潘謝礦區Ⅰ、Ⅱ型水體下防水煤巖柱留設探討＊

卜萬奎

（菏澤學院，山東省菏澤市，274015）

潘謝礦區Ⅰ、Ⅱ型水體下防水煤巖柱留設探討＊

卜萬奎

（菏澤學院，山東省菏澤市，274015）

在研究淮南礦區煤田地質勘探工程的基礎上，查明了巨厚松散層的水文工程地質條件，通過對比分析潘謝礦區巨厚松散層的巖性組合，將謝橋含水層的紅層劃分為隔水層；提出了在I、II型水體下存在下滲帶的觀點，分析了壓架出水原因和防范技術措施，為確定潘謝礦區回采上限提供了科學依據。

巨厚松散層 紅層 下滲帶 煤巖柱留設 潘謝礦區

淮南礦區內第四系松散層厚169～437m，為巨厚松散強含水層，下部含水組直接與基巖面接觸，局部為薄黏土層，富水性強、水量大。為保證安全開采，該礦區根據淮河南岸老區急（緩）傾斜煤層開采經驗，強制要求各煤礦在開采設計時留設80m防水煤巖柱，造成近6億t煤炭資源無法開采。因此，為提高礦區回采率，迫切需要對該礦區內防水煤巖柱留設的問題進行研究。

本文在大量試驗和開采的基礎上，依據《建筑物、水體、鐵路及主要巷道煤柱留設與壓煤開采規范》對潘謝礦區水體進行了劃分和分析，以期為潘謝礦區提高開采上限提供參考。

1 水文地質條件特征

1.1 潘集礦區新生界松散含（隔）水層賦存特征

淮南煤田潘集礦區自新生界以來一直處于構造沉降帶，形成了較厚的松散沉積物。該沉積物受古地形、沉降差異和新構造運動的控制，土性復雜。根據巖性組合特征及區域對比規律，謝橋礦區由上至下劃分為上部含水組、上部隔水組、中部含水組、中部隔水組和底部“紅層”，根據沉積物特征和賦水狀況，潘集礦區內新生界含水層可分為下、中、上三個含水層（組）和上、中兩個區域隔水層（組），見表1，其中下部含水層（組）是當前潘集礦區礦井開采的直接充水含水層，該層（組）沉積厚度分布、巖性組合、富水性等條件直接影響著礦區淺部煤層的開采。

1.2 謝橋礦區新生界松散含（隔）水層賦存特征

謝橋礦區松散層厚度194.10～485.64m，平均厚度363.26m；總體呈南薄北厚的趨勢。南部古地形起伏明顯，根據沉積規律和區域對比，以及《謝橋井田煤系上覆第三系“紅層”隔水性評價補勘驗證報告》重新對以往的劃分作了適當的調整，可大致分為上部含水層（組）、上部隔水層（組）、中部含水層（組）、中部隔水層（組）及底部“紅層”5部分，如表2所示。

表1 潘集礦區第四系含水組特征

表2 謝橋礦區第四系含水組特征

1.3 潘謝礦區新生界含、隔水層對比

淮南礦區松散層覆蓋面積近532.51km2，可劃分為潘集背斜區、謝橋背斜區兩個水文地質單元。由于潘謝礦區煤田勘探過程中對巨厚新生界松散層勘探程度較低，特別是下部含水層的分布范圍及其對壓煤開采的影響程度的條件不清，淮南礦業集團先后對礦區潘集背斜、謝橋背斜兩個水文地質單元的總體水文地質條件進行補充勘探，對比巨厚松散層沉積規律，含、隔水層組賦存特征及富水性，并對謝橋井田下部隔水層、潘集背斜區下部含水層進行詳細對比和深入研究，已經查明新生界上部含水層、上部隔水層、中部含水層、中部隔水層在潘謝礦區全境穩定分布，但由于沉積環境變化，潘集背斜區中隔以下分布的是下部含、隔水層組，其中可分為下部含水層1、下部含水層2、下部含水層3和下部隔水層1、下部隔水層2、下部隔水層3分層；在謝橋背斜區，下含沉積缺失，中隔和下伏第三系（紅層）隔水層合二為一，形成巨厚隔水層分布區，故對松散層壓煤而言，潘謝礦區可分為潘集背斜區（潘一、二、三和潘北井田）和謝橋背斜區（謝橋、張集井田）兩個水文地質單元。

