礦井隔離煤柱設計實例

巫顯鈞

(重慶松藻煤電有限責任公司,重慶市綦江縣,401445)

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礦井隔離煤柱設計實例

巫顯鈞

(重慶松藻煤電有限責任公司,重慶市綦江縣,401445)

分析了渝陽煤礦與小漁沱煤礦礦井邊界沿線的地質條件,并依據國家有關標準,設計了兩礦間的隔離煤柱,6#、7#、8#、11#煤層的隔離煤柱傾斜寬度分別為64.33 m、74.34 m、85.29 m和112.56 m。

隔離煤柱 煤柱寬度 導水裂隙帶

AbstractIn this paper,geo logical conditions of the m ine bo rdering areas betw een Yuyang Coal M ine and Xiaoyutuo Coal M ine are analyzed and in comp liance w ith relevant state norm s and standards,separating coal pillars between the two mines are designed w ith their inclined w idth in the#6,#7,#8 and#11 coal seam s being 64.33 m,74.34 m,85.29 m and 112.56 m,respectively.

Key wordsseparating coal pillar,coal pillar w idth,w ater sipping fissure zone

渝陽煤礦與小漁沱煤礦均開采二疊系上統龍潭組中的近-中等距離緩傾斜煤層群,全區可采煤層為8#煤層 (中厚煤層),另有2～3層局部可采薄煤層,各煤層均為煤與瓦斯突出煤層,必須先開采保護層。南北相鄰的渝陽煤礦和小漁沱煤礦沿煤層傾向劃分,以8#煤層-200 m等高線為界,邊界線長度約6580 m,兩礦采礦活動的標高分別為+ 464～-250 m和-150～-800 m。渝陽煤礦為生產礦井,目前北三區開拓已接近邊界,小漁沱煤礦為在建礦井,剛開工建設。

1 設計原則

1.1 地質條件

分析研究兩個礦井邊界附近,認為應從地表到煤系的水文地質條件和充水因素出發,確定影響煤柱留設的主要因素和必須防范的含水層。綜合分析邊界附近地勘鉆孔的地質資料后,邊界附近具有的地質特征見圖1。

(1)各煤層層間距比較穩定。6#煤層以上的煤系厚度、長興灰巖含水層厚度、玉龍山一段的隔水層厚度、玉龍山二三段灰巖含水層厚度、飛仙關泥巖隔水層厚度均比較穩定。見表1。

圖1 隔離煤柱設計剖面圖 (方案一)

表1 煤巖層厚度層間距簡表m

(2)煤系頂部相關的含水層特征。煤系頂板長興灰巖含水層厚度48.97～52.03 m,含巖溶裂隙水,抽水試驗單位涌水量 0.00000264～0.0000156 L/(s·m),水量小,含水性極弱且極不均一;玉龍山二三段灰巖含水層厚度96.38～111.22 m,含巖溶裂隙水,抽水試驗單位涌水量0.00439 L/s·m,滲透系數為0.00381 m/d,含水性弱且極不均一。

(3)6#煤層以上的煤系隔水層厚度27.01～30.27 m,長興灰巖以上的玉龍山一段的隔水層厚度29.84～40.27m,玉龍山灰巖以上的飛仙關泥巖隔水層厚度174.16～190.32 m。

(4)煤系巖層由泥巖、砂質泥巖、泥質粉砂巖、砂巖和石灰巖組成,巖石的單向抗壓強度差別大,為15～177.9 M Pa;長興和玉龍山石灰巖的單向抗壓強度一般為33.7～75.9 M Pa。煤層頂部巖石為中硬-堅硬巖石。

1.2 設計原則

首先必須認真分析研究礦井邊界附近的客觀地質條件,收集整理規程規范的相關技術政策規定,理清設計思路,做到設計不違規;其次,應設計幾個方案進行優選,對設計結論進行驗算,保證設計的科學性;最后,設計結論的表述必須準確唯一、不存在歧義、方便使用。

