水體下工作面開采上限確定及可行性分析

劉應龍

(山西汾西正善煤業有限公司，山西 孝義 032300)

按照“三下”開采規程中的規定，我國水體下采煤一般根據開采條件和水體防護要求，分別采用留設三種類型的安全煤巖柱，即，防水、防砂和防塌安全煤巖柱。本文根據已有實測資料分析研究軟巖頂板條件下煤2開采導水裂隙帶發育規律，為三采區首采面巖柱的留設，尤其是開采上限的確定提供了重要的依據[1-3]。同時，本文將根據上述結論，按照相關規程規范，確定三采區首采H2303工作面的安全開采上限，并論證其可行性。

1 工程概況

根據三采區H2303工作面區域勘探資料，水域施工鉆孔僅揭露煤4底板以上地層，三采區首采面揭露地層自下而上為：朱壁店組、李家崖組、小樓組，第四系。該采區為全隱蔽的古近系含煤區，其中，李家崖組為主要含煤地層，分上、下兩含煤段，該組厚度約96.30 m～151.37 m，平均總厚122.99 m，共含煤4層，即煤1、煤2、煤3及煤4。可采及局部可采煤層3層，即，煤1、煤2、煤4，平均總厚10.29 m，其中，煤2最大厚度5.93 m，為主要可采煤層，地層傾角一般小于15°。

H2303工作面橫跨寬緩的HY向斜，煤層走向由西部的北北西向東逐漸過渡為北北東和北東向以及東南向，傾向由西西南向東逐漸轉變為東東南和南東以及南西向。材料巷位是工作面南順槽，沿煤2層施工，南側存在SF-15斷層，該斷層三維地震解釋落差20 m，走向北西西～南南西，傾向南南西～南南東，傾角60°～80°。軌道、皮帶及回風巷揭露該斷層時均無富水、導水現象。巷道正常掘進過程中受煤2及底板砂巖水影響，煤l油2含水層位于煤2頂板以上15 m左右，其底板與含油泥巖呈自然過渡接觸關系。煤1油2層含裂隙水，富水性不均一，在三采軌道上車場施工的觀8孔涌水量9.7 m3/h，局部富水性較好，水位穩定在-130.13 m左右。

H2303工作面基巖風化帶厚度4 m(BH11)～18 m(BH7)，富水性極弱，具有隔水性，基巖上部基本為泥巖，具有較好隔水性，厚度38.20 m～99.23 m，平均70.26 m。隔水層的存在能較好地阻隔水與第四系水對下部含水層的補給作用。煤2上部其他含水層，如，泥灰巖含水層、泥巖夾泥灰巖互層含水層、煤l油2含水層富水性均從弱至中等，各含水層間不同程度地賦存有泥巖等隔水層，阻隔各含水層之間的水力聯系。

H2303工作面在進行-200 m標高以淺開采時，煤層采厚在5.5 m左右，由于基巖厚度變薄，開采受第四系含水層及水體的威脅。因此，確定第四系水下滲底界面與開采后導水裂隙高度之間安全保護層厚度及其隔水性能成為開采安全關鍵研究內容，根據研究結果應該圈定出安全合理的開采范圍。

2 防水煤巖柱的留設及評價

對水體下采煤的可靠性和安全性進行評價時，合理留設安全煤柱十分重要。結合分析結果，根據實際情況留設防水安全煤柱，確保導水裂隙帶不波及第四系底部含水體(二含)，以確保三采區首采工作面的安全回采。

2.1 保護層厚度確定

根據三采區第四系松散層水文地質結構的分析和研究可知，第四系松散層底部一般無黏土層，基巖風化帶厚度4 m(BH11)～18 m(BH7)，多為灰綠色泥巖或鈣質泥巖，有效地阻隔了第四系與底部基巖的水力聯系，起到了隔水層的作用[4-5]。

另外，根據在H2303工作面周圍分布BH7、BH8、BH10以及BH12 4孔統計資料來看，該工作面周圍基巖風化帶厚度在7 m(BH8)～18 m(BH7)之間，根據現行“三下”規程的有關條款規定，結合三采區煤2覆巖“中硬偏軟”以及松散層底部存在有效隔水層的實際條件，可按照“松散層底部黏性土層厚度大于累計采厚”的情況選取保護層厚度(Hb)，見式(1)。

Hb=3M

(1)

另外，根據以往陸地開采經驗，保護層厚度一般取值不小于10 m，因此，本次評價當計算保護層厚度大于10 m，按計算值進行評價；計算保護層厚度小于10 m，取值10 m進行評價。

2.2 防水煤巖柱尺寸的計算

防水煤巖柱尺寸(Hsh)等于導水裂隙帶的高度(Hli)加上保護層的厚度，見式(2)。

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Hsh=Hli+Hb

(2)