2 水體類型分類

根據潘謝礦區下含水文地質條件，對照《建筑物、水體、鐵路及主要巷道煤柱留設與壓煤開采規范》水體采動等級的分類，綜合分析認為：潘一、潘三井應屬于新生界松散含水砂層水體下Ⅰ類水體采動等級類型，其煤層與頂板砂巖露頭一般均被厚層含水較為豐富的中等偏強松散含水層所直接覆蓋，煤層頂板砂巖弱裂隙含水層可接受上覆松散砂層富含水層定水頭補給，其淺部煤層采掘工作面充水的可能性較大；潘二、潘北井和謝橋的張集部分井田應屬于新生界松散含水砂層水體下Ⅱ類水體采動等級類型，其煤層與頂板砂巖露頭上覆新生界粘土隔水層或具有多層結構的弱孔隙含水層，使煤層頂板砂巖露頭上覆粘土隔水層缺失為弱孔隙含水層，因該類孔隙含水層富水性弱，導水性差，下滲補給煤層頂板砂巖弱孔隙含水層的水量十分有限，并受到兩弱含水層的接觸面積及砂巖弱孔隙含水層的導水性的限制。因此，該種條件較潘一、三井田條件防水煤柱留設最佳高度可以進一步提高。

由于近風氧化帶防水煤柱頂板有下滲帶的存在，當工作面采動冒裂帶、離層帶與下滲帶溝通后，封存在下滲帶的地下水便成為“遲到”的充水水源，致使近風氧化帶煤層綜采面會出現壓架出水現象，這是一種不常見、但危害性較大的事故，是潘集礦區近風氧化帶煤層綜采面的一種新的、特殊的水害模式。所以在重點查明和分析新生界下部含水層巖性組合結構、厚度、埋深、富水性以及煤層、頂板砂巖露頭與新生界下部含水層的接觸關系的基礎上，必須開展煤層回采中壓架出水的研究，才能確定出潘謝礦區在Ⅰ、Ⅱ型水體下的防水煤巖柱尺寸。

3 Ⅰ、Ⅱ類水體下綜放開采壓架出水的研究

3.1 壓架出水原因

綜合分析壓架出水工作面的水文工程地質條件、綜采支架載荷及工作面的布置等因素，認為壓架出水是由多種原因造成的。

（1）高水頭壓力下產生下滲帶。由于出水工作面上覆承壓含水層的水頭壓力值最高達到4.4MPa，高承壓松散含水層水體在高水頭壓力的作用下，向煤系地層砂巖層間滲流，產生了“滲壓不滲流”與緩慢的滲流速度并存的現象，從而形成了深度為67m左右的下滲帶，這樣下滲帶水和下含水會對離層側向補給。

例如潘二礦12126工作面上方為天窗區，覆巖為砂巖直覆型，直接頂、老頂砂巖皆發育有約40m的下滲帶。

（2）下滲帶深度內巖石工程力學性質。在下滲帶深度之內下含水與煤系地層的砂巖裂隙水產生了一定的水力聯系，由于高水壓下下滲帶的存在，使這個深度內的巖石的含水量增大，導致近風氧化帶巖石抗壓、抗拉等工程力學性質降低。由于近風氧化帶力學指標巖石強度的降低，老頂初次來壓時，煤壁片幫，支架承受老頂壓力，支架走不動。下含水壓力和頂板壓力全部作用在支架上。

