冲积层底部含水层下开采防水煤岩柱留设分析*

刘 明

(1.中煤科工生态环境科技有限公司，北京 100013；2.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

某矿属水文地质条件复杂型矿井，主要充水水源为煤系砂岩裂隙水、岩溶裂隙水和冲积层孔隙水。在开采露头区附近煤层时，冲积层底部含水层是影响工作面开采的主要充水水源，由于冲积层底部含水层富水性强，开采露头区附近煤层时，必须留设防水安全煤岩柱。根据矿井开采规划，该矿拟对风井煤柱区的12煤进行开采，风井煤柱区东部为煤层露头区，依据现有勘探资料和以往开采揭露情况，风井煤柱区第四系冲积层底部卵砾石含水层为强富水性含水层，开采过程中若防水煤岩柱留设不合理，底部砾石层水将直接进入工作面，威胁矿井安全生产。针对冲击层含水层下开采导水裂缝带发育规律及防水煤柱留设，科研人员进行了大量的研究，参照相关研究成果[1-4]，本文在分析冲积层底部含水层、覆岩结构、导水裂缝带实测基础上，对12煤分层开采条件下防水煤岩柱留设尺寸进行了分析。

1 冲积层底部含水层及煤层覆岩结构

1.1 冲积层底部含水层

该井田范围内直接充水含水层主要包括5煤层顶板砂岩裂隙承压含水层、5～12煤层砂岩裂隙承压含水层组和12～14煤层砂岩裂隙承压含水层。间接充水含水层主要为奥陶系灰岩强含水层组、中石炭统14煤～唐山灰岩含水层组和第四系冲积层强含水层组。各含水层之间都有较好的隔水层存在，水力联系微弱。上覆岩层中第四系冲积层厚度170～280 m，赋存4个含水层，1个潜水含水层和下部3个承压含水层组成，即浅部潜水含水层，为中等富水性含水层；上部砂岩含水层，为中等富水性含水层；中部卵石层含水层，为强富水性含水层；底部卵砾石含水层，为强富水性含水层。其中，第四系底部卵砾石含水层为本次需要留设防水煤岩柱的含水层，其上部多中细砂层、底部多含砂砾石层，分布广，呈多层透镜状，据抽水试验结果，单位涌水量2.887 L·s-1·m-1，渗透系数35.46 m/d，水质类型为HCO3-CaMgNa型，属淡软水。第四系底部卵砾石含水层平面上分布不连续，导致其平面上富水性差异明显。根据周边钻孔，设计区域第四系底部卵砾石层厚度变化较大，厚度12.71～48.44 m，底部黏土层赋存区较少，大部分区域底部无黏土隔水层。根据矿井综合水文地质资料，第四系底砾含水层大部分区域内与基岩风化带直接接触，基岩风化带厚5.57～9.75 m，以中细砂岩为主，颜色为棕红色和浅黄色，风化性较强，不含水。12煤距底部卵砾含水层55～160 m，平均距离105 m，基岩面与12煤层底板等高线如图1所示。

图1 基岩面与12煤层底板等高线对比图

1.2 覆岩结构

根据钻孔统计，设计区域12煤层顶板至5煤层顶板以上40 m范围内，砂岩类岩层厚度34.53～136.34 m之间，平均厚度为85.45 m，占比约76.72%，泥岩类岩层厚度介于3.09～81.01 m，平均厚度29.11 m，占比23.28%，因此,12煤覆岩岩性以砂岩类岩层为主，泥岩类岩层含量相对较低。参照该矿煤层顶底板物理力学性质测试成果，砂岩岩层类单轴抗压强度平均55.72 MPa，泥岩类岩层单轴抗压强度平均26.25 MPa。根据不同岩性岩层厚度占比，求得设计区域12煤顶板至5煤层顶板40 m范围内覆岩的综合强度为46.88 MPa[5-6]。考虑部分钻孔位置第四系底部有一定厚度黏土隔水层和基岩风化带存在，其岩体强度已接近软岩条件，受底黏和基岩风化带影响，基岩柱整体强度显著降低，综合确定基岩段整体强度应在40 MPa以内，设计区域12煤覆岩属于中硬型覆岩类型。

