河流下断层煤柱区残采工作面安全开采分析

张玉军

(天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)



特殊采煤与矿区环境治理

河流下断层煤柱区残采工作面安全开采分析

张玉军

(天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

以权家河煤矿河流下断层煤柱区残采回采为例，在分析确定5329残采工作面覆岩类型的基础上，预计了断层存在条件下的导水裂缝带高度，对地面河流和第四系含水层这一复合水体留设了防水安全煤岩柱，并确定了合理开采厚度，根据河流与工作面、断层的空间关系，在回采的不同阶段留设了不同的断层煤柱。研究结果表明：针对5329工作面埋深浅的条件，采高控制在2.3m的条件下能满足留设防水煤柱岩柱的要求；在距切眼120m阶段，开采该阶段需要留设的断层煤柱尺寸不小于21m，120～停采线阶段，需要留设的最小断层煤柱尺寸为72.5m，才能保证安全回采。

河流下；断层煤柱；残采工作面；安全性

水体下采煤技术已经在我国近百个矿区得到成功应用，涉及到的水体涵盖了地表水体、第四系松散层水、基岩孔隙裂隙水、老空区积水及岩溶水等多种赋存形态的水体，解放了大量水体压煤，延长矿井服务年限，取得了巨大的经济与社会效益。但是，随着多年来煤炭资源的不断开采,优质煤炭资源越来越少,但已采的矿井遗留有大量煤炭资源,进入残采区阶段[1-8]。特别是部分矿井，由于残采工作面回采埋深浅，且回采的是部分构造安全煤柱。为此，地面水体成为矿井残采工作面的主要安全威胁，而且由于断层的存在，一旦采动影响波及到水体，地表水体极有可能构成断层煤柱回采的充水水源。

1　矿井及工作面概况

权家河煤矿隶属于陕西煤业化工集团澄合矿业有限公司，位于渭北煤田中段澄合矿区中西部。始建于1970年4月，设计生产能力0.6Mt/a ，单采5号煤层，一、二水平大巷标高分别为+410m和+290m，基本采用长壁采煤法。截至2009年全井田已回采结束，+290m水平以下全部封闭，目前仅处于回收局部工作面、构造安全煤柱。5329工作面开采权家河断层煤柱区，位于一水平三采区，地面标高+518～+570m，工作面标高为+370～+395m，煤层埋藏深度130～200m，北为5303进风巷采空区，南邻权家河正断层，东为原二水平总回风暗斜井，西部为原小煤窑堵截巷。走向长420～570m，倾斜长45～55m，煤层厚度2.2～3.2m，平均厚度2.84m，煤层倾角3～22°，平均7°。

该区域主要为k4，k中顶板裂隙水及k3底板裂隙水。5329工作面南部主要受权家河断层影响，该断层为正断层，最大落差70m，倾角60°。县西河流经权家河井田东部，是井田范围内唯一的河流，最小0.1m3/s，最大3.24m3/s，洪峰流量4.23m3/s。县西河历史最高洪水位+565～+570m。目前权家河断层煤柱地表已靠近县西河，且煤柱内部断层发育，据29号孔、观2孔资料，此区段5煤埋深仅为75～150m，县西河地表水体可能构成断层煤柱回采的充水水源。断层与5329工作面、县西河相对位置如图1所示。

图1　5329工作面与河流、断层相对位置

2　河流下断层煤柱区安全开采原则

根据对5329工作面的水文地质及采矿条件的分析，其开采面临的主要防治水问题是如何在地表县西河、第四系含水层和二叠系砂岩裂隙含水层多重水体威胁下安全采煤。但是，权家河煤矿地质勘探情况和现有的矿井涌水量数据表明，二叠系砂岩裂隙含水层富水一般。此外，第四系含水层整体属富水性弱～中等的含水层，但是必须考虑第四系含水层与县西河的水力联系。因此，针对权家河这一复合水体类型，应该采取以防为主，顶水开采的原则。按照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》的有关规定[2]，不允许采动形成的导水裂缝带波及到第四系含水层，以避免县西河河水与第四系含水层导通区段矿井涌水量增大，导致河水下泄形成突水事故。因此，安全开采的首要条件是在第四系含水层底界下留设足够的防水安全煤岩柱。

同时，由于5329工作面开采的是断层煤柱区，工作面南部紧邻权家河断层，且工作面埋深浅，因此针对断层需要在留设足够的断层防水煤柱的同时，保证采动影响不波及到权家河断层，即使得导水裂缝带的最高点不接触到断层。

3　河流下防水煤岩柱留设确定

3.1断层条件下导水裂缝带高度预计

由权家河煤矿5329工作面附近区域揭露5号煤层的钻孔资料可知，5号煤覆岩范围的基岩柱内，泥岩类岩层厚度约占所统计的基岩柱厚度的13.27%，砂岩类岩层厚度占87%。而砂岩单轴抗压强度介于20.1～38.4 MPa之间，平均28.85MPa，但是从砂岩所占的比例来看，占据了覆岩的绝大部分，有利于导水裂缝的发育，不利于水体下安全采煤，因此研究认为5号煤层覆岩类型可确定为中硬型。

