松散覆巖下提高煤層開采上限技術研究

宋忠應

(中煤集團大屯公司安全監察部，江蘇 沛縣 221611)

1 井田水文地質概況

龍東煤礦是以厚黏土為主的第四系地層不整合于基巖之上，隔絕了地表水體與基巖之間的水力聯系，且第四系底部還發育有底隔(雖然不是全區發育)，使第四系底含水和基巖水進行交換非常緩慢，從而使該區成為一個補給不良、排泄不暢的封閉或半封閉水文地質單元。

該礦井存在的主要含水層有：第四系侏羅白堊系礫石、上下石盒子組砂巖、山西組煤層頂底砂巖、石炭系太原組灰巖、奧陶系灰巖，其中對礦井開采影響較大的有：第四系底部砂礫層、山西組7煤層頂、底板砂巖、太原組灰巖和奧陶系灰巖。

第四系自上而下分為六個含水層、五個隔水層，含水層以砂為主，二含和四含水量豐富，分布穩定，五含和底含富水性較弱，在露頭附近開采時對回采有一定的影響。

侏羅白堊地層主要分布在井田西北部和東部斷層附近，其底部有一層礫巖，厚度0～8.8m，溶洞裂隙發育，富水性較強，但距可采煤層較遠，對煤層開采影響不大。

山西組地層中，山西組砂巖裂隙對7煤層開采較為直接，其砂巖裂隙率一般為4～6% ，涌水量一般，屬于封閉或半封閉的水文地質環境，為承壓裂隙、孔隙含水層。

太原組共發育有14層灰巖，灰巖裂隙發育不均一，其富水性呈明顯的非均性，其中四灰、十二灰厚度較大，分布穩定，巖溶裂隙發育，含水量較豐富，對礦井開采影響較大，其中十二灰是該區主采21煤層的直接頂板。

2 兩帶高度觀測試驗研究

為了研究中央采區提高開采上限的技術可行性、經濟合理性、安全可靠性，并為后續采區大面積開采提供數據和開采依據，分別在7111和7126工作面開展了兩帶高度觀測工作，并用兩種方法觀測，獲得了風化覆巖與未風化覆巖的兩帶發育高度，揭示了不同性質煤層覆巖破壞與冒落、裂隙的發展規律[1-3]。

2.1 鉆孔沖洗液法觀測兩帶高度

在7111工作面采用鉆孔沖洗液法觀測兩帶高度，共布置5個觀測鉆孔，觀測方法為采后地面鉆孔觀測法，即利用鉆進過程中鉆孔沖洗液消耗量、鉆孔水位下降速度、巖心特征及鉆進異常等指標綜合判斷冒落帶和導水裂隙帶高度[2-4]。

此次觀測得出，冒高為9.5～10.9m，為采厚的3.67～4.29倍，裂高為34.5～40.48m，為采厚的13.51～15.93倍。

2.2 井下仰斜鉆孔雙端堵水器導高觀測

在7126輕型放頂煤工作面采用先進的井下仰斜鉆孔雙端堵水器導高觀測新技術，即在工作面周邊，向采空區上方的覆巖導水裂隙帶內打仰斜鉆孔，采用雙端堵水器觀測導高，與傳統的地面打鉆孔，采用鉆孔沖洗液消耗量觀測法相比，該方法工程量小，成本低，精度高，簡單易行[3]，如圖1所示。整個觀測儀器由三部分組成：雙端堵水器、連接管路、控制臺，如圖2所示。

圖1 井下仰斜鉆孔導水裂隙帶高度觀測示意圖

雙端堵水器由兩個起脹膠囊和注水探管組成。連接管路有兩條：起脹管路和注水管路。控制臺也是對應兩個：起脹控制臺和注水控制臺。起脹控制臺、起脹管路和雙端堵水器的兩個膠囊相連通，構成控制膠囊膨脹和收縮的控制系統。注水控制臺，注水管路和雙端堵水器的注水探管相連通，構成一個控制和觀測巖層導水性的注水觀測系統[4]。

圖2 井下斜鉆孔雙端堵水器導高觀測原理系統圖

在停采線一側以不同的仰角施工了3個仰斜鉆孔，根據觀測孔的觀測，并綜合分析觀測成果，得出冒高值為16.7m，為采厚的3.8倍；導高值為35m，為采厚的8倍。導高上界接近基巖風化帶。

3 露頭煤柱設計與開采上限的確定

3.1 提高開采上限的分析

以首采主煤層7層煤回采面分析為基礎，其賦存淺，松散層厚，底隔較穩定。尤其是中部隆起的寬緩褶皺地段，7層煤頂部基巖殘厚較薄，風化程度高，對開采上限提高的研究分析與確定，解放上限煤柱壓占煤量，是極為理想的場所。因此，自1988年起，龍東煤礦就開始對合理留設首采7層煤防水煤巖柱尺寸、提高開采上限的可能性，先后在中部隆起區的北輔塊段、西輔塊段及東部的東一采區淺部進行了專門的論證工作，并取得了預期成果。

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(1)北輔塊段防水煤巖(土)柱的分析與留設

從北輔塊段各類取心鉆孔分析可知，第四系松散層底部五含巖性多為中砂、細砂及黏土質砂。且泥質含量較多，為弱或極弱含水層。根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤巖柱留設與壓煤開采規程》中有關要求，在弱或極弱的含水層下開采時，可留設防水安全煤巖(土)柱，甚至有可能留設防砂安全煤巖(土)柱。

