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河流下厚煤層一次采全高綜放開采安全性判定與分析

文檔作者：翟路鎖李月成牛秀峰靳建偉文檔來源： 1．潞安礦業(yè)集團(tuán)公司 2．長治職業(yè)技術(shù)學(xué)院		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年11月28日
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總第173期
河流下厚煤層一次采全高綜放開采安全性判定與分析
翟路鎖 ，李月成 ，牛秀峰 ，靳建偉
(1．潞安礦業(yè)集團(tuán)公司，山西長治046204；2．長治職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西長治046011)
摘要：文章結(jié)合生產(chǎn)實際，對河流水體下綜放一次采全高，全部垮落法管理頂板的厚煤層開采安全性進(jìn)
行了分析評價，介紹了工作面上覆巖層導(dǎo)水裂縫帶高度和所需防水巖柱高度的計算方法，可為類似條件下
河流水體下開采的安全性評價提供借鑒。
關(guān)鍵詞：河下開采；綜放開采；安全評價；計算方法
中圖分類號：TD823 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1005—2798(2014)0l一0042—02
水體下采煤幾乎是每座煤礦都會遇到的。近年
來我國多數(shù)礦區(qū)在大型水體下進(jìn)行安全開采均取得
了成功，而且實現(xiàn)了水體下厚及特厚煤層的綜放開
采，礦井涌水量均在正常可控范圍內(nèi)。水體下采煤
的安全性評價是其技術(shù)關(guān)鍵，下面結(jié)合郭莊煤礦河
下采煤的安全性評價和開采實際驗證進(jìn)行具體分析
介紹
1 開采條件
郭莊煤礦2309工作面位于井田二采區(qū)南翼，北
部為二采區(qū)準(zhǔn)備大巷保安煤柱．西部為未采區(qū)。東部
為老采空區(qū)，南部為DX 陷落柱隔離煤柱邊界。工
作面自南向北沿煤層走向推進(jìn)．工作面采寬約
208 m(含兩巷)，推進(jìn)長度約800 ITI，所采3號煤層
平均厚6．0 1TI，頂板為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，局部為砂
巖，平均厚度4．70 m左右；其上基本頂為中厚層狀
中細(xì)粒砂巖，平均厚度6．10 m；底板多為灰黑色泥
巖和細(xì)粒砂巖。煤層傾角約l6。．地質(zhì)儲量約
140萬t。采煤方法為綜采放頂煤一次采全高生產(chǎn)
工藝，割放比約為1：1，全部垮落法管理頂板。l丁
作面開采范圍內(nèi)地面標(biāo)高為+905～+925 1TI．煤層
底板標(biāo)高+480～+580 I13。絳河主河道在工作面地
表白西北向東南穿過，斜跨工作面推進(jìn)方向700 1TI
的范圍，常年有水，河床寬度30 70 131，標(biāo)高范圍
十906．5～+903 nl，正常流量0．37～1．46 m ／s，汛期
最大洪峰流量58．10 m ／s，最高洪水位+908．20 m
工作面開采區(qū)域無大型斷裂構(gòu)造，DF 小型斷層
(H=1．5 1TI)位于中部，可以直接推過。切眼外側(cè)存
在DXI3號陷落柱，留設(shè)隔離煤柱，對生產(chǎn)不會產(chǎn)生
影響
42
2 煤系地層及賦存狀況
根據(jù)區(qū)域鉆孔揭露，煤系地層自下而上分別為：
