采空區積水下急傾斜厚煤層水平分層綜放開采安全性分析

賈立明 張玉軍

(1.吉林省煤業集團有限公司，吉林 長春130100；2.天地科技股份有限公司，北京 100013)

采空區積水下急傾斜厚煤層水平分層綜放開采安全性分析

賈立明1張玉軍2

(1.吉林省煤業集團有限公司，吉林 長春130100；2.天地科技股份有限公司，北京 100013)

第四系沙礫含水層及采空區積水是梅河礦區急傾斜特厚煤層殘采區綜放安全復采的主要威脅，也是亟待解決的重要問題。以三井5109區為研究區域，在對采空區積水瞬變電磁探測和對急傾斜特厚煤層水平分層覆巖破壞高度預計的基礎上，對F4斷層留設了足夠的隔水煤柱，并針對巖層移動規律，求算出工作面采動影響波及到的采空區積水區的范圍，評價結果認為：在回采前要確保采空區積水降至+172 m標高以下方能保證安全開采。

采空區積水 急傾斜 水平分層 綜放開采

急傾斜特厚煤層綜采放頂煤是近年來興起的厚煤層機械化開采的新采煤方法，由于特厚急傾斜煤層水平分層開采強度大，且受反復開采擾動影響，致使覆巖破壞非常嚴重。梅河煤礦歷經40余年的開采，目前呈煤炭資源枯竭狀態，已基本進入殘采期。礦井先后采用水砂充填采煤方法、巷柱式采煤方法、金屬網假頂采煤方法，自1989年開始采用水平分層綜放采煤方法。多年來的煤炭開采使得礦井遺留大量的煤柱和小塊段煤量，同時由于開采煤層為急傾斜煤層，開采分層數多，地點集中，對采空區內的垮落泥、砂巖產生反復采動擾動影響。第四系沙礫含水層、頂板采空區積水是梅河礦區急傾斜特厚煤層殘采區綜放安全復采的主要威脅，也是亟待解決的重要問題。

1 研究區概況

梅河煤礦三井歷經30余年的開采，目前已基本進入殘采期。5109-9工作面位于井田東翼-10 m水平，上方是5109區1-8層舊采跡，西部為0507區17層舊采跡；距離該區南側170 m為原七井采空區，與三井以F4斷層為界，現已報廢封閉。梅河七井多年的開采形成大量采空區積水，且對F4斷層產生了一定的活化影響，5109-9工作面開采將受到上述采空區積水的影響。工作面設計走向長度220 m，傾斜長度40 m，面積約8 800 m2，停采線擬定于距離補3剖面線上95-3-4號鉆孔以東6.3 m位置處，煤層厚度13.2 m，運輸順槽標高-10.2～-36.3 m，回風順槽標高-9.4～-27.5 m，走向長壁綜采放頂煤采法。本區對應地表標高為+360.1～+367.7 m。 5109-9工作面布置圖和剖面圖見圖1和圖2所示。

圖1 5109-9工作面位置

圖2 5109工作面剖面

2 采空區積水瞬變電磁探測分析

2.1 探測范圍及工作量

由于5109-9工作面與七井采空區以F4斷層為界，為了查清采空區積水影響邊界，在地表采用瞬變電磁對5109-9工作面上覆采空區積水區域進行了探測。測線為北西至南東方向，按照基本線距20 m，點距20 m的網度布置工作量，共完成坐標點176個，檢測點10個。瞬變電磁法測線平面布置見圖3。