潘三礦1412（3）工作面，與其他壓架出水面的水體類型、支架載荷類似，而且水壓高達5.3MPa，但卻沒有發生壓架出水。究其原因，主要是由于該工作面頂板覆巖中直接頂和老頂皆為砂質泥巖和粉砂巖，不發育下滲帶，因而采動中控頂區頂板的水文工程地質條件變化不大，由于沒有下滲帶水的參與及其導致的水文地質工程地質條件惡化，因而，開采中未發生壓架出水。

（3）綜采選用的支架支撐阻力小，導致控頂區下沉量大。由于選用的支架支撐阻力小，控頂區上方出現離層和豎向裂隙，一方面使上覆砂巖裂隙含水體及下滲帶含水體溝通；另一方面控頂區產生的離層結構面對巖體力學性質、滲透特性及水力耦合過程起控制作用，頂板砂巖中的水體在這樣的控制作用下也就會出現沿控頂區離層層面出水的情況。

（4）初次來壓控頂區頂板下沉量大。分析潘一礦1402（3）工作面，當工作面礦山壓力顯現劇烈時，煤壁前方頂板壓力大，頂板下沉速度快，即煤體垂直位移速度大，煤壁片幫嚴重，造成頂板無支護面積的增大，頂板產生離層、位移、脫落，直至大范圍漏頂。另一方面由于煤壁抗壓強度小，煤壁下沉，一端巖梁的重量大部分靠支架承擔，支架最大支撐阻力小，支架下沉，造成壓架，頂板下沉量加大，形成頂板離層。

（5）高承壓水作用下頂板下沉。在高承壓水直接覆蓋條件下，近風氧化帶以下至60m煤柱受到滲水的影響，煤抗壓強度降低，當老頂初次來壓時，由于煤壁片幫，老頂作用力全部作用在支架上，由于支架的初撐力小，造成支架被壓，不能移動，立柱穿底，卸壓閥全部打開，造成頂板下沉產生離層。這樣離層積水和下含水就會通過導水離層進入控頂區。

（6）隨著壓架時間延長，離層空間增大，水平向與下滲帶內的底含水溝通，形成控頂區離層帶積水，并進一步軟化頂板，下層量繼續增加而發育垂向裂隙，并與離層溝通，從而發生控頂區涌水。

總的來說，巨厚松散層下淺部煤層開采工作面受不同工程地質水文條件（包括頂板巖性組合、軟弱堅硬、含隔水層空間組合、是否發育下滲帶等）、頂板控頂區與不同采礦工程條件（主要為采厚、支撐阻力、采煤方法）的相互作用，是回采工作面出現壓架出水的根本原因。