5329工作面5号煤层厚度介于2.05～3.82m之间，因此覆岩破坏高度可依据《规程》中的中硬类型覆岩的经验公式进行计算。

导水裂缝带高度预计选取的计算公式为：

(1)

式中，Hli为导水裂缝带最大高度，m；∑M为累计采厚，m。

但是，由于5329工作面南为权家河断层，所以断层构造的存在将会增大导水裂缝带高度的发育。根据我国实测认为，断层构造条件下覆岩破坏高度可按增大43%考虑。由此计算得到的各个钻孔的导水裂缝带高度如表1所示。

表1　5329工作面钻孔垮落带、导水裂缝带高度计算

3.2县西河下防水安全煤岩柱确定

一般情况下，防水安全煤岩柱由导水裂缝带高度与保护层厚度组成，但是由于5329工作面区域上覆第四系为砂砾层等透水层与基岩接触，而基岩顶面风化带为砂岩类，具有一定透水性，故防水安全煤岩柱设计应考虑基岩风化带的厚度，在这里基岩风化带取20m，即：

Hsh≥Hli+Hb+Hf

(2)

式中，Hsh为防水安全煤岩柱高度，m；Hb为保护层厚度，m；Hf为基岩风化带厚度，m。

《规程》中规定防水安全煤岩柱的保护层厚度可根据有无松散层及其中黏性土层厚度进行选取。县西河和第四系松散含水层水体下防水安全煤岩柱是由石炭二叠系地层组成，主要由石盒子组地层组成。由钻孔资料可知，第四系底部局部发育有砂砾层，部分区域黄土直接覆盖基岩，第四系底部无黏性土相隔，而且与砂砾岩层直接接触的基岩岩层中均为砂岩，厚度在8.00～15.84m之间，因此，保护层厚度选取中硬覆岩型6倍采高。

由此计算得到的工作面范围内各钻孔揭露煤层厚度处需要的留设防水煤岩柱高度见表2。将最小防水安全煤岩柱高度与主采煤层顶板基岩厚度做差值计算，若基岩厚度大于最小安全煤岩柱厚度(两者差值为正)则表示基岩岩柱能满足要求，反之，则不能满足要求。从表2可知，由于基岩厚度薄，均不能满足防水安全煤岩柱最小高度要求。因此，5329工作面开采需要采取限高开采措施才能满足留设防水煤岩柱的要求。

表2　防水安全煤岩柱最小高度与5煤顶板基岩厚度对比

3.3合理采高确定

合理采高厚度可由基岩厚度除以防水安全煤岩柱厚度与采高比值得出。由表2可知，设计的防水煤岩柱高度和采高比值介于28.0～40.3之间，且随着煤层厚度的增加，柱厚比呈现减小趋势，在这里取柱厚比35作为计算合理采高的依据。5329工作面区域基岩厚度在80～90m之间，且由东(开切眼)至西逐渐减小，由此可以反算得到5329工作面的合理开采厚度介于2.28～2.57m之间，如图2所示。但是，由于5329工作面范围内钻孔少，对基岩及煤层厚度存在较大的误差，因此确定5329工作面的合理开采厚度为2.3m。

图2　5329工作面合理采高等值线

4　权家河断层防水煤柱确定

由5329工作面与河流的相对位置关系可知，在距切眼120m阶段，河流不在工作面上方，同时距离断层也较远，因此根据《煤矿防治水规定》，含水或导水断层的煤层顺层防隔水煤(岩)柱的留设可参照下列经验公式计算[9]：

(3)

式中，L为煤柱留设的宽度，m；K为安全系数，一般取2～5；M为煤层厚度或采高，m；p为水头压力，MPa；Kp为煤的抗拉强度，MPa。

根据权家河煤矿具体地质条件，各参数取值分别为：安全系数K取3.0，煤层采高M取确定的合理采高2.3m，水头压力为1.0MPa，5煤的抗拉强度资料中未给出，参照相关文献取0.08MPa，由此可计算得出该阶段开采顺层煤柱宽度L不得小于21m。

但是，为了保证采动影响不波及到权家河断层，需要在留设足够的断层防水煤柱的同时，必须使得导水裂缝带的最高点不接触到断层。图3是沿5329工作面河流距离断层最近处做的剖面。由图3可知，在目前留设的断层煤柱条件下，采动形成的导水裂缝带顶点已经进入到断层，要使采动形成的导水裂缝带顶点不接触到权家河断层，由此计算得到需要留设的最小煤柱尺寸为34.37m(在这里取35m)。

图3　沿5329工作面河流距离断层最近处做的剖面

根据《煤矿防治水规定》，当煤层与导水断层接触并局部被覆盖时，如图4所示。当含水层顶面高于最高导水裂缝带上显示，防隔水煤岩柱计算公式为：

L=L1+L2+L3=Hacscθ+HLcotθ+HLcotδ

(4)

式中，L为煤柱留设的宽度，m；Ha为断层安全防隔水煤岩柱的宽度，m；HL为最大导水裂缝带高度，根据权家河煤矿具体地质条件，采厚为2.3m时，预计导水裂缝带最大高度为53.2m；θ为断层倾角，(°)，依据断层产状资料，取70°；δ为岩层塌陷角，(°)，依据《规程》中相关实测数据，为安全起见，取极限值65°。

