜和背斜的起伏变化，期间也发育了挤压逆断层。后期近南北方向拉长和水平挤压错动，破坏了先前褶曲的完整性，形成了近东西方向断层。这种构造作用奠定了矿区古地形骨架。

（2）岩性变化影响。井工一矿的基岩露头由砂岩、泥岩以及碳酸盐组成，由于这些岩性的颗粒组成和胶结物的类型差异较大，其抗风化能力表现出对应的差异性。硅质胶结砂岩抗风化能力强，而含钙质泥岩抗风化能力弱，而裂隙发育的碳酸盐岩溶发育，这种岩性的差异性，也是造成在同一构造作用条件下古地貌差异的主要原因之一。

（3）后期风化作用影响。长期的物理、化学和生物风化作用，进一步破坏岩性完整性，加快了不同岩层快速崩解速度，同时也加大了古地貌改变力度。

3.3 风化带特征

依已开采工作面范围的206个钻孔统计，煤系基岩风化带的岩性主要由褐红色、土黄色和浅绿色的泥岩、花斑泥岩、砂质泥岩及砂岩组成。其风化带厚为0.45～64.85 m，平均约17.41 m。在风化带岩性中，泥岩比例超过50%的钻孔超过60%，为泥质化，成为良好的隔水层有效地阻隔新生界底部松散含水层对下部砂岩裂隙的补给。基岩风化带厚度具有以下特性：在基岩面较高的位置，其风化带厚度较厚;而在古地貌较低洼处，其化带厚度较薄。

3.4 覆岩水文与工程地质特性

在浅部煤层顶板至风化带之间的覆岩内部发育砂岩裂隙，其富水性具有不均性。依浅部开采范围内4个孔抽水试验资料，其单位涌水量为0.0065～0.0032L/s·m之间，属于弱富水，其渗透系数为0.04～0.56 m/d之间。在工作面在回采过程中，砂岩出水具有开始较大、然后随时间逐渐衰减特征。但不同的工作面由于受多种构造裂隙发育的程度、上覆新生界底部松散层的富水性特征等影响，其水量大小随时间的变化差异较大。以1402（3）工作面为例，该面回采过程中，有四个出水点，分别位于工作面上、下风巷内。其中，二个出水点位于工作面壓架处。由于推进速度缓慢，顶板冒落，上部松散层的砂层水通过导水裂缝带进入工作面。出水时间一般较短。但在该面西部基本顶中～细砂岩厚度大，局部地段裂隙发育，采动加强了砂岩裂隙在垂向和横向上连通性，并与底部松散层发生水力联系，最终形成底部松散层补给砂岩裂隙，导致突水事故。

煤层顶板以砂质泥岩、泥岩为主，其次为砂岩。其中，中～细砂岩单轴抗压强度为110MPa，单轴抗拉强度为3.5 MPa，普氏系数为11.0;泥岩为单轴抗拉强度为1.26 MPa;砂质泥岩单轴抗拉强度为1.36 MPa。

4 结语

综上所述，浅部煤炭在开采过程中，工作面覆岩上方的新生界底部松散层富水性程度，以及基岩露头的岩性及风化程度，并对二者保持不同的水力联系系统分析是开采的先决条件;而煤层顶板的覆岩结构岩性，尤其是顶板的类型划分，是关系到煤层回采过程中，顶板是否安全跨落重要因素。因此，在做好留设合理的煤岩柱高度基础上，重点研究以上这些因素，尤其在动态回采下，其间相互作用关系，是决定浅部煤炭资源安全开采关键因素。

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