3.2 壓架出水防范措施

（1）依據頂板分類法及經驗類比法對含水體下工作面開采的支架合理選型。當在Ⅰ類水體下進行綜采時，為防止壓架出水事故的發生，選用初撐力較大的支撐掩護式支架。

（2）在有條件的情況下，注漿加固煤壁，使煤壁強度增大，提高煤壁支撐力。

（3）加快工作面開采速度，盡量做到工作面連續均勻推采，以緩解工作面控頂區上覆巖層破壞發育速度。

（4）加強頂板離層變形監測和工作面礦壓監測，以及出水點的水位、水量和水質的監測，及時掌握頂板離層、工作面礦壓和出水的變化規律，同時要保證排水系統暢通。

4 潘謝礦區縮小防水煤巖柱工程實踐

4.1 Ⅰ類水體工程實踐

潘一礦1402（3）工作面上方基巖風化帶厚約10～22m。工作面西部傾向方向600m范圍內13－1煤層直接被老頂砂巖覆蓋，自西向東留設66～73m的防水煤巖柱，自下而上依次為：細砂巖、粘土巖及砂質粘土巖、中細砂巖、泥質砂巖和粘土巖。該工作面共發生4次突水。其中，第一次突水是由于新生界下部含水組水通過煤系砂巖裂隙而進入工作面，出水位于工作面第一次綜采壓架處，出水水量36m3/h，出水時間較長，造成1402（3）工作面生產環境惡化、一度無法生產。后3次出水水量18～40m3/h，為頂板砂巖裂隙水，出水時間較短。綜合分析其工作面的壓架出水，是因為下含富水性較強，又直接與基巖面接觸，加之近風氧化帶裂隙較發育，使得下含水進入近風氧化帶，隨著近風氧化帶含水量的增大，必然導致巖石強度降低，老頂初次來壓時，下含水頭壓力和頂板壓力全部作用在支架上，支架承受老頂壓力和下含水壓力等壓力的作用，支架走不動而壓架。而當工作面無法正常推進時，下含水和離層、下滲帶水溝通，滲入工作面，致使工作面出水。從潘一礦1402（3）工作面充水壓架情況來看，在煤巖柱80m左右，用初撐力為4000kN的液壓支架在潘一礦進行開采時，導通了導水裂隙帶，產生了壓架出水，因此，初撐力為4000kN的液壓支架無法實現綜采。經實踐研究，改用德國的W S1.7－2.1/4.5型兩柱式掩護液壓支架，其初撐力為4908kN，額定工作阻力6708kN，同時，根據導水裂隙帶的高度，將防水煤柱的高度由80m縮小為56m，取得開采成功。

4.2 Ⅱ類水體工程實踐

潘二礦井田內基巖及煤系地層均隱伏在新生界巨厚松散層下，松散層總厚為139.41～347.26m，并可分為上、中、下3個含水層和兩個隔水層，下部含水層厚0～77.64m，是礦井直接充水含水層，底部松散含水層水壓值2～2.78MPa，礦井設計中暫留80m的防水煤巖柱。該采區處在天窗區。頂板為風化中粒砂巖，在試采中出現頂板砂巖裂隙水與下部松散含水層相連通，16018回采工作面出現淋水，穩定水量為5～8m3/h。分析其充水原因是因為在工作面剛推進時，頂板砂巖裂隙水與下部松散含水層相連通，即溝通了下滲帶，下含水便通過通道在工作面產生了壓架出水。后改用高檔分層普采或炮采，由此縮短了導水裂隙帶的高度，并根據導水裂隙帶高度、下滲帶的高度、高檔分層普采或炮采工作面條件，將防水煤巖柱縮小為42m，使得開采獲得成功。

5 結論

通過對潘謝礦區水文地質條件的研究，得出：

（1）在Ⅱ類水體下存在下滲帶；

（2）Ⅱ類水體下將開采方式由綜采改為普采或炮采，Ⅰ類水體下綜采開采過程中提高支撐掩護支架工作阻力，可以縮短防水煤巖柱。

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Research on setting water－proof coal－rock pillar under water bodies of type I and II in Panxie Colliery

Bu Wankui
（Heze University，Heze，Shandong 274015，China）

Based on the research of exploration engineering for coalfield geology，the conditions of hydro－geology and engineering geology of super－thick loose bed are detected in Huainan Colliery.Through the comparative analysis of the lithological association of super－thick loose bed in Panxie colliery，the red bed in Xieqiao aquifer is classified as water－resisting layer.Then the view of the existence of downward infiltration zone under water－bodies of type I and II is proposed，and the causes and preventive technical measures of water outlet induced by support compression are also analyzed，which have provided scientific basis for determination of the upper extraction limit in Panxie colliery.

super－thick loose bed，red bed，downward infiltration zone，setting coal－rock pillar，Panxie Colliery

P641

A

中國博士后科學基金（20110491486）；菏澤學院科研基金（XY10BS04）

卜萬奎（1981－），男，博士，菏澤學院教師，中國礦業大學土木工程專業博士后，現主要從事采動巖體力學與工程方面的研究。

（責任編輯 張毅玲）