2 覆岩破坏高度实测

为了研究覆岩垮落带和裂隙带发育情况，矿方对3553S工作面顶板“两带”进行了观测，其顶板覆岩岩性与12煤层相似，以砂岩类岩层为主。3553S工作面位于相邻的南五采区煤层露头附近，于2012年采用综合机械化开采，采厚2.2 m，垮落法管理顶板，煤层倾角3°～8°，上覆岩层以粉砂岩、细砂岩为主。为了观测顶板“两带”，在3573S工作面设计了D01和D02两个钻孔分别进行探测。D01观测钻孔由侧帮斜向上39°穿入3553S工作面采空区上方，预计孔深86 m；D02钻孔由侧帮斜向上46°穿入3553S工作面采空区上方，预计孔深131 m。

根据D01钻孔钻探和压水试验结果，如图2所示，确定工作面试验孔处覆岩导水裂缝带大约在孔深85～105 m之间，最大垂高为65.3 m，由于钻孔位置距离煤层28 m，即导水裂缝带发育最大高度为37.3 m。根据D02钻孔钻探和压水试验结果，如图3所示，确定工作面试验孔处覆岩导水裂缝带大约在孔深86～90 m之间，垂高为64.8 m，由于钻孔位置距离煤层28.85 m，即导水裂隙带发育最大高度为35.95 m。根据D01、D02钻探和压水试验结果，综合确定试验孔处覆岩导水裂缝带顶点大约位于孔深100 m左右，导水裂隙带最大高度为35.95～37.3 m，工作面采厚为2.2 m，则开采的覆岩破坏高度与开采厚度的比值即裂采比为16.34～16.95，取裂采比为17。

图2 D01孔流量观测图

图3 D02孔流量观测图

3 防水煤柱留设分析

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》(以下简称《“三下”开采规范》)，不同采动等级的水体其允许采动程度及留设安全煤岩柱类型不同[7]。根据本区水文条件，水体采动等级为I级，不允许导水裂缝带波及到水体，需留设顶板防水安全煤岩柱。防水安全煤岩柱(Hsh)的最小尺寸应当大于导水裂缝带的最大高度(Hli)加上一定厚度的保护层(Hb)：Hsh≥Hli+Hb。

3.1 覆岩破坏高度预计

覆岩破坏高度即导水裂缝带高度发育情况与采煤方法如普采、综采、综放采煤方法，以及顶板管理方法如垮落法、充填法等有关。采煤方法不同，其导水裂缝带发育高度及预计方法不同。该矿采煤方法为综采，当煤层厚度较大时采用分层综采。

3.1.1 参照经验公式

厚煤层分层开采条件下，导水裂缝带高度预计参照《“三下”开采规范》附表4-2中公式计算。该区覆岩中硬，取导水裂缝带高度计算公式：

(1)

或

(2)

根据该矿开采条件，矿方规划对风井煤柱区进行分层综采，首分层设计采厚4.0 m、二分层设计采厚2.5 m，累计采厚6.5 m。参照覆岩中硬条件下导水裂缝带预计公式，风井煤柱区分层开采导水裂缝带高度计算结果如表1所示。

表1 经验公式预计分层开采导水裂缝带高度/m

由表1可知，“式(1)”较“式(2)”防水煤岩柱小，故为确保安全，取 “式(2)”计算该矿12煤层各分层开采后的导水裂缝带高度，即首分层开采4.0 m后，导水裂缝带高度为50.0 m；二分层开采2.5 m后，累计开采厚度6.5 m，导水裂缝带高度为60.99 m。

