逐阶段安全提高巨厚松散含水层下煤层开采上限研究_王虎.pdf

第41卷第6期 2013年12月 文章编号1001-1986201306-0061-03 煤田地质与勘探 COAL GEOLOGY 2.新光集团淮北刘东煤矿，安徽淮北235099 摘要为最大限度回收煤炭资源，安全缩小防水煤柱，针对淮北矿区煤层普遍上覆巨厚第四系松 散含水层，煤层顶板不稳定情况，淮北刘东煤矿把提高开来上限工作分为防水、防砂两个阶段推 进．首先通过研究分析西三采区第四系底部含水层和和土隔水层等水文地质资料，确定西31000 工作面第四系底部含水层为弱富水性，水体采动等级为H级；然后通过数值模拟、物理模拟和对 比分析等方法研究开采后的覆岩破坏高度，并与井下实际观测值进行对比，确定西31000工作面 采后导水裂缝带的发育高度为41.3m；据此提出了安全、合理的防水开采上限高度。安全回采后， 成功解放呆滞储量22万t，为下一步进行防砂安全开采打下了良好的基础． 关键词开采上限；防水煤柱；导水裂缝带；巨犀松散层 中图分类号TD741文献标识码ADOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2013.06.015 Safely improving by stage the upper limit of mining under extremely thick loose aquifer WANG Hu1, YUE Jianhua1，且ANGZhihai 1, SUN Hongwei2 1. School of Resources and Earth Science, China Universi纱ofMining 2. Huaibei Liudong Coal Mine of Xinguang Group, Huaibei 235099, China Abstract For maximum recovery of coal and safely reducing waterproof coal pillar in Huaibei Liudong coal mine, the upper limit of mining was improved by two steps water-proof and sand control. In west No.3 mining district, firstly through research and analysis of the hydrogeological data of the aquifer and water-resisting clay layer at the bottom of the Quaternary system, the bottom aquifer of the Quaternary system in the western 31000 coalface was determined as weak watery, and the mining disturbance of water body was of level II. Then through numerical simulation, physical simulation comp缸isonand analysis, the damage height of overlying rock after mining was studied and compared with the mine actual observation value, the development height of the water conducting fractured zone was confirmed as 41.3 meters; The paper put forward the safe and reasonable waterproof upper limit of mining, and 0.221 million tons of dull reserves were liberated. A good foundation has been set for further safe mining through sand control. Key words upper limit of mining; waterproof coal pill缸；waterconducting zone; extremely也ickloose aquifer 淮北矿区煤层普遍上覆巨厚第四系松散含水层， 煤层顶板不稳定，面临严重的突水涌砂等地质灾害的 威胁，需保留防水煤柱，压煤量巨大。为充分利用现 有井工设施回收宝贵的煤炭资源，淮北刘东煤矿拟提 高10煤西三采区开采上限。但刘东煤矿尚无提高开采 上限的工作经验，为安全起见，把提高开采上限的工 作分两步推进，西31000工作面作为试采工作面，先 收稿日期2012-12-25 按防水进行论证和设计，待试采成功后，再按防砂设 计进一步提高开采上限。 依据煤矿防治水规定［l］、建筑物、水体、 铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程［2］以及 安徽省煤矿含水层下开采若干规定，要确定西 31000工作面的防水安全开采上限，关键工作有两 点确定西31000工作面的水体采动等级；确定工作 基金项目中央高校基本科研业务费专项资金支持项目（2011QNB16）；“十二五”国家科技支撑计划课题（2013BAK。但01 作者简介王虎（1977一），男，江苏徐州人，博士研究生，副教授，从事煤矿防治水研究． ChaoXing 62 煤田地质与勘探第41卷 面导水裂缝带发育高度。 1 工作面地质及水文地质情况 1.1 工作面概况 刘东矿10煤西31000工作面设计走向长600m, 倾斜宽95m，平均倾角驴，为二叠系山西组煤层， 煤厚2.8-3.4m，平均3.0m煤层赋存条件中等，属 稳定煤层，煤层结构简单，目前开采上限为一145m。 