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淺埋煤層頂板突水潰砂防治工程及開采安全性研究

文檔作者：汪曉靜解禮科張建文檔來源： 1．山東煤礦機(jī)電裝備安全檢測(cè)中心 2．山東公信安全評(píng)價(jià)有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2022年11月19日
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煤礦現(xiàn)代化 2015-r第4期 總第127期
淺埋煤層頂板突水潰砂防治工程及開采安全性研究
汪曉靜 ，解禮科 ，張建：
(1．山東煤礦機(jī)電裝備安全檢測(cè)中心，山東棗莊2771~；2．山東公信安全評(píng)價(jià)有限公司，山東棗莊277100)
摘要通過地面綜合電法和井下水文地質(zhì)鉆探手段基本查清了4202工作面頂板基巖厚度、富水異
常區(qū)、基巖風(fēng)氧化帶厚度及其富水性、導(dǎo)水構(gòu)造及其富水性，計(jì)算出防水安全巖柱厚度和防砂安全巖
柱厚度。最終確定工作面的停采線不應(yīng)超過f6斷層，并留足該斷層防水煤柱。但在回采過程中要加強(qiáng)
頇板涌水的觀測(cè)，并制定相應(yīng)的對(duì)策措施，為工作面的安全回采提供技術(shù)支持。
關(guān)鍵詞 淺埋煤層；突水潰砂；安全巖柱
中圖分類號(hào)：TD745．2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1009—0797(2015)04—0074—03
潰砂是指近松散層采掘時(shí)含砂量較高的水砂混
合流體潰人井下工作面，并造成財(cái)產(chǎn)損失或人員傷亡
的一種礦井地質(zhì)災(zāi)害。礦井突水潰砂災(zāi)害主要是由于
淺埋深、薄基巖、上覆含水層的富水性和采動(dòng)覆巖的
破壞形式等因素決定的。礦井突水潰砂事故對(duì)煤礦正
常生產(chǎn)的影響非常大，常造成泥沙淤塞T作面和巷
道，掩埋機(jī)械設(shè)備，清理恢復(fù)極為困難，造成嚴(yán)重的經(jīng)
濟(jì)損失。內(nèi)蒙古石場(chǎng)灣煤礦4202回采工作面面臨著
頂板突水潰砂的潛在威脅，突水潰砂災(zāi)害已成為影響
該礦安全生產(chǎn)和正常回采的關(guān)鍵問題之一，嚴(yán)重影響
著煤炭資源的回收率、產(chǎn)量和效益。因此，針對(duì)石場(chǎng)灣
煤礦4202工作面頂板突水潰砂可行性開采的研究，
已成為該礦發(fā)展亟需解決的重要難題之一。
1 4202工作面水文地質(zhì)條件
1．1 地質(zhì)條件
石場(chǎng)灣煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力0．3Mda，主采4-2煤
層，平均厚度2．8m，頂板巖性為中、細(xì)粒砂巖或泥質(zhì)
粉砂巖，局部埋藏較淺的地段，巖石受風(fēng)化影響其強(qiáng)
度較低；底板以粉砂質(zhì)泥巖、泥巖為主。4—2煤層埋深
35．9 69．1lm，頂板基巖厚度只有1．9～54．28m，風(fēng)氧
化帶厚8m(依據(jù)井田內(nèi)地質(zhì)資料提供的煤層風(fēng)化深
度)，風(fēng)積沙厚約10m，屬于淺埋煤層。4202回采工作
面位于井田的北部，工作面標(biāo)高+1217．43一+1227．
39m，工作面東西走向長(zhǎng)840m，南北寬150m。根據(jù)工
作面的巷道揭露，斷層不發(fā)育，共揭露7條小斷層，
落差在0．5—3m之間。
1．2 水文地質(zhì)條件
4-2煤層頂板含水層主要有第四系孔隙潛水含
水層和煤層頂板砂巖含水層。第四系孔隙潛水含水
層以風(fēng)積砂、沖洪積物、砂礫石層為主，富水性弱，局
部為中等，為開采4—2煤層的間接充水含水層。煤層
頂板砂巖含水層以砂質(zhì)泥巖和砂巖為主，單位涌水
量q=0．002Us·m，富水性弱，為開采4—2煤層的直
· 74 ·
接充水含水層。4202工作面距離北部邊界的河床較
近，由于大氣降水的補(bǔ)給以及礦井排水，致使河床附
近的沙層處于飽和富水狀態(tài)。
2 4202工作面水文地質(zhì)勘探與分析
石場(chǎng)灣煤礦采用地面綜合電法探測(cè)和井下水文
地質(zhì)鉆探等手段對(duì)工作面的水文地質(zhì)條件進(jìn)行綜合
探查，確定4—2煤層頂板埋深、基巖的厚度及其富水
