程莊煤礦9305 工作面水體下安全開采可行性研究

趙延超 李 鵬 吳 濤

（中煤地華盛水文地質勘察有限公司，河北 邯鄲 056004）

1 工作面概況

程莊煤礦井田范圍內有一條季節性河流召三河，影響了井下工作面布置及安全開采，其河流下壓覆9 號煤層煤炭資源約200 萬t。為了能夠緩解程莊煤礦采煤壓力，本文開展了程莊煤礦9305 工作面水體下安全開采研究，主要以地表裂縫、覆巖結構、導水裂隙帶發育高度等主控因素計算分析為主[1-2]，對程莊煤礦水體下9305 工作面安全開采進行研究分析。

陽泉市燕龕煤炭有限責任公司程莊煤礦，原批準該礦開采3 號-15 號煤層，生產規模180 萬t/a，現開采煤層變更為9 號、15 號煤層，開采水平為+875～+785 m。9 號煤層現布置一個綜采工作面為9508 工作面，15 號煤層現布置一個綜放工作面15306 工作面，2 個綜掘工作面為15310 進風巷、15310 回風巷掘進工作面，布置1 個巖巷掘進面，為15310 高抽巷。

召三河下布置的工作面為9305 工作面，其呈南北布置，順著召三河方向，其寬度約271.82 m，長度約為1 094.55 m，煤層埋深95.60 m。

2 水體下采煤安全性研究分析

2.1 覆巖結構分析

2.1.1 覆巖破壞規律分析

根據以往收集的資料可知，巖層的移動變形和破壞形式，上覆巖層一般形成垮落帶、裂隙帶、彎曲帶（簡稱“上三帶”），其中重點研究的是垮落帶和裂隙帶的變形破壞特征[3-4]。

2.1.2 覆巖層隔水性分析

9305工作面內及周邊的鉆孔僅有D-262、D-257、A-12 鉆孔，其他鉆孔不在范圍內，該范圍內并未發現斷層、褶曲等構造。因此，本文利用范圍內D-262、D-257、A-12 鉆孔對其上覆巖性進行統計分析，其統計情況見表1。

表1 9305 工作面上覆覆巖厚度統計表

從表1 可知，9305 工作面上覆覆巖泥巖、砂質泥巖層段占基巖柱比例59.15%～62.28%具有很好的隔水性，而砂巖占基巖柱比例31.21%～40.84%。對其上覆巖性進行統計分析，可以發現9305 工作面上覆基巖主要以隔水性較好的泥巖、砂泥巖層為主，且其厚度占基巖總厚度的比例均在59.15%以上，這表明工作面上覆覆巖具有一定的隔水性能。

砂巖占基巖總厚度的比例也在31.21%以上，這表明9305 工作面上覆覆巖具有軟硬相間的巖性組合，具有一定的塑性變形能力，這對后期工作面安全開采是有利的。

2.2 綜采導水裂隙帶理論發育高度分析

2.2.1 導水裂隙帶形態及發育規律

導水裂隙帶發育的高度與煤層開采的方式有著很大的關系，一般情況下采高越大，導水裂隙帶發育的高度也就越大。通常情況下綜采一次采全高比分層開采的導水裂隙帶發育高度大，而采用綜采開采時導水裂隙帶發育高度與采高呈線性關系，分層開采時兩者呈分式函數性關系[5-6]。

由以上因素分析，程莊煤礦9305 工作面采用綜采一次采全高，根據井下周邊揭露的見煤點及鉆孔取芯數據，可以得到煤層厚度為1.80～3.40 m，其導水裂隙帶發育高度計算如下。

2.2.2 導水裂隙帶發育高度計算

本文結合9305 工作面頂板覆巖力學性質，采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》導水裂隙帶發育高度計算公式，公式如下：

式中：Hli為導水裂隙帶發育高度，m；M為煤厚，m。

根據9 號煤層井上下對照圖，本文選取9305工作面內地表最小標高為+998.08 m，根據9305 工作面的底板等高線選取最大底板標高為+900.00 m，通過計算9305 工作面煤層最小埋深為998.08-2.48-900=95.60 m。