根據研究成果，防水煤巖柱尺寸的計算公式可以改寫成式(3)。

Hsh=64.16+3M

(3)

式中：M為煤層開采厚度，m；Hsh為防水煤巖柱尺寸，m。

3 開采上限的確定

根據分析，三采區H2303首采面安全開采上限確定的主要關鍵要素統計如表1所示。

表1 三采區H2303首采面安全開采上限確定要素表

結合上述分析，三采區H2303工作面安全開采上限主要依據的要素有：第四系底界(基巖起伏面，見圖1)、有效隔水層底界、采動導水裂隙帶發育高度等。同時，為了減少露頭煤柱的壓煤量，最大限度地開采煤炭資源，本研究提出H2303工作面安全開采上限確定的基本思路為：在工作面臨近開采上限時，采用減小開采厚度的方法，從而減少由煤柱留設造成的煤炭損失。即，在基巖厚度較大層段時，采用全煤厚開采方式，并以此為依據確定安全開采上限。當基巖厚度較小時，變煤厚開采，根據該礦目前采用的割煤機型號，采高變更為3 m(導水裂隙帶發育高度取數值模擬結果35 m及擬合公式預測34.57 m中較大值，即取35 m)，以此為依據確定安全開采上限。

根據對三采區的地質、水文地質條件和開采條件的分析，推算出三采區H2303工作面不同采厚條件下的開采上限如表2所示。

根據計算結果，基于三采區現有的勘探程度，尤其是對采區H2303工作面水文地質條件揭露和認識的基礎上，最終確定該工作面安全開采上限。

不同采厚條件下上限為：全煤厚開采：即工作面采用全煤厚6 m開采，安全開采上限為-160 m(實際計算值為-158.16 m)；

限煤厚開采：即-160 m以淺變更采煤厚度(3 m)，開采上限為-120 m(實際計算值為-121 m)。

圖1 H2303工作面煤2安全開采區域劃分圖

表2 H2303工作面開采上限及標高

采厚由3 m增大到6 m過程中，即從只采3 m不放頂煤到頂煤全放過程中，需要注意循序放煤，以防止煤層采厚劇烈變化而導致導水裂隙帶發育高度的急劇增大。

4 保護煤巖柱的承載能力評價

本文通過收集已有頂板隔水層的各項物理力學指標及參數評價特定厚度和性質的巖層阻隔水頭壓力的能力，特別是針對保護層的承載特性進行分析。本研究確定水的下滲界面為第四系“一隔”，其厚度平均20 m。根據《礦井地質工作手冊》提供頂板承壓條件下安全隔水層厚度評價方法，可以將H2303工作面頂板導水裂隙帶以上到水下界面之間的巖層段看作隔水巖柱(約39 m)，與考慮水頭壓力條件下的所需的最小安全隔水層厚度進行比較，進而評價實際有效厚度是否能夠滿足承載水水頭的要求[6]。評價公式如式(4)。

(4)

式中：H為安全隔水巖柱厚度，m；P為允許的頂板承壓水頭壓力，根據水體及淺層地下水下滲界面，取0.38 MPa；L為工作面最大控頂距離，工作面最大控頂距離，通常以工作面最大周期來壓步距代替，一般為20 m～30 m，本次評價取30 m；K為自然條件下的隔水巖柱抗拉強度，煤2頂板該段巖層平均抗拉強度2.02 MPa；為隔水巖柱的平均容重，平均容重2 200 kg/m3；r為安全系數，取1.5。

將上述各參數代入式(4)，可得承載目前水頭壓力需要最小安全隔水巖柱厚度為7.6 m，遠小于“有效隔水煤巖柱”的厚度39 m。

從上述保護煤巖柱的承載能力評價來看，本次H2303工作面所留設的防水煤巖柱是安全的，可以確保安全開采。

5 結論

三采區的水文地質條件基本查清，所確定的第四系“二含”入滲下界面和水體采動類型可靠；利用多種手段研究海域三采區覆巖破壞規律，并總結提煉的頂板導水裂隙帶發育高度計算公式，作為三采區開采安全評價的依據，結果可靠；根據相關規程要求確定了H2303工作面的安全開采上限，并對“有效隔水煤巖柱”的承載能力進行了評價，結果也同樣偏安全；根據相關規程要求確定了H2303工作面的安全開采上限，并對“有效隔水煤巖柱”的承載能力進行了評價，結果也同樣偏安全。

因此，本研究所確定的三采區H2303工作面安全開采上限總體上是可靠的，在嚴格按照本文提出的開采方案，留設足夠防水煤巖柱的情況下開采不會影響到“二含”，也不會引起水體的下滲。