性和分布情況、基巖風(fēng)氧化帶厚度及其富水性、導(dǎo)水
構(gòu)造及其富水性。
2．1 地面綜合電法探測(cè)
地面綜合電法勘探的主要目的是分析4202工
作面范圍內(nèi)的水文地質(zhì)分布規(guī)律，并對(duì)基巖富水區(qū)
進(jìn)行預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)，可以作為煤礦水文地質(zhì)分析和井下
探放水設(shè)計(jì)的依據(jù)。電法勘探的結(jié)果：
(1)4202工作面頂板富水性分布不均勻。
(2)4202工作面局部存在異常區(qū)，并對(duì)含水性強(qiáng)
弱及上下含水層可能存在的聯(lián)系進(jìn)行了定性分析。
(3)地表松散層及基巖上部富水區(qū)分布較多，大
多呈水平層狀分布，相互之間水力聯(lián)系不密切，部分
地段存在與下部地層連通的可能性。
(4)測(cè)區(qū)西部4—2煤頂板埋深較淺(32～57m)，
而在靠近河床處無低阻異常區(qū)顯示(其特別說明因
為埋藏較淺瞬變電磁對(duì)淺部地層的低阻體反映不太
清晰)，需要對(duì)這一區(qū)域進(jìn)行井下鉆探，驗(yàn)證其頂板
富水性。
圖1 4202工作面綜合電法探測(cè)成果圖
煤礦現(xiàn)代化 2015年第4期 總第127期
2．2 井下水文地質(zhì)鉆探
為了保證4202工作面安全開采，驗(yàn)證地面綜合
電法探測(cè)圈定的異常區(qū)富水性，石場(chǎng)灣煤礦利用井
下鉆探的方法對(duì)工作面頂板異常區(qū)巖層富水性、基
巖厚度等水文參數(shù)進(jìn)行探查?，F(xiàn)場(chǎng)勘查鉆孔布置在
4202運(yùn)煤巷、軌道巷巷道內(nèi)，共設(shè)計(jì)鉆孔個(gè)數(shù)12個(gè)，
累計(jì)孔深720m，鉆孔布置參見圖2。
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圖2 4202工作面鉆孔布置平面圖
根據(jù)已施工的1 1個(gè)鉆孔資料分析(4號(hào)鉆孔不
再施工)，有5個(gè)鉆孔無水，6個(gè)鉆孔有水。其中5號(hào)、
9號(hào)、10號(hào)鉆孔的出水量較大并且5號(hào)鉆孔有突水
潰砂現(xiàn)象出現(xiàn)，水量5．4～40m3~，水壓0．22～
0．3MPa，說明靠近河床處的4—2煤層頂板的富水性
相對(duì)較強(qiáng)，且存在突水潰砂的危險(xiǎn)性。鉆孔揭露的基
巖厚度1．9～54．28m，風(fēng)積砂、黃泥的厚度1．42～
25．5m。各施工鉆孔基巖厚度及出水情況見表l。
表1 各施工鉆孔基巖厚度及出水情況表
?孔號(hào) 鉆 (m) 盆鉆 進(jìn)垂深(m)帶翁厚(化m ) 基器(m) 度 ?一 水?壓
3 4202工作面頂板突水潰砂可能性分析
經(jīng)探查4202工作面煤層頂板基巖厚度1．9—
54．28m，頂板靠近“風(fēng)氧化帶”，部分基巖上覆為強(qiáng)風(fēng)化
的褐、黃色砂巖與泥巖，該段范圍內(nèi)伴有淋水，水量約
13m ／h。由于煤層頂板靠近強(qiáng)風(fēng)化帶，上覆松散層厚度
較大，并且上覆潛水長(zhǎng)期滲透、浸蝕，使該段煤層頂板
強(qiáng)度大大降低。在工作面推進(jìn)過程中遇到斷層、導(dǎo)水
裂隙等通道時(shí)，4—2煤層頂板砂體可能會(huì)在水頭壓力
的作用下沿通道進(jìn)入工作面，特別是工作面外段靠近
北部邊界河床一側(cè)開采有突水潰砂的危險(xiǎn)。因此，為
了實(shí)現(xiàn)4202工作面的安全回采，需要對(duì)工作面煤層
頂板突水潰砂的可能性進(jìn)行分析。
3．1 防水安全巖柱計(jì)算
留設(shè)防水安全巖柱的目的是不允許導(dǎo)水裂縫帶波
及水體。根據(jù)4202工作面頂板巖石屬軟弱巖層的條件
和“三下”采煤規(guī)程規(guī)定，可按軟弱巖層選取計(jì)算公式，
防水安全巖柱( )應(yīng)大于或等于導(dǎo)水裂縫帶(H )加上
保護(hù)層厚度(Hh)。導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算公式：
Hli= ±4
式中：H，i為導(dǎo)水裂縫帶高度，m；ΣM為累計(jì)采厚，m。
保護(hù)層厚度計(jì)算公式：
H 5A
煤層一次采全高2．8m時(shí)，經(jīng)計(jì)算H i=24．47m，