2 煤柱設計的理論依據

2.1 理論設計

(1)松藻礦區近水平煤層群開采巖層移動觀測已開展20余年,原松藻礦務局與重慶大學共同完成的《松藻礦區近水平煤層群開采地表移動規律的研究》科研報告,通過了由重慶市科學技術委員會組織的鑒定。該報告推薦松藻礦區近水平、緩傾斜礦井煤層群開采后,上下山巖層移動角均采用65°。

(2)由于松藻礦區暫無“三帶”實測資料,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)》(煤行管字〔2000〕第81號)附表6-2中的導水裂隙帶最大高度計算公式計算導水裂隙帶高度。

式中:Hf——導水裂隙帶最大高度,m;

M——煤層累計采高,m。

計算結果見表2。4層煤開采后,最大導水裂隙帶發育高度為74.23 m,到達了長興灰巖上部,各煤層開采后的導水裂隙帶已經導通為一個整體。依據煤層群開采后最大導水裂隙帶的頂部標高設計防隔水煤柱是可行的。

(3)導水裂隙帶頂部需要留設的隔水巖柱寬度,按照《煤礦防治水規定》 (2009年9月21日國家安全生產監督管理總局28號令)附錄三中的推薦公式計算。

式中:L——導水裂隙帶上限巖柱寬度,m;

H——采空區底板以上的靜水位高度,m;

Hf——導水裂隙帶最大高度,m;

Ts——水壓與巖柱寬度的比值,取1計算。

計算結果見表2,從表2可知,開采兩層以上的煤層時,L均小于20 m,一律按20 m設計。

(4)原中國統配煤礦總公司《關于印發統配煤礦 (礦井水文地質分類)的通知》 (中煤總生字〔1992〕第57號)審定渝陽煤礦水文地質條件分類為Ⅲ類 (復雜)。應該按照《煤礦防治水規定》附錄三中圖3-7a設計煤柱。

表2 礦井隔離煤柱設計結果表m

2.2 設計方案

鑒于邊界附近煤巖層厚度和巖性比較穩定,只采用一個剖面設計沿走向等寬的隔離煤柱是可行的。

(1)方案一。參見圖1。依據《煤礦防治水規定》附錄三中圖3-7a,首先按照最上面的6#煤層開采后的導水裂隙帶高度 Hf1、上限巖柱寬度20 m、移動角65°設計6#煤層煤柱 E、F邊界點,再按移動角向下設計7#煤層的煤柱G、H邊界點。

由于8#煤層開采后的導水裂隙帶頂部標高略高于6#煤層開采后的導水裂隙帶,按照8#煤層開采后的導水裂隙帶高度 Hf3、上限巖柱寬度20 m、移動角65°設計8#煤層煤柱 I、J邊界點,再以 I、J點按移動角向下設計11#煤層煤柱 C、D邊界點。6#、7#、8#、11#煤層的設計煤柱傾斜寬度分別為 EF64.33 m、GH74.34 m、IJ85.29 m和CD112.56 m,見表2中方案一。

(2)方案二。參見圖2。按照4層煤開采后的導水裂隙帶高度74.23 m(Hf8)、上限巖柱寬度20 m、移動角65°統一設計4層煤的煤柱邊界點 F、H、I、J、C和D點。先開采6#或7#煤層作為保護層,按照《防治煤與瓦斯突出規定》中瓦斯卸壓角劃定保護范圍,如果6#或7#煤層煤柱邊界點定為E’或G’點,則主采8#煤層的受保護范圍在I點左邊 (實際煤柱會更大)。而只開采6#和7#兩層煤的區域,導水裂隙帶高度 Hf9只有56.31 m,沒有 Hf8高,據此優化設計,將6#、7#煤層煤柱上邊界點優化為 E、G點,既滿足了瓦斯保護關系的需要,又保證了 Hf9～Hf8頂部之間有20 m寬的完整巖柱。