圖3 瞬變電磁法測線平面布置

2.2 物探成果分析

根據探測結果，反演了視電阻率等值線剖面圖和不同標高的平面圖。圖4所示是5線視電阻率等值線剖面圖。5線剖面與6線地質剖面線基本平行且相鄰較近，從剖面圖上看，在+250 m以上為相對高阻層，+130～+250 m為相對低阻層，在測線方向0～60 m，+130～+200 m范圍內視電阻率值最低，結合采礦資料分析，認為該區域的低阻異常為積水采空區的反映，F4斷層在該區域也表現為低阻，推測F4斷層受開采活動影響，在該范圍內有一定的含水性。在測線方向120～200 m，+130～+200 m范圍內視電阻率值也比較低，結合地質與采礦資料，分析認為該區域的低阻異常為地層的反映。在視電阻率等值線剖面中，在+130 m以下范圍，地層表現為相對高阻。圖5為+180 m水平物探成果平面圖，從平面圖中可以看出，在七井的礦界以南，2測線至11測線的范圍內，視電阻率值為相對低阻，推測該區域為積水采空區，從平面圖中，也可以看出F4斷層也有一定的含水性。

圖4 5線視電阻率等值線剖面(單位：Ω·m)

探測結果表明：在勘探區域內+130～+250 m為相對低阻層，在測線方向0～80 m，+130～+170 m范圍內視電阻率值最低，結合采礦資料分析，認為該區域的低阻異常為積水采空區的反映，F4斷層在該區域也表現為低阻，推測F4斷層受開采活動影響，在該范圍內有一定的含水性。從平面范圍分析，在七井的礦界以南，2測線至11測線的范圍內，視電阻率值為相對低阻，推測該區域為積水采空區。

圖5 +180水平物探成果平面(單位：Ω·m)

3 急傾斜特厚煤層水平分層工作面開采覆巖破壞高度預計

對于急傾斜特厚煤層,由于其煤層厚度大，水平分層開采方法比較特殊,開采后的巖移特征與地表移動規律與急傾斜薄及中厚煤層開采存在著較大的差異。綜采放頂煤是將全煤厚一次就采放出來的一種高產高效采煤方法，與厚煤層分層開采相比，其開采強度大大增加，生產成本明顯降低，開采效率和經濟效益顯著提高。但是，由于綜放開采的一次開采厚度明顯大于厚煤層分層開采時(主要為)一分層的開采厚度，其采動影響的劇烈程度、覆巖破壞高度以及覆巖破壞的發育規律也與分層開采情況有著明顯不同。覆巖破壞范圍的最大高度與開采厚度的關系最為密切。一般隨著采厚增大， 破壞高度也相應增加。薄煤層單層開采或中厚及厚煤層初次開采時的覆巖破壞高度與采厚呈線性關系， 即隨著采厚增加， 破壞高度將按線性比例增加。重復開采時，覆巖破壞范圍的最大高度一般會受到明顯抑制，其冒高、裂高累計采厚比一般會明顯減小。

遼源礦區梅河三井于上世紀90年代初曾在1107區和2101～2103區對綜放覆巖破壞高度進行過觀測研究，觀測結果如表1所示。由實測結果可知，工作面多個分層開采時，裂高采厚比為5.48～7.06，隨著分層數增加，裂高與累計采厚比基本介于1.75～2.07。

因此，根據上述實測結果，可預計5109區工作面各分層開采時的導水裂縫帶發育高度。當5109工作面第一分層開采時，上覆頂板未受采動影響，此時導水裂縫帶高度可按照裂采比8倍選取比較合理；當5109-9工作面開采時，上覆頂板大部分區域已經經過8個分層開采采動影響，巖石力學性能及其完整性條件已有所降低，已開采完畢的8個分層所形成的導水裂縫帶高度，在5109-9工作面開采的采動影響下，裂縫帶發育高度會有所增加，但增加幅度不會太大，因此9個分層全部開采完畢后導水裂縫帶高度可按照2倍裂高累計采厚比選取。

表1 覆巖導水裂縫帶高度實測結果

圖6所示是5109區各個分層開采后覆巖破壞形態及導水裂縫帶發育最大高度分布示意圖。梅河三井分層開采厚度為13.2 m，由此可計算得到當5109-9工作面開采后，5109區9個分層全部開采后導水裂縫帶發育最大高度為237.6 m，根據補3勘探線剖面可知，5109-9工作面回采最高標高為-20.5 m，5109區開采后覆巖破壞最大發育高度上限標高為+230.3 m。