H =14m，防水安全巖柱厚度取39m。
3．2 防砂安全巖柱計(jì)算
留設(shè)防砂安全巖柱的目的是允許導(dǎo)水裂縫帶將
波及松散弱含水層或已疏降的強(qiáng)含水層，但不允許
垮落帶接近松散層底部，防止水砂潰入井巷。根據(jù)
4202工作面頂板巖石屬軟弱巖層的條件和“三下”
采煤規(guī)程規(guī)定，可按軟弱巖層選取計(jì)算公式，防砂安
全巖柱(H )應(yīng)大于或等于垮落帶(H )加上保護(hù)層厚
度(H )。垮落帶高度計(jì)算公式：
u 一100ΣM ．1<
“
式中：H 為垮落帶高度，m；ΣM為累計(jì)采厚，m。
煤層一次采全高2．8m時(shí)，經(jīng)計(jì)算Hm=7．2m，
H =14m，防砂安全巖柱厚度取22m。
3．3 頂板突水潰砂可能性分析
根據(jù)4202工作面已施工鉆孑L揭露的基巖厚度
與防砂安全巖柱厚度、防水安全巖柱厚度對(duì)比分析
知，5、9、10、1l、12號(hào)鉆孔基巖厚度小于39m，不滿足
防水安全巖柱厚度要求；5、9、10、12號(hào)鉆孔基巖厚度
小于22m，不滿足防砂安全巖柱厚度要求。鉆孔基巖
厚度與防水、防砂安全巖柱對(duì)比參見表2。
表2 鉆孑L基巖厚度與防水、防砂安全巖柱對(duì)比表
· 75 ·
煤礦現(xiàn)代化 2015年第4期 總第127期
根據(jù)井下鉆孑L資料，11號(hào)鉆孑L以里防水安全巖
柱厚度符合規(guī)定，具備安全生產(chǎn)條件，煤層頂板發(fā)生
突水潰砂的可能性不大。雖然1 1號(hào)鉆孔防水安全巖
柱的厚度不符合規(guī)定，但是其防砂安全巖柱的厚度
符合規(guī)定，并且考慮到頂板含水層富水性微弱、不均
勻，應(yīng)在6—8號(hào)鉆孔之間往工作面方向再補(bǔ)l一2個(gè)
鉆孔，查明11號(hào)鉆孔兩側(cè)基巖厚度，在保證防水安
全巖柱厚度符合規(guī)定后，方可繼續(xù)向外推采。考慮到
小斷層、導(dǎo)水裂隙等因素的影響，4202工作面停采線
不應(yīng)超過f6斷層，并留足該斷層防水煤柱。若補(bǔ)打的
鉆孔有水，工作面停采線位置還得往里，要確保回采
區(qū)域的基巖厚度滿足防水安全巖柱要求。
由圖2可以看出5、9、10、12號(hào)鉆孔靠近河床，
這4個(gè)鉆孔不僅防砂安全巖柱厚度不足，并且出水
量相對(duì)較大，若4202工作面回采到12號(hào)鉆孔以外
時(shí)發(fā)生頂板突水潰砂的可能性較大。
4 結(jié)論
(1)利用地面綜合電法和井下水文地質(zhì)鉆探基
本查清了工作面的富水區(qū)域和基巖厚度，可以作為
制定防治水方案的依據(jù)。
(2)在采高2．8m的條件下，工作面防水安全巖
柱厚度不小于39m，防砂安全巖柱厚度不小于22m。
(3)4202工作面在劃定的停采線以內(nèi)正?；夭蓵r(shí)
發(fā)生頂板突水潰砂的可能性不大，但在回采過程中要
加強(qiáng)頂板涌水的觀測(cè)，并制定相應(yīng)的對(duì)策措施。
參考文獻(xiàn)
[1】于進(jìn)廣，陳風(fēng)祥，汪永茂，王玉良．中等含水層下留設(shè)防砂
煤柱的安全開采機(jī)理『J】．淮南工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2001(2)．
【2】宣以瓊，楊本水，尹純剛，高大軍，段中穩(wěn)．巨厚含水松散層
下放頂煤開采提高回采上限的可行性研究『J1．淮南工業(yè)學(xué)
院學(xué)報(bào)，1999(1)．
[3]王寶賢．任樓煤礦提高回采上限首采面突水潰砂原因分析
[J】．煤礦安全，2013(6)．
作者簡(jiǎn)介：
汪曉靜(1981一)，河北唐山，女，碩士研究生，2008年畢業(yè)
于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)水文及水資源專業(yè)，主要從事水文地質(zhì)與工
程地質(zhì)方面的研究。 (收稿日期：2015—7—3)
Control engineering and Research on safety mining of Shallow coal seam
Roof W ater inrush and sand inrush
Wang Xiaojing
Abstract：To find out the thickness and abnormal water zone of roof rock、the thickness and watery of weathered bedrock、Water conducting
