姚橋煤礦微山湖下采煤安全性分析研究①

許延春 李明山 劉世奇 柳昭星 王克武

(1.中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院，北京 100083;2.上海大屯能源公司姚橋煤礦，江蘇 徐州 221611;3.保利能源控股有限公司，北京100010)

姚橋煤礦微山湖下采煤安全性分析研究①

許延春1②李明山2劉世奇1柳昭星1王克武3

(1.中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院，北京 100083;2.上海大屯能源公司姚橋煤礦，江蘇 徐州 221611;3.保利能源控股有限公司，北京100010)

本文結合大屯礦區姚橋煤礦現場地質資料、實測資料，按照水體下采煤的技術理論，對微山湖下第四系松散層結構和隔水性、覆巖破壞規律進行了分析研究，進而對姚橋煤礦微山湖下采煤的安全性進行了分析論證。得出3隔和4隔為區域關鍵隔水層，能夠有效防止湖水潰入井下;導水裂縫帶發育的最大標高達不到基巖頂部，波及不到關鍵隔水層，無法導通湖水結論。

水體下采煤;區域關鍵隔水層;導水裂縫帶

我國受頂板水體威脅的煤炭儲量近百億噸，所以進行水體下采煤是不可避免的，而對水體下采煤技術的研究也是勢在必行的。水體下采煤技術是一個涉及采礦學、開采沉陷學、巖石力學等多學科相互交叉的復雜學科［1］，研究水體下采煤技術的目的是實現在水體下安全采煤，而正確評價水體下采煤的安全合理性，對于提出水體下安全采煤技術措施，進而實現水體下的安全合理開采，以及確保礦工的人身安全及礦井的安全生產，提高煤炭資源回收率等則都具有十分重要的現實意義。

微山湖下煤炭資源豐富，是我國重要的煤炭基地之一，在微山湖區建設有多個大型煤炭企業已進行長期的湖區下采煤，其中大屯礦區姚橋煤礦多個采區均位于湖區下。為了保證湖區下采煤的安全，采前對水體下采煤進行安全性分析研究，以便提前提出相應技術措施，是非常有必要的。本文在搜集姚橋煤礦現場地質采礦資料和觀測資料的基礎上，對姚橋煤礦微山湖下安全開采的可行性進行了分析和論證。

1 姚橋煤礦地質概況及微山湖下采煤情況

1.1 姚橋煤礦地質概況

井田東西長約13.70 km，南北寬約4.65 km，面積約 63.75 km2，其中湖區部分面積約為17.4 km2，為全掩蓋式煤田，屬華北型石炭二疊系含煤地層。由于受區域構造的影響，南、北、西邊界皆為落差較大的斷層，總體為一向北西傾斜的單斜構造。井田主采煤層為二疊系山西組7、8號煤層，平均厚度分別為5.34 m和3.84 m，兩煤層間距0.1～37.35 m。7號煤層頂板有一層中細砂巖層位穩定，但厚度變化大。直接頂為炭質泥巖、泥巖或砂質泥巖。8號煤底板多為細砂巖，比較穩定。

1.2 姚橋煤礦微山湖下采煤情況

微山湖位于井田東部，屬淮河水系?？偯娣e為2100 km2，最大庫容量47.31億m3，平均水深1.7 m，汛期最深為3 m。礦井位于微山湖下的采區包括新東四采區、東六采區和東七采區。其中最淺部為新東四采區。松散層底界面平均標高-100 m，設計分層開采，防水煤(巖)柱的開采上限為-180 m，最小防水煤(巖)柱高度為70 m。目前，新東四采區淺部7708、7502工作面及以西7煤已全部回采結束。

2 松散含水層阻隔湖水下泄分析

2.1 松散層結構

湖區第四系地層兩極厚度100.70～163.60 m，平均厚度131 m左右。由東向西逐漸增厚。分6個含水組和5個隔水組，如新東四采區淺部松散層地質剖面圖(圖1)所示。巖性主要由粘土、砂質粘土、混粒土、砂層組成。含水砂層厚度變化較大。Ⅴ隔分布不穩定，Ⅴ含、Ⅵ含局部合并，通常將Ⅴ含、Ⅵ含統稱為“底含”。井田東南、西南煤層露頭區，當井巷揭露底含及下伏風化砂巖時，或工作面回采時導水裂縫帶波及底含時，底含就成為礦井充水的主要補給水源。第四系含水層水文地質特征見表1，隔水層參數及地質特征見表2。