圖6 5109區開采導水裂縫帶發育高度

4 采空區積水對5109-9工作面開采的影響分析

4.1 采空區積水區斷層煤柱留設

5109區與七井采空區以斷層為界，根據瞬變電磁探測結果可知，在+250 m標高以上為相對高阻層，+130～+250 m為相對低阻層，也就是說在+130～+250 m標高之間為主要的采空區積水區。而由導水裂縫帶發育高度預計結果可知，按照5109區9個分層全部開采完畢后，導水裂縫帶最大發育高度上限標高為+230.3 m，高于目前采空區水位標高。因此，根據《煤礦防治水規定》，當最高導水裂縫帶上限高于含水層頂面時，防隔水煤巖柱可按照圖7留設。

圖7 煤層與導水斷層接觸時防隔水煤(巖)柱留設

其計算公式為

式中，L煤柱留設的寬度，m；Ha斷層安全防隔水煤巖柱的寬度，m；HL為最大導水裂縫帶高度，5109區開采后預計導水裂縫帶最大高度為237.6 m；θ為斷層傾角，(°)，依據斷層產狀資料，取60°；δ為巖層塌陷角，(°)，依據《建筑物、水體、鐵路及其他主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》中相關實測數據，安全起見，取73°；M為斷層上盤含水層層面高出下盤煤層底板的高度，m，在這里取199.5m。

其中斷層安全防隔水煤巖柱的寬度Ha應根據礦井實際觀測資料來確定，即通過總結本礦區在斷層附近開采時發生突水和安全開采的地質、水文地質資料，計算突水系數的安全臨界線。Ha值也可以按下列公式計算：

Ha=p/Ts+10,

式中，p為防隔水煤巖柱所承受的靜水壓力，MPa；在這里取2。Ts為臨界突水系數，MPa/m，取臨界突水系數Ts為0.06；10為保護層厚度，一般取10m。

最終計算得到留設的斷層防隔水煤巖柱的最小尺寸為178.8m。而根據剖面圖可知，5109-9工作面溜子道順槽與斷層的水平間距為250m，滿足留設斷層煤柱的要求。

4.2 5109-9工作面采動影響分析

綜合5109-9煤層的賦存條件、采礦條件和巖層移動角，可以求算出采動影響波及到的采空區積水區的范圍，進而可進行針對性的探放水治理，實現疏降后安全開采。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》，水平煤層在中硬覆巖條件下上山方向的邊界角一般為55°～60°，移動角一般為70°～75°。表2所示是國內部分礦井急傾斜厚煤層開采實測參數，由實測角量參數可看出特厚急傾斜煤層水平分層開采頂板邊界角、移動角都偏小。遼源礦務局也曾于70—80年代在梅河一井、三井、平崗南小井、保安一井進行過地表巖移觀測，移動角介于54°～68°之間。

表2 急傾斜厚煤層開采地表實測沉陷數據

因此，參照類似地質采礦條件下的采動影響觀測資料，結合梅河礦生產經驗，由于5109-9工作面內錯，頂板受5109區上覆8個分層開采擾動較小，所以選取5109-9工作面開采頂板方向移動角為54°較為合理，而其他8個分層開采頂板方向移動角取50°，以補3勘探線為例，5109-9工作面開采和5109區1～8分層開采影響范圍如圖8所示。由影響范圍可知，5109區開采后采動影響局部都波及到了采空區積水區，其中最低標高+172 m以上均屬于巖層移動范圍之內。因此，在回采前要確保采空區積水降至+172 m標高以下方能保證安全開采。

圖8 5109-9工作面采動影響范圍(單位:m)