structure of 4202 face by Ground resistivity and Mine hydrogeological drilling，calculating Safety rock pillar of Waterproof and sandproof．To
make sure face Stop line Should not exceed f6 fault，and keep enough fault Waterproof coal pillar．W e should strengthen the observation of roof
water In the process of mining，an d formulating corresponding countermeasures to provide technical support for the safety of coal mining work—
ingface．
Keywords：Shallow coal seam；Water inrush and sand inrush；Safety rock pillar
(上接第73頁(yè))
湖南：中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，2013．
【41熊俊杰，景國(guó)勛，王小俊．煤礦百萬(wàn)噸死亡率影響因素的
灰色關(guān)聯(lián)分析【J1_安全與環(huán)境工程，2011，18(3)：l04—106。
f5】劉香蘭，董桂剛，朱紀(jì)明．灰色關(guān)聯(lián)分析在煤礦傷亡事故
統(tǒng)計(jì)分析中的應(yīng)用fJ1．煤炭工程，2012，(2)：66—68．
[6】劉思峰，黨耀國(guó)，方志耕，等．灰色系統(tǒng)理論及其應(yīng)用(第
五版)【M]．北京：科學(xué)出版社，2010
作者簡(jiǎn)介
陳卓(1989一)，女，河南省新鄭市梨河鎮(zhèn)陳莊村，河南理工
大學(xué)，碩士研究生，研究方向：礦山災(zāi)害預(yù)防與控制。
(收稿日期：2015—6—18)
Gray Correlation Analysis to Human Factors of Fire&amp;amp; Explosion Accident in Coal M ine
CHEN Zhuo ．NIU Guo qing 。
f1．School of Safety Science＆Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China；
2．State Key Laboratory Cuhivation Base for Gas Geology and Gas Control，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China)
Abstract：Human factors have a special position in the safety production of coal mine．In order to analyze the human factors’effect to coal
mine fire&amp;amp;explosion accident，the number of fire&amp;amp;explosion accident of Yongna mining area was selected as reference sequence and human
factors as comparison sequences，then gray correlation analysis was used．The results show that corelation between fire&amp;amp;explosion accident
and the proportion of technical personnel is the biggest，and technical staf is bigger than others on correlations for fire&amp;amp;explosion accident．
Key words：coal mine；fire＆explosion accident；human factors；gray correlation analysis
· 76 ·

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