圖1 新東四采區淺部松散層地質剖面圖

表1 含水層水文參數

表2 隔水層參數及地質特征

續表

2.2 區域關鍵隔水層

通過研究深厚松散層性質得出，如果底部存在厚層粘土且其厚度大于2倍的“可固結厚度”時，則粘土存在半固態核心部分，粘土層的抗剪強度較高。通過試驗，單層粘土厚度大于3 m時，可存在半固態核心部分。當粘土深度大于70 m時，粘土一般為半固態和硬塑狀態，被稱為深部粘土，也可作為深部松散層的界線。如果松散層埋深大、厚度大，并且底部厚層粘土具有半固態的核區時，則其性質類似基巖風化泥巖也可成為良好的防止潰水、潰砂的保護層［2］。

姚橋煤礦第四系粘土層發育，其中3隔、4隔巖性主要為粘土，塑性指數14～32，厚度平均分別為33.56 m、13.79 m，埋深分別在95 m和116 m左右，且分布穩定。根據上面的分析3隔和4隔存在半固態的核心部分，其隔水性強，能有效地阻隔了大氣降水、地表水、第四系中上部砂層水與第四系底部含水層水、基巖地下水的水力聯系，因此3隔、4隔是本區的關鍵隔水層。由于該區域關鍵隔水層的存在，微山湖水體不會通過松散含水層潰入井下。

2.3 “底含”對開采影響的分析

結合新東四采區淺部四個仰上孔以及地質資料可知，第四系底部地層，主要由粘土、砂質粘土、粘土質砂組成。粘土質砂只有Y2和Y4號鉆孔揭露，細粒結構，砂粒成分以石英為主，但粘土含量約占25%。粘土真厚大于10.6 m，粘土質砂含有較多的粘粒，含水性和透水性都較差。Y3孔揭露的最大粘土厚度達21.2m。粘土質砂含有較多粘粒，含水性和透水性均差，施工中無涌漏水現象。根據松散層底部巖性，新東四采區淺部的H49孔含礫細砂的厚度只有2.75 m，探測表明底部含水層為弱富水性，根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》(以下簡稱《三下采煤規程》)的規定符合留設防砂安全煤(巖)柱的條件。目前，由于開采的疏降“底含”水位也在不斷地下降，1996年后下降速度有減緩的趨勢，見FS-1“底含”長觀孔水位，如圖2。據點02-1水文孔觀測結果，2003年3月15日，“底含”水位埋深為127.45 m，接近“底含”的底部，表明“底含”處于基本疏干的狀態。對工作面的安全開采不會造成大的影響。

圖2 FS-1孔“底含”水動態

3 覆巖破壞規律分析

對于水體下采煤來說，覆巖破壞規律是確定能否提高回采上限的決定性因素，因此確定覆巖破壞規律的程度和范圍是必不可少的一步。對于覆巖破壞規律的分析研究就是要最終確定上覆巖層破壞的形態和高度，以指導礦井的安全開采以及壓煤的解放工作［3］。當煤層的埋藏條件和采煤方法后則覆巖的力學性質與結構特征和覆巖破壞高度密切相關。如果采區上覆巖層為脆性巖層，受開采影響后容易斷裂，所以覆巖破壞高度大。如果覆巖為塑性巖層，受開采影響后容易斷裂但不容易下沉，能使冒落巖塊充分壓實，最終表現為覆巖破壞高度降低。因此根據覆巖巖層的強度特征及煤層開采厚度來確定覆巖破壞高度［4］。

3.1 “兩帶”破壞高度實測

7208、7404工作面進行覆巖破壞探測工作，實測得到炮采和分層綜采條件下導水裂縫帶和垮落帶高度，具體結果見表3。在7507綜采放頂煤工作面測得，采厚4.9 m時，導水裂縫帶高度為63.6 m，裂采比12.98。

3.2 覆巖破壞高度經驗公式及結果分析

根據現場地質資料可知，井田覆巖為中硬型覆巖。當采用分層開采方法，7煤按平均厚度4.9 m計算，當分層綜采開采時按《三下采煤規程》給出的中硬類覆巖的“兩帶”高度計算公式，計算導水裂縫帶和垮落帶高度結果如下:

當采用綜放開采方法，7煤按平均厚度4.9 m計算，按文獻［5］中選取中硬類覆巖的“兩帶”高度計算公式，計算導水裂縫帶和垮落帶高度結果如下:

根據新東四采區淺部地質資料，松散層平均標高-100 m，設計分層開采，防水煤(巖)柱的開采上限為 -180 m，最小防水煤(巖)柱高度為80 m。導水裂縫帶最大發育標高達不到基巖的頂部，再加上“底含”和5隔厚度在20 m左右，所以實測和公式預計的導水裂縫帶高度均不會達到導通湖水的高度，而且也不會破壞3隔和4隔的穩定性和隔水性。