通過計算可得出9305 工作面的導水裂隙帶最大理論發育高度為41.50 m，其埋深為95.60 m，導水裂隙帶最大理論發育高度小于埋深。因此， 9305 工作面開采后，從理論上分析溝通到地表可能性較小。

2.3 地表裂縫發育深度分析

（1）MohrCoulomb（摩爾庫倫）破壞準則計算地表裂縫

本文主要采用摩爾庫倫破壞準則定理來對9305工作面進行地表裂縫深度計算[7-8]，其計算公式為：

式中：C為土體的內聚力，kPa；φ為內摩擦角，（°）；γ為土體的飽和容重，kN/m3。

（2）9305 工作面范圍內地表裂縫計算

根據礦方地質勘察資料及鉆孔柱狀圖的巖性描述，召三河周邊及河床多為中、上更新統黃土層，土壤主要以黃土狀亞黏土為主。根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采指南》及程莊煤礦周邊的地質勘察報告，可以得出MohrCoulomb（摩爾庫倫）破壞準則的計算參數。

根據公式（3）計算9305 工作面內地表裂縫，根據已有資料可知9305 工作面地表水體內多為黃色亞黏土，按照規范參考值，其內摩擦角選取24°，內聚力為26 kPa，土體飽和容重為18.30 kN/m3，其計算結果如下：

根據公式計算，9305 工作面地表裂縫預計發育深度為4.38 m。在工作面周圍拉伸區內，會出現永久裂縫帶，裂縫平行工作面巷道及切眼分布，9305 工作面開采后地表裂縫寬度最大可能為10～300 mm。

2.4 防水安全煤（巖）柱分析

2.4.1 防水安全煤巖柱高度驗算

本文將依據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》的公式來計算防水安全煤（巖）柱的厚度，因9305 工作面周邊地表有一定的黃土覆蓋，水體不與基巖接觸，故不考慮基巖風化帶高度。

其防水安全煤巖柱垂高見公式（4）：

式中：Hsh為防水安全煤巖柱的高度，m；Hli為導水裂隙帶高度，m；Hb為保護層厚度（見表2），m。

表2 防水安全煤（巖）柱保護層厚度

根據地質勘探資料可知，9305 工作面對應地表黃土層最小厚度為4.09 m，而煤層厚度最大為2.48 m，黃土層屬于亞黏土，且煤層上覆巖性為泥巖、砂質泥巖、砂巖等中硬性巖層。保護層厚度應取3倍的煤層厚度，該范圍內煤層最大厚度為2.48 m，故保護層厚度為7.44 m。

通過前述9305 工作面煤層開采后導水裂隙帶理論發育高度為41.50 m，依據公式（4）保護煤巖柱厚度為48.94 m，計算如下：

Hsh≥Hli+Hb=41.50+7.44=48.94 m。

2.4.2 防水安全煤巖柱影響分析

9305 工作面最大的防水安全煤巖柱垂高為48.94 m，地表裂縫深度為4.38 m，其范圍內9305工作面開采最小埋深為95.60 m，減去地表裂縫深度91.22 m，大于所需防水安全煤巖柱48.94 m，故9305 工作面煤巖柱尺寸是足夠的。

9305 工作面上覆基巖主要以隔水性較好的泥巖、砂泥巖層為主，厚度占基巖總厚度的比例均在59.15%以上，召三河范圍內9 號煤層工作面上覆覆巖具有一定的隔水性能，可阻止地表水體下滲。

3 結論

（1）本研究通過對鉆孔統計分析，9305 工作面頂板覆巖巖性泥巖、砂質泥巖二者綜合占基巖柱比例59.15%～62.28%，主要以隔水性較好的泥巖、砂質泥巖層段為主，該巖性組合具有一定塑性及隔水性，對9305 工作面的安全開采是有利的。

（2）本研究得出9305 工作面的最小埋深為95.60 m，導水裂隙帶理論發育高度為41.50 m，而其地表裂縫發育預測高度為4.38 m，研究表明9305工作面開采后理論上不會導通地表水體。

（3）本研究通過對防水安全煤巖柱的計算與分析，水體下9305 工作面頂板基巖柱高度均大于防水安全煤巖柱高度，符合各水體采動等級要求留設的相應類型安全煤（巖）柱尺寸，在理論上分析9305 工作面安全開采具有可行性。