①奧陶系中統(tǒng)峰峰組(0， )為煤系地層基底，厚度
153．42 m，巖溶裂隙含水層，中等至強(qiáng)富水性，上距
3號煤層底板約130 m。②石炭系中統(tǒng)本溪組(C )
與下伏峰峰組呈平行不整合接觸，平均厚度
14．22 m，淺灰色鋁質(zhì)泥巖、為一良好隔水層組。
③石炭系上統(tǒng)太原組(C ．)與下伏本溪組呈整合接
觸，平均厚度108．12 In。為碎屑巖夾石灰?guī)r裂隙含
水層，弱富水性。④二疊系下統(tǒng)山西組(P )與下伏
太原組呈整合接觸，是井田內(nèi)主要含煤地層(3號煤
層)之一，平均厚度54．34 ITI．為碎屑巖裂隙含水層。
弱富水性。⑤二疊系下統(tǒng)下石盒子組(P )與下伏
山西組呈整合接觸，平均厚度61．40 nq，由砂質(zhì)泥巖
及中細(xì)粒砂巖組成，弱富水性。⑥二疊系上統(tǒng)上石
盒子組(P， )與下伏下石盒子組呈整合接觸，平均厚
度292．22 m，由砂巖、泥巖等組成，中等富水性，中
部層間泥巖隔水層組能阻隔上下砂巖含水層間的水
力聯(lián)系。⑦ 第四系(Q)為孔隙含水層，平均厚度
50 m左右，含水層由粗一細(xì)砂及礫石組成，水位埋
藏較淺，中等至強(qiáng)富水性，受大氣降水影響明顯。絳
河河床下新生界松散層為中等一強(qiáng)孑L隙含水層，接
受河水直接補(bǔ)給，下部基巖風(fēng)化帶發(fā)育較深．中等富
水。因此，該河下開采屬于典型復(fù)合水體下采煤。
3 地層水力聯(lián)系與礦井充水因素分析
該2309工作面在河床下的采深約為320～
420 lq'l，深厚比為54～70，鑒于該區(qū)第四系松散層結(jié)
構(gòu)性質(zhì)，類比其他礦區(qū)裂縫實測資料，預(yù)計綜放開采
收稿日期：2013．12-09
作者簡介：翟路鎖(1963一)，男，河北晉州人，成績優(yōu)異高級工程師，從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)工作。
2014年1月 翟路鎖等：河流下厚煤層一次采全高綜放開采安全性判定與分析 第23卷第1期
后地表裂縫發(fā)育深度約為1O～15 m。較高的地表潛
水位抑制了地表裂縫縱深發(fā)育深度，而新生界松散
層厚約50 m，地表裂縫不會切穿新生界松散層地
層，采動后的新生界松散層地層原始滲透性就整體
而言不會發(fā)生異常變化，河水不會通過地表裂縫對
基巖地層形成直接補(bǔ)給?；鶐r風(fēng)化帶含水層在區(qū)內(nèi)
有一定的承壓水面，與上覆松散層底部沒有穩(wěn)定的
隔水層，基巖風(fēng)化帶以下的基巖層與上、下含水層之
間均有一定厚度的隔水層，層問水力聯(lián)系相對較弱，
在無地質(zhì)構(gòu)造的情況下不會直接發(fā)生水力聯(lián)系，而
3號煤層基巖柱厚度較大，采動后所形成最大導(dǎo)水
裂縫帶不會波及到基巖風(fēng)化帶含水層，地表河水和
基巖風(fēng)化帶含水不會對工作面采空區(qū)直接充水，不
會改變礦井充水條件，工作面水源主要來自頂板砂
巖裂隙含水層，補(bǔ)水通道為采動裂隙及構(gòu)造破碎帶，
但裂縫帶范圍內(nèi)均為弱含水層，水量有限，不會對生
產(chǎn)造成影響。但該區(qū)3號煤層屬奧灰水帶壓開采，
帶壓不大，但在地質(zhì)構(gòu)造破壞區(qū)，特別是陷落柱仍有
產(chǎn)生異常突水可能性，因此在開采過程中防治的重
點是地質(zhì)構(gòu)造影響。
4 綜放開采覆巖破壞及導(dǎo)水裂縫帶滲透性
分析
工作面煤體采出后，直接頂和部分基本頂?shù)钠?