圖2 隔離煤柱設計剖面圖 (方案二)

優化后6#、7#、8#、11#煤層的設計煤柱傾斜寬 度 分 別為 EF84.34 m、GH94.34 m、IJ117.08 m和 CD144.35 m,見表 2中方案二。整體煤巖柱在傾斜剖面上的形狀為 ABDCIGKA圈閉。

3 隔離煤柱驗算

《煤礦防治水規定》附錄三中規定,礦井隔離煤柱的最小寬度不得小于40 m,設計的兩個方案均滿足此項要求。

3.1 采空區水的富集規律

煤層開采頂板冒落下沉后,在采空區上方形成冒落裂隙導水帶,地下水 (有時含地表水)以采空區為中心形成降落漏斗往采空區聚集,積水量受冒落裂隙帶的含水性和導水構造雙重控制。初期及井下抽排水期間表現為地下水位不斷下降,隨著采空區的逐漸壓實穩定,特別是礦井報廢停止抽水后,地下水位又逐漸上升。從頂板冒落初期-大面積冒落下沉-采空區壓實穩定的過程,同體積 (空間)的冒落裂隙帶的含水量變化是逐漸增加-趨于穩定-逐漸減少。任何時候采空區及其冒落裂隙帶都不是純水體,不同地點的水位高度及其水壓都可能不同。

3.2 靜水位高度與上限巖柱寬度

從技術理論依據和設計過程可知,導水裂隙帶的發育高度和上限巖柱寬度是礦井隔離煤柱設計的兩個主要參數,而采空區底板以上的靜水位高度又是上限巖柱寬度計算的主要參數。從表2可以看出,不論采空區的靜水位標高采用長興頂界還是玉龍山頂界,計算的上限巖柱寬度均小于20 m,只能按規定取最小值20 m進行設計。

煤層群開采后最大導水裂隙帶只發育到長興含水層上部,而長興灰巖以上有約40 m的玉龍山一段鈣質泥巖隔水層,玉龍山灰巖頂部有170 m以上的飛仙關泥巖隔水層,上限巖柱寬度采用20 m設計是可靠而安全的。

3.3 煤柱耐側壓驗算

依據《煤礦防治水規定》附錄三中的經驗公式驗算,各煤層承受水頭側壓所需要的煤柱寬度見表3。高度約200 m計算,設計的各煤層煤柱也完全能夠承受采空區積水對煤層的側壓力。

由于開采近-中等距離煤層群,下煤層開采后會破壞上煤層的完整性和連續性,設計應保證上煤層的煤柱不受下煤層開采的破壞。設計的兩個方案均按照巖層移動角65°向下統一劃定,設計成果能夠保證各煤層煤柱的完整性。

表3 耐壓煤柱寬度計算表

式中:L——煤柱留設的寬度,m;

K——安全系數,此處取5;

M——煤層厚度或采高,m;

p——水頭壓力,M Pa;

Kp——煤的抗拉強度,M Pa。即使按最壞的情況從采空區到玉龍山頂界水頭

4 方案比較

對比兩個方案,方案一的煤柱比方案二小20～30 m,可多開采煤炭資源150.4萬t,經濟效益顯而易見,下面從技術和安全兩個方面進行比較。

(1)技術方面。兩個方案的技術理論依據基本一致,區別在于所采用的導水裂隙帶高度不同。方案一采用獨立煤層開采后的兩個最高的導水裂隙帶進行設計,而方案二則采用4層煤開采后的總的導水裂隙帶設計,兩者高差31 m,但都到達了長興組。從技術上講兩者都可行、均不違規。