(2)西輔塊段防砂煤巖柱的分析與留設

西輔塊段位于中央采區的西側，該區7層煤角度平緩，埋藏最淺，大部分煤量處于原設計開采上限而成為防水煤柱壓煤量，占該塊段工業儲量的60.7%。解放該區防水煤巖壓占量，經濟效益極為顯著。根據西輔塊段的實際情況及具體地質特征，分析認為：該區松散層厚度為192.92～214.55m，下部五含巖性主要為中、細砂，少部分為粗砂，厚2.6～9.77m，該含水層的富(含)水性屬較弱；底部黏土層主要為黏土及砂層黏土，厚5～15m，西輔塊段大部分底部均有分布。從對該層位土樣測試結果看，其塑性極好，其隔水性和抗裂性好，有利于阻止上覆砂層水下滲及采后裂隙的向上發展，可作為防水的組成部分。在這種水文地質條件下，根據《“三下”開采規程》中有關要求，可允許一部分裂隙帶進入松散層的弱含水層，可以實施留設防砂煤巖柱開采。

(3)東一采區上部防水煤巖柱的分析與留設

在北輔塊段、西輔塊段合理確定防水煤巖(土)柱尺寸及提高開采上限研究與實踐取得成功的基礎上，龍東礦再次展開對東一采區上部的提高上限的研究。但該區具有獨特的地質、水文地質特征：呈透鏡狀無規律分布發育不均一的第四系底含直接覆蓋于基巖之上。從井下2個專門探放水鉆孔資料表明，第四系底含為黏土、粗中砂及粉砂互層，稍含砂礫，單孔最大出水量0.2m3/h，徑流條件差，為富含水性弱的含水層，且7層煤頂板砂巖含水性弱。因此，對該區不作土柱分析，只適合于防砂巖分析與留設。

3.2 不同塊段開采上限的確定

(1)兩帶高度的計算

根據對各塊段7煤層上覆巖層的分析，對頂板巖石均按軟弱巖層考慮[5-6]，依據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》，對各塊段兩帶進行預計：

式中：Hm、HL、M分別為冒落帶高度、裂隙帶高度和工作面采高。

因此可知當采高為2～2.5m時，兩帶高度下限為16.4～18.1m，上限為19.4～21.1m；當采高為5m時，兩帶高度為20.4～28.4m為宜。因此可以看出，在研究范圍內大部分地段巖柱高度能達到理論計算值，僅局部小范圍內有所不同。

(2)開采上限的確定

根據上述理論計算及分析，上限提高范圍內的塊段西輔、北輔塊段的開采上限應為-180m，東一采區上部開采上限為-185m，可以滿足防水煤巖(土)柱的安全高度。

4 松散覆巖下開采防水、防砂技術研究及實踐

4.1 研究技術路線

為了確保提高開采上限的安全生產，現場實踐過程中采用的技術路線為：底部含水層的探放→頂板管理技術研究→強風化圍巖巷道支護研究→強化監測及防范→掘進工作進入提高上限區的原則措施→試采的原則的確定。

4.2 提高開采上限技術實踐

為了保證安全生產，取得龍東礦首個提高上限工作面的成功經驗及資料，確定首先試采北輔塊段7121工作面，該面最小巖柱厚度僅為13.1m，土柱厚3.1m，工作面開采上限設計為-180m，較原設計上限提高20m。

東一采區及西輔塊段的上限提高是在北輔塊段開采成功的基礎上開展的。東一采區原設計上限為-210m，雖然煤巖(土)柱厚度較大，但該處地質、水文地質條件相對復雜，因此設計開采上限為-185m。而西輔塊段的地質、水文地質條件同北輔塊段更較為一致，因此確定將上限提高20m為-180m，進行了由小王莊向斜兩翼先布設了工作面，再向軸部擴采的開采方式，從而形成了以點代面、以面顧全區的試探式開采理念。有目的地將其地質、水文地質條件由簡單到復雜逐漸過渡，逐步把自然環境人為優化達到安全開采的目的，確保資源全面回收。

龍東煤礦經過十余年提高開采上限的分析研究與實踐工作，先后在北輔塊段、西輔塊段及東一上部塊段，在分析與研究的基礎上取得了縮減松散層防水煤柱均將開采上限提高20m的可行性研究成果，共解放松散層防水煤柱壓占量達530多萬噸。并在北輔塊段7121分層綜采工作面試采獲得成功，近年來在西輔塊段的7141上、7132上以及東一上部的7317輕放、7321上各工作面，均實現了安全回采。

5 結 論

通過龍東礦中央采區北輔、西輔塊段和東一采區的水文地質條件研究、水文補充勘探、試驗資料的分析和煤巖(土)柱質量評價，以及北輔工作面提高開采上限的成功，可得以下結論：

(1)中央采區的北輔、西輔塊段煤系地層的上

覆第四系水體采動等級為Ⅱ級，允許一部分裂隙帶波及松散層的弱含水層，可留設防砂煤巖柱開采。煤層上部巖柱為下硬上軟型，第四系底部有一層黏土隔水層，均有隔水性和抗裂性，有利于提高開采上限。基巖風化帶為極弱-弱透水軟巖，能與第四系底部隔水層結合在一起，阻止以上水向下部直接補給與抑制裂隙帶發育高度的雙重作用。

(2)東翼采區兩帶高度實測結果是：冒高帶為采高的3.67～4.29倍，導水裂隙帶為采高的13.51～15.93倍，該實測結果為中硬覆巖兩帶高度。7126工作面兩帶高度實測結果為：冒高帶為采高的3.8倍，導水裂隙帶為采高的8倍，覆巖為中硬偏軟型。

(3)確定了龍東煤礦中央采區及東一采區留設煤柱類型為防砂煤巖柱，開采上限確定為-180m。在項目實施過程中，已安全回采煤炭380.6萬t，創產值11億元，獲得直接經濟效益為4.2億元。

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