斷垮落使圍巖體產(chǎn)生新的移動變形和破壞，直至圍
巖體應(yīng)力重新分布達(dá)到新的平衡。工作面上覆基本
頂在移動變形和破壞后。根據(jù)破壞程度的不同分為
垮落帶、裂縫帶和彎曲帶。三帶的發(fā)育和分布如圖
1所示。
一工作面推進(jìn)長度；^1一垮落帶高度；^2一裂隙帶高度；
h3一彎曲帶高度；日一埋深
圖l 綜放采場推進(jìn)方向覆巖“i帶”發(fā)育示意
垮落帶內(nèi)的巖塊多為碎裂散體結(jié)構(gòu)，不規(guī)則垮
落，即使上部巖體規(guī)則垮落，排列整齊，巖塊問仍存
在大量的裂縫和空隙。隨著空間和時間的推移，在
上覆巖層的壓力作用下雖能逐漸被壓實，總會殘存
一定的離層和空隙，尤其是在采空區(qū)邊界，空隙更為
發(fā)育。
裂縫帶內(nèi)的巖層以斷裂為主。排列整齊，保持層
狀結(jié)構(gòu)．?dāng)嗔褞r塊在水平應(yīng)力的作用下形成鉸接關(guān)
系，僅在臨近采空區(qū)邊界的上方各巖層問會出現(xiàn)較
明顯的離層。巖層的斷裂程度除取決于所承受變形
的性質(zhì)和大小外，還與巖性、層厚及其空間位置有
關(guān)，靠近垮落帶斷裂嚴(yán)重
彎曲帶是指從裂縫帶頂部到地表的整個巖系．
巖體基本處于水平雙向應(yīng)力的壓縮狀態(tài)．塑性變形
能力得到提高，巖體移動基本呈整體性，軟巖層及松
散土層的整體移動特性更為明顯。在彎曲帶內(nèi)，巖
層破壞輕微，仍保持其原有的密實性，如果存在厚而
堅硬的關(guān)鍵巖層，其下部巖層會發(fā)育有離層，而上部
巖層則會受到保護(hù)。
非采動情況下，巖體的滲透性主要取決于巖石
本身內(nèi)部顆粒結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和充填情況等，并與應(yīng)力狀
態(tài)和變形程度相關(guān)。受采動影響至所受應(yīng)力剛達(dá)到
峰值時，裂隙尚未完全貫通 或宏觀裂隙的張開度并
未達(dá)到最大；在應(yīng)力峰值后的應(yīng)變軟化階段，破裂巖
塊沿粗糙破斷表面滑動過程中，巖石的破壞變形進(jìn)
一步擴(kuò)展．宏觀裂隙的張開度增加到極值，滲透I生達(dá)
到最大值?？迓鋷?nèi)的巖體因是無規(guī)則的垮落堆
積，裂隙是相互貫通的，所以具有很強(qiáng)的透水、透砂
性，如果帶有強(qiáng)含水層，會涌人或突人工作面。隨著
工作面的向前推進(jìn)，巖體的離層和裂隙會不斷沿縱
向向更上位巖層擴(kuò)展，形成裂縫帶。該帶即發(fā)育垂直
于層理面的裂隙，也產(chǎn)生順層理面的離層，滲透性在
垂直方向上隨巖體的開裂程度有明顯的區(qū)別．嚴(yán)重
斷裂區(qū)域雖能保持原有的層狀結(jié)構(gòu)，仍滲透性較強(qiáng)：
微小開裂區(qū)域的巖層裂隙是不連貫的，具有一定的
隔水能力．滲透性比較弱，如圖2所示。
地表裂縫 地表裂縫
微小開裂
一般斷裂
嚴(yán)重斷裂
冒落帶
圖2 覆巖破壞程度及滲透性分區(qū)不意
垮落帶和裂縫帶統(tǒng)稱為導(dǎo)水裂縫帶，處于導(dǎo)水
裂縫帶范圍內(nèi)的含水層的水會順采動裂隙或原生構(gòu)
造裂隙流入開采空間，上覆巖層的滲透性增加區(qū)域
呈現(xiàn)出“馬鞍型”分布，導(dǎo)水裂縫帶的高度決定了波
及含水層的多少和采場涌水量的大小。
5 導(dǎo)水裂縫帶高度及防水安全煤巖柱尺寸
的計算
確定采動導(dǎo)水裂縫帶高度的方法很多，其中現(xiàn)
場實測法現(xiàn)場應(yīng)用較為廣泛。國內(nèi)類似開采地質(zhì)條
件下厚煤層綜放開采導(dǎo)水裂縫帶高度觀測資料統(tǒng)計
見表1。 (下轉(zhuǎn)第49頁)