3.1.2 参照其他矿区现场实测

该矿实测裂采比为17，由于该区未进行过二分层导水裂缝带观测，故无实测数据。参照山东兴隆庄煤矿和山西五阳煤矿分层综采导水裂缝带观测成果[8]：二分层开采的裂采比较首分层低，兴隆庄煤矿二分层裂采比约为首分层裂采比的73%，五阳煤矿二分层裂采比约为首分层裂采比的65%。综合分析，分层开采二分层裂采比约为首分层裂采比的70%。借鉴该实测结果，计算该矿二分层裂采比为12。根据裂采比预计的导水裂缝带高度如表2所示。

表2 参照分层开采实测裂采比预计导水裂缝带高度/m

综上分析，根据规范经验公式预计的导水裂缝带高度小于采用裂采比预计的导水裂缝带高度，故为安全起见，导水裂缝带高度预计采用实测裂采比预计。根据裂采比计算首分层开采4.0 m后，导水裂缝带高度为68.0 m；二分层开采2.5 m后，累计开采厚度6.5 m，导水裂缝带高度为78.0 m。

3.2 防水安全煤岩柱留设

防水安全煤岩柱的最小尺寸应当大于导水裂缝带的最大高度加上一定厚度的保护层。参照《“三下”开采规范》附表4-3防水安全煤(岩)柱保护层厚度，由于本区底部黏土层赋存区较少，大部分区域底部无黏土隔水层，故防水安全煤(岩)柱保护层厚度可根据有无黏性土层、黏性土层厚度及松散层厚度进行选取，则保护层厚度取6A，保护层厚度及防水煤岩柱高度如表3所示。

表3 防水安全煤岩柱高度/m

通过计算可知，首分层开采4.0 m后，防水安全煤岩柱高度为92.0 m；二分层开采2.5 m后，累计开采厚度6.5 m，防水安全煤岩柱高度为97.5 m。

4 安全开采技术措施

(1)采掘过程中应采用钻探为主的方法探明基岩面起伏变化，进一步探查基岩风化带的富水性和风化程度，同时，开采波及区外应至少有一个第四系冲积层含水层观测孔，观测回采过程中冲积层底部含水层水位、水量变化情况。

(2)该矿尚没有冲积层下大采高及分层开采的导水裂缝带发育高度经验数据，建议开采过程中加强大采高及分层条件下导水裂缝带发育高度观测及研究，以确保冲积层含水层下安全开采，并为下一步开采提供经验。

(3)建立健全畅通的矿井、采区及工作面疏排水系统；工作面要配备良好的信号装置和通信电话，并能与地面调度室直接联系；编制切实可行的避灾方案和防水避灾路线、绘制避灾路线图，编制工作面突水防治应急预案；要加强置于生产巷道中临时物品的存放管理，保持行人、排水、通风、运输的通畅[9-10]。

(4)井田范围内断层和陷落柱构造发育，回采前对开采区域及周边异常构造发育情况、断层含导水情况等进行核实，进一步修正构造条件下的防水煤柱高度。

(5)采掘过程中严格执行《煤矿安全规程》、《煤矿防治水细则》、《“三下”开采规范》有关水体下采煤的技术措施、安全措施和规定。

5 结 论

该区第四系底部卵砾石含水层为强富水性含水层，具有厚度变化较大、平面上分布不连续、底部无稳定黏土隔水层等特征。12煤覆岩以砂岩类岩层为主，泥岩含量相对较低，覆岩属于中硬型覆岩类型。结合该区地质采矿条件，参照厚煤层分层开采导水裂缝带高度预计经验公式及厚煤层分层开采实践，综合确定了该区12煤分层开采条件下第四系底部卵砾石含水层防水安全煤岩柱高度，首分层开采4.0 m，防水安全煤岩柱高度为92.0 m；二分层开采2.5 m、累计开采厚度6.5 m，防水安全煤岩柱高度为97.5 m，并提出了相应安全技术措施。