5 5109-9工作面采空區積水下安全開采評價

(1)原七井采空區積水是5109-9工作面開采的主要充水含水層，采空區積水位于+130～+250 m標高范圍內，斷層受開采活動影響，在該范圍內有一定的含水性。

(2)從導水裂縫帶發育高度角度考慮，梅河三井按照分層開采厚度為13.2 m計算，預計9個分層全部開采后導水裂縫帶發育高度為237.6 m，導水裂縫帶發育高度上限標高為+230.3m，在垂直方向上導水裂縫帶發育高度已經進入到采空區積水標高范圍，但是沒有波及到采空區積水范圍底界。同時，為了使得裂縫帶邊界頂點不波及到采空區積水范圍，斷層防隔水煤巖柱的最小尺寸為178.8 m，5109-9工作面溜子道順槽與斷層的水平間距為250 m，滿足留設斷層煤柱的要求。5109-9工作面按照設計采放高度13.2 m開采是可行的。

(3)從工作面開采巖層移動范圍考慮， 5109-9工作面開采后采動影響局部波及到了采空區積水區，標高+172 m以上屬于巖層移動范圍之內。因此，在回采前要確保采空區積水降至+172 m標高以下方能保證安全開采。

(4)在開采5109-9工作面時，為防止采區出現突水、潰泥砂事故，首先要對采空區積水井上下采前鉆孔進行疏放，其次要嚴格控制采放高度、防止發生抽冒。

[1] 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. State Coal Industry Bureau.Building，Water Body，Railroad and Main Mine Lane Coal Pillar with Pressure Mining Engineering[M].Beijing：China Coal Industry Publishing House,2000.

[2] 煤炭科學研究總院北京開采研究所.煤礦地表移動與覆巖破壞規律及應用[M].北京：煤炭工業出版社，1983. Beijing Mining Institute of China Coal Research Institute.The Application and Law for Ground Surface Movement and Overburden Failure in Coal Mine[M].Beijing：China Coal Industry Publishing House,1983.

[3] 張玉軍，李英輝，殷志剛，等.梅河礦區砂礫含水層下殘采綜放工作面防潰泥突水技術及實踐[J].煤礦開采，2013,18(5)：76-79. Zhang Yujun，Li Yinhui，Yin Zhigang，et al.Research and practice of residual caving working face mud burst water inrush prevention technology in Meihe Coal Mine[J].Coal Mining Technology，2013,18(5)：76-79.

[4] 張玉軍，張華興，陳佩佩.覆巖及采動巖體裂隙場分布特征的可視化探測[J].煤炭學報，2008(11):1216-1219. Zhang Yujun，Zhang Huaxing，Chen Peipei.Visual exploration of fissure field of overburden and rock[J].Journal of China Coal Cociety,2008(11):1216-1219.

[5] 張玉軍，康永華.覆巖破壞規律探測技術的發展及評價[J].煤礦開采，2005，10(2)：10-12. Zhang Yujun，Kang Yonghua.The summarize and estimation of the development about the exploration of overburden failure law[J].Coal Mining Technology，2005，10(2)：10-12.

(責任編輯 石海林)

Safety Analysis of Steeply Inclined Thick Coal Seam with Fully Mechanized Top Coal Caving Mining under Goaf Water

Jia Liming1Zhang Yujun2

(1.JilinCoalIndustryGroupCo.，Ltd.，Changchun130100，China;2.TiandiScience&TechnologyCo.，Ltd.，Beijing100013，China)

Quaternary gravel aquifer and the goaf water are the main threat of safety mining of steeply inclined thick coal seam with fully mechanized top coal caving mining in Meihe mining area.It is an important problem to be solved.Taking Mitsui 5109 zone as the research area，based on the transient electromagnetic sounding and the goaf water of and the failure height prediction on horizontal overburden of the steeply inclined thick coal seam，abundant coal pillars for the water barrier at F4 fault are set.In the light of the strata movement law，it is calculated that the mining influence in working face spread to the goaf water area.The evaluation shows that:before mining，the elevation of goaf water just declined to +172 m can ensure the safety mining.

Goaf water，Steeply inclined，Horizontal layering，Fully mechanized top coal caving

2015-02-22

賈立明(1962—)，男，高級工程師。

TD823

A

1001-1250(2015)-04-097-05