根據綜放開采中硬類覆巖防砂安全煤(巖)柱保護層厚度取法，取保護層厚度為2.1倍的采厚［6］，則最小防砂安全煤(巖)柱的厚度為:Hs=Hb+Hm=2.1×4.9+27.48=37.77 m。由以上分析可以看出，由于本區第四系“底含”不發育，基本處于疏干狀態，所以本區留設防砂安全煤(巖)柱是可行的，而實際留設的安全煤(巖)柱高度遠遠大于計算防砂安全煤(巖)柱37.77 m，所以垮落帶不會破壞到松散層底界。因此新東四采區淺部湖下采煤從“兩帶”發育高度角度評價是安全可靠的。

4 其他影響方面

姚橋煤礦對每個封閉不良鉆孔進行了處理，排除了封閉不良鉆孔的隱患;從礦區已揭露的構造來看，本區大部分斷層為不導水斷層，斷距間充填粘土、斷層泥類雜物;礦區揭露的陷落柱通過鉆孔探測表明沒有引起地面塌陷。所以認為本區構造和封閉不良鉆孔造成湖水潰入井下的可能性低。另外，目前湖區采沙主要對象為Ⅰ含、Ⅱ含沙層，在Ⅲ含發育的地方可能會采Ⅲ含沙層。采沙深度不會破壞3隔，尤其更不會觸及4隔，且3隔、4隔厚度大，全區區域穩定。因為這兩層隔水層不會遭到破壞，可以有效阻隔地表湖水與下部含水層發生水力聯系，因此湖下開采是安全的。

5 主要結論

1)通過對姚橋煤礦松散含水層的結構的結構分析，其3隔和4隔具有厚度大，分布穩定，塑性指數高，隔水性好的特點，是松散含水層中的區域關鍵隔水層，可以有效阻隔湖水的下泄。

2)隨著歷年的開采“底含”為富弱水性，現在基本處于疏干狀態。所以微山湖水不會通過松散含水層潰入井下。

3)對上覆巖層破壞高度計算分析，導水裂縫帶最大發育高度標高達不到基巖頂部標高，再加上“底含”和5隔的厚度，所以導水裂縫帶不會破壞到區域隔水關鍵層，也達不到構成導通湖水的高度。

4)由于第四系“底含”基本處于疏干狀態，留設防砂安全煤(巖)柱是可行的，而實際留設的防水安全煤(巖)柱遠大于防砂安全煤巖柱高度，所以垮落帶不會波及松散層底界。

5)通過對湖下松散含水層、采區上覆巖層的破壞規律的分析研究，對姚橋煤礦微山湖下采煤的安全性進行論證、評價，得出姚橋煤礦湖下采煤是安全的。

［1］ 張華興，郭維嘉.“三下”采煤新技術［M］.徐州:中國礦業大學出版，2008

［2］ 許延春，耿德庸，官云章，等.深厚含水松散層的工程特性及其在礦區的應用［M］.北京:煤炭工業出版社，2003

［3］ 康永華，王作宇，范國強.興隆莊煤礦綜采覆巖破壞規律的研究［C］.中國煤炭學會礦山巖層與地表移動(開采沉陷及“三下”采礦)學術會，1986

［4］ 郭文兵，邵強，尹士獻，等.水體下采煤的安全性分析［J］.采礦與安全工程學報，2006，9(3):325-327

［5］ 許延春，李俊成，劉世奇，等.綜放開采覆巖“兩帶”高度的計算公式及適用性分析［J］.煤礦開采，2011，4(2):4-11

［6］ 許延春，劉世奇.水體下綜放開采的安全煤巖柱留設方法［J］.煤炭科學技術，2011，39(11):1-4

Research on Analysis of Security of Mining in Yaoqiao Coal Mining under Weishan Lake

XU Yanchun1，LI Mingshan2，LIU Shiqi1，LIU Zhaoxing1，WANG Kewu3

(1.State Key Laboratory of Coal Resources and Mine Safety，China University of Mining＆Technology(Beijing)，Beijing 100083;2.Shanghai Datun energy company Yaoqiao Coal Mine，Jiangsu 221611;3.Poly Energy Holdings Limited，Beijing 100010)

This paper combined mining in Yaoqiao Coal field geological data and the measured data，according to the theory and technology of the coal mining under water body，analyzes the structure of Quaternary Loose Soils and the overburden failure law ，and also predicts the ground surface deformation，and then analyzes and proves the security of Yaoqiao mine coal mining under Weishan Lake.Draw 3 compartment and 4 compartment for regional key aquifuge and it can effectively prevent the lake water burst into the underground.The maximum elevation of development of water-flowing fractured zone can’t reach the top of the bedrock，and can’t spread to the key water-resisting layer，and can’t form the crack of conducting the lake.

mining under water body;regional key aquifuge;water flowing fractured zone

TD823.83

A

1672-7169(2012)03-0001-05

2012-05-08

許延春(1963-)，男，河北樂亭人，研究員，中國礦業大學博士生導師，從事近水體安全采煤的研究與教學工作。