图4　断层煤柱留设

断层安全防隔水煤岩柱的宽度Ha应根据矿井实际观测资料来确定，即通过总结本矿区在断层附近开采时发生突水和安全开采的地质、水文地质资料，计算突水系数的安全临界线[4]。Ha值也可以按下列公式计算：

Ha=p/Ts+10

(5)

式中，p为防隔水煤岩柱所承受的静水压力，MPa；Ts为临界突水系数，MPa/m；保护层厚度为10m。

因矿井无突水系数相关资料，依类似矿区经验值取临界突水系数Ts为0.06，求算得：

Ha=p/Ts+10=1/0.06+10=26.7(m)

L=L1+L2+L3=26.7×1.06+53.2×0.36+53.2×0.47=72.5(m)

经计算，需针对断层留设的煤柱为72.5m。

因此，综合上述计算结果，断层隔水煤柱留设的最小宽度为72.5m。

综合以上分析可知，在距切眼120m阶段，河流不在工作面上方，同时距离断层也较远，因此在经过探查证实断层不导水的情况下，开采该阶段需要留设的断层煤柱尺寸不小于21m。120～停采线阶段，需要留设的最小断层煤柱尺寸为72.5m，如图5所示。

图5　不同阶段断层煤柱留设

5　安全性分析

实现县西河和松散含水层复合水体下顶水安全开采的基本原则，就是在第四系含水层底界下留设足够的防水安全煤岩柱，使采动形成的导水裂缝带不波及到第四系含水层。针对5329工作面埋深浅的条件，通过计算合理采高控制在2.3m的条件下，能满足留设防水煤柱岩柱的要求。而且按照采高2.3m计算，采深采厚比为47.8，根据河流下安全开采案例可知，当采用全部垮落方法开采时，河下安全开采的深厚比最小为30～40，因此从采深采厚比来看，也能实现县西河下的安全开采。但是，在这里需要引起注意的是5329工作面回采的是断层煤柱区，由于断层的存在，县西河地表水体也可能构成断层煤柱回采的充水水源，因此按照上述确定的安全开采厚度的条件下，针对权家河断层在不同回采阶段留设足够的断层煤柱，才能确保5329工作面的最终安全开采。

[1]张玉军，李英辉，殷志刚，等.梅河矿区砂砾含水层下残采综放工作面防溃泥突水技术及实践[J].煤矿开采，2013，18(5)：76-79.

[2]国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M].北京：煤炭工业出版社，2000.

[3]煤炭科学研究总院北京开采研究所.煤矿地表移动与覆岩破坏规律及应用[M].北京: 煤炭工业出版社，1983.

[4]张玉军，胡炳南，侯善军，等.袁店二井82采区F高长营断层防水煤柱留设与评价[A].全国“三下”采煤学术会议论文集[C].北京：中国煤炭学会，2012.

[5]贾立明，张玉军.采空区积水下急倾斜厚煤层水平分层综放开采安全性分析[J].金属矿山，2015(4)：97-101.

[6]樊秀志，李鹏，刘正和.旧采残煤区长壁综采支承压力分布研究[J].矿业研究与开发，2013(3)：7-10.

[7]李晓宇.塑性煤柱区巷道掘进数值模拟研究[J].煤炭技术，2015，34(9)：101-103.

[8]许孟和.旧采残煤长壁综采围岩控制及安全保障技术研究[D].太原：太原理工大学，2012.

[9]国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局.煤矿防治水规定[M].北京：煤炭工业出版社，2009.

[责任编辑：李青]

Safety Mining Analysis of Residual Mining Working Face in Coal Pillar Area Around Fault under River

ZHANG Yu-jun

(Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.,Ltd.，Beijing 100013，China)

It taking residual mining of coal pillar area around fault under river of Quanjiahe coal mine，and overburden types of 5329 residual working face were determined,then water flowing fractured zone height under fault situation was predicted，water proof safety coal and rock pillar was arranged under compound water situation，which include surface river and the Quaternary aquifer，reasonable mining thickness was determined，according spacial position relation of river，working face and fault，different size fault coal pillar was arranged in different mining step. The research showed that based on the shallow mining depth of 5329 working face，mining height kept as 2.3m，then the demand that water proof coal and rock pillar could be meet，when during the step that to open-off cut about 120m，fault coal pillar size during mining step not less than 21m，when the step to 120m to mining stop line，the minimal coal pillar size is 72.5m，then mining safety could be guaranteed.

under river；fault coal pillar；residual mining working face；safety

2015-11-18

中国煤炭科工集团资助项目：半固结砂岩含水层下采煤突水溃砂机理及防治(2014MS004)

张玉军(1978-)，男，河北怀安人，博士，副研究员，主要从事水体下采煤及矿井水害防治技术研究。

TD823.83

A

1006-6225(2016)05-0064-04

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.05.018

[引用格式]张玉军.河流下断层煤柱区残采工作面安全开采分析[J].煤矿开采，2016，21(5)：64-67.