(2)安全方面。根據前面的驗算結果,只需要考察兩個方案因采用的導水裂隙帶高度不同而導致的安全保障程度差異。

根據采空區水的富集規律,導水裂隙帶上段的含水性差異大,受上部補給水源、導水構造、礦井抽排水等多因素影響,加之局部巖性的差異會導致導水裂隙帶發育高度本身就有起伏。由于這兩個方面的不確定因素,處在同一巖溶含水層中的兩種計算方法得出的理想導水裂隙帶,很難說其含水性有什么差別。

長興組巖溶含水層含水性極弱,并且極不均勻,只有當實際的導水裂隙導通了巖溶通道,并有充足的補給水源時,對采空區才構成威脅。在這一點上兩個方案都存在偶然性。

渝陽煤礦采空區冒落裂隙帶水對小漁沱煤礦威脅最大的時段,出現在渝陽煤礦閉坑停止抽水后水位上升時,小漁沱煤礦又正好在上部條帶回采。威脅的程度取決于兩個礦井的導水裂隙帶之間是否存在長興巖溶通道導通。但不管如何,上部水只能通過40 m以上的冒落裂隙帶逐漸進入小漁沱煤礦采面,只要措施得當,完全能保證不發生人員傷亡事故。況且在這一點上兩個方案差別不大。

綜上所述,兩個方案的安全保障程度基本一致,應選擇方案一,多回收煤炭資源。

采用方案一,最終確認6#、7#、8#、11#煤層的礦井隔離煤柱傾斜寬度分別為 64.33 m、74.34 m、85.29 m和112.56 m,各煤層煤柱分別采用煤柱邊界點的平面坐標 X和 Y來表述。在煤層底板等高線圖上,首先準確繪制礦井邊界線,再根據圖1分別將 EF、GH、IJ、CD煤柱分別投影到各自煤層的平面圖上,最后依次求取所有邊界點的平面坐標 X、Y。分煤層依次序將邊界點坐標X、Y列表,同平面圖、剖面圖一起作為設計成果提交,便于今后準確無誤地使用隔離煤柱設計成果。各煤層煤柱在平面圖上均為條帶狀。

5 煤柱保護

相鄰兩礦在設計和生產過程中,都必須嚴格按照各煤層煤柱邊界點坐標 X、Y進行控制,確保煤柱寬度和組合形狀。由于勘探控制密度有限、煤層底板等高線存在誤差,只能按照平面坐標 X、Y控制,各點的高程是近似值。相鄰兩礦均不得在隔離煤柱中進行采掘活動,不得破壞煤柱的完整性。治理瓦斯需要有少量抽采鉆孔穿過煤柱時,必須從嚴控制鉆孔數量,抽采完后必須立即進行嚴密填實。

6 結語

全面系統地分析客觀地質條件和安全保障程度后,充分依據現有規范設計礦井隔離煤柱,并經多方面驗算,設計成果是安全可靠的。本設計對礦區其它隔離煤柱的設計有重要的指導意義。在以后的生產過程中,發現新的導水構造時,必須沿導水構造留設防隔水煤柱。本文中提到的不確定因素較多,生產過程中在條件允許時應盡量予以查明,并依據查明情況對礦井隔離煤柱進行局部修正。

[1]曹樹剛等.松藻礦區近水平煤層群開采地表移動規律的研究 [D].重慶:2001

[2]國家煤炭工業局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程 [M].北京:煤炭工業出版社,2000

[3]國家煤礦安全監察局.煤礦防治水規定 [M].北京:煤炭工業出版社,2009

[4]國家煤礦安全監察局.防治煤與瓦斯突出規定 [M].北京:煤炭工業出版社,2009

(責任編輯 張毅玲)

A case study of the design of coalm ine separating coal pillars

Wu Xianjun
(Songzao Coal&Electric Power Co L td,Qijiang,Chongqing 401445,China)

A

巫顯鈞 (1966-),男,四川瀘州人,高級工程師,現任重慶松藻煤電有限責任公司地測科長,長期從事礦井地質、礦井水文地質、資源儲量管理工作。