43
2014年1月 常 磊等：33052綜放工作面安全通過空巷技術(shù)的實踐探究 第23卷第1期
(上接第43頁)
煤科總院唐山研究院通過統(tǒng)計資料的分析，參
考數(shù)值模擬及理論研究，采用回歸方法得出綜放開
采頂板覆巖破壞發(fā)育較高，導(dǎo)水裂縫帶高度基本與
煤層采厚成正比，郭莊煤礦2309工作面絳河水體下
綜放開采導(dǎo)水裂縫帶最大高度可用下公式計算：
Hl =20．2M +1O
式中： 為煤層有效采厚，ITI。經(jīng)計算，導(dǎo)水裂
縫帶最終發(fā)育高度約為131．2 m，可以作為絳河下
采煤防水安全煤巖柱的留設(shè)依據(jù)。
表l 國內(nèi)部分煤礦導(dǎo)水裂縫帶實測資料
根據(jù)工作面附近的3162號鉆孔柱狀圖資料，
3號煤層頂板上覆巖層為中細(xì)砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥
巖、泥巖交互沉積的層狀基巖地層，在頂板上方
120．6 m、175 m、189 In處分別有厚度為28．9 m、
11．2 m和15．3 m的厚層泥巖存在，隔水性較好的泥
巖層段比例高達(dá)59％ ．可抑制開采后導(dǎo)水裂縫帶高
度向上擴(kuò)展和上覆水體下滲，對水體下開采有利。
開采區(qū)域內(nèi)新生界松散含水層覆蓋厚度較大，厚約
50 m，中等至強(qiáng)富水性，基巖風(fēng)化帶發(fā)育較深，富水
性中等。防水安全煤巖柱垂直高度可采用下式計
算：
h=H1 + b+
從上述分析可知，工作面有效采厚6 nl，最大導(dǎo)
水裂縫帶高度Hii=20．2M+10，約為132 in；保護(hù)層
厚度日 在綜放開采條件下取3倍采厚，約為18 m；
基巖風(fēng)化帶深度日 取50 In。計算可得河下開采所
需防水安全煤巖柱垂直高度 約為200 m。
6 結(jié)論及建議
1) 2309工作面絳河下的基巖柱最小厚度約
309 Ill，導(dǎo)水裂縫帶最大發(fā)育高度132 m，絳河下開
采所需防水煤巖柱高度約為200 m，在保護(hù)層和風(fēng)
化帶之問還有109 m高度的安全巖體富裕量仍保持
著原巖滲透性，在絳河下采用一次采全高綜放開采．
全部垮落法管理頂板是安全可行的，在無導(dǎo)水構(gòu)造
情況下地表河水不會對工作面充水產(chǎn)生直接影響，
工作面來水仍以煤系地層裂隙水為主
2) 2309工作面現(xiàn)已安全采過降河，實踐證明
導(dǎo)水裂縫帶高度和所需防水巖柱高度計算公式是可
行的?？勺鳛轭愃茥l件河下綜放開采安全性評價的
計算依據(jù)。工作面采用多輪順序放煤，均衡快速推
進(jìn)，防止異常冒頂，保證頂板均勻下沉。
3) 河下開采工作面如遇導(dǎo)水陷落柱或斷層破
壞帶，仍有突底板灰?guī)r水及河水的可能性，應(yīng)采用
“瞬變電磁法”和“坑透儀”對開采區(qū)域進(jìn)行探測，對
異常區(qū)域進(jìn)行鉆探檢查。加強(qiáng)對隱伏構(gòu)造和陷落柱
的勘探，對地表較大裂縫及時回填，加強(qiáng)水淹區(qū)地質(zhì)
鉆孔的封孔質(zhì)量。同時，加強(qiáng)井下工作面涌水量的
監(jiān)測工作，對分析水的來源與通道。異常情況下采取
相應(yīng)的應(yīng)急治理措施是非常重要的。
參考文獻(xiàn)：
[1] 煤炭科學(xué)研究總院唐山研究院．郭莊煤礦2309工作面
絳河水體下綜放開采可行性論證與技術(shù)方案[R]．唐
山：煤炭科學(xué)研究總院唐山研究院，2012．
【責(zé)任編輯：常麗芳]
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