10煤顶板多为粉砂岩，其上为老顶砂岩，底板 为粉砂岩或泥岩。钻探和井巷揭露资料表明，西 31000工作面上覆第四系底界为极软弱粘土层，基 岩顶面以下为风化基岩（软弱岩层），一般为20m左 右，由于受风化作用，泥岩和砂岩风化严重，岩石 强度有较大幅度的降低，整体岩体强度呈现中硬一 软弱结构类型，有利于抑制导水裂缝带的发育［3-6）。 1.2 西31000工作面第四系水文地质条件 影响浅部煤层安全开采的主要地质因素是第四系 下组含水层［7-8），为正确评价其含水性强弱及开采后对 矿井的影响情况，按照08”1 、08-2号钻孔抽水实验资 料，计算得西31000工作面开采时，“底含”通过导水裂 缝带进入矿井的涌水量为54旷/h。 据钻孔资料，西31000工作面上覆松散层厚度为 101.35-109.38 m，基岩面标高为－77.68←69.75m，底 部粘土隔水层分布不均，局部缺失，存在“开天窗” 现象，“底含”含水层厚度h为2.73～16.55m，“底含” 充填物为细砂、砾石、粘土、粘土质砂，粒级主要为 0.0750.005 mm，属细颗粒，各种粒级的沉积相互掺 杂，分选性差，压密度高，孔隙小，释水能力弱，渗 透性差，判定“底含”属弱含水层。 1.3 西31000工作面第四系底部含水层类型分析 由表1可知单位涌水量q为0.0415-0.069 9 L/s时，渗透系数0.29070.370 5 mid。对照煤矿 防治水规定含水层富水性等级标准[I］，西31000工 作面第四系“底含”含水层为弱富水性。 表1钻孔抽水试验成果表 Table 1 Pumping test results of boreholes 抽水抽水层厚单位涌水量渗透系数 孔号岩性 顺序层位Im /Lsmt1 /md-1 16.55 0.069 9 0.370 5 08-1 2 第四系 底含 细砂16.55 0.062 5 0.365 5 3 16.55 0.056 3 0.345 9 14.75 0.059 7 0.362 6 08-2 2 第四系 底含 粘土 质砂 14.75 0.048 0 0.320 2 3 14.75 0.041 5 0.290 7 1.4 西31000工作面基岩分布情况 据钻探资料对工作面上部第四系底界面、基岩 厚度等进行统计分析表明，10煤基岩面最浅标高为 一69.75m，最大为一77.68m，平均一75.08m，基岩厚 度最小为46.06m，最大为54.15m。经三维地震勘探 资料精细解释未发现西31000工作面基岩面存在冲 沟等低洼区，整体较为平缓，相对高差不超过10m。 1.5 水体采动等级分析 西31000工作面第四系底部含水层为弱含水层， 对照建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压 煤开采规程第50条之规定，其水体采动等级应划定 为II级，允许导水裂缝带波及松散孔隙弱含水层水 体，但不允许垮落带波及该水体，要求留设顶板防砂 安全煤岩柱［2］。 为安全起见，西31000工作面先按防水设计进行 提高开采上限工作，待试采成功后，再按防砂设计进 行开采。 2 导水裂缝带发育高度研究 2.1 按规程计算导水裂缝带发育高度 据“三下”采煤规程［2］，按中硬岩层计算导水裂缝 带高度 lOOM Hi “- 5.6 “l.6M3.6 100 x3 _ ____ -- .OjU.141.jfil l.6x3.03.6 式中Hii为裂缝带高度，mIM为累计采高，本文 按3m计算。 2.2 导水裂缝带发育高度比拟分析 刘东煤矿与刘桥第一煤矿在地层沉积环境、岩层 组合及采矿等方面具有一定的相似性，故根据刘桥第 一煤矿实测数据推导出的在中硬岩石条件下的经验 公式，对刘东煤矿西部10煤层导水裂缝带高度进行 预计如下（采厚3m H li 17.42.J,;; 2.58 17.42 x .J3 2.58 27.60132.75 m 2.3 导水裂缝带发育高度数值模拟 数值模拟计算采用ADINA程序提供的Drucker Prager-Cap弹塑性材料‘模式，即带“帽”的Drucker Prager屈服准则。这样更能‘反映岩土塑性体应变和剪 胀性，符合计算区岩石轴向抗压试验的应力－应变曲 线特点，井能反映拉断特点［9-10）。 通过数值模拟分析，西三采区31000工作面10 煤采厚、导水裂缝带高度及裂采比见表2。 ChaoXing 第6期王虎等逐阶段安全提高巨厚松散含水层下煤层开采上限研究 63 表210媒导水裂缝带高度与采厚关系数值模拟结果 Table 2 Numerical simulation results of the relationship between the height of water conducting fractured zone and mining thickness ofseam 10 采厚Im 3.0 2.5 2.2 m 一 ’’’- 度一 高一 忡宵－AUg 58 ι』－ay句’εJ MH禽－－3句3句3 裂一 ν冉一 - A’ - 导一 裂采比 13 15 16.27 2.4 导水裂缝带发育高度物理模型实验 地质原型依据刘东煤矿08-1和08-2钻孔柱状图， 结合有关覆岩工程地质岩组的划分，采用的地质原型为 走向长500m，煤层上覆岩（土）层高度为157m，其中 煤层底板岩层10m、煤层3.0m、顶板岩层54m、第 四系土层103m。相似材料模型实验结果表明，西三采 区31000工作面10煤层采厚3m时导水裂缝带高度为 38m，裂采比为12.67，如图1所示。 图l模型铺设及开切眼 Fig. l Model layout and opening holes 2.5 导水裂缝带发育高度实际观测 刘东煤矿西31001工作面已开采完毕，且紧邻西 31000工作面，因而西31001工作面的导水裂隙带发 育高度与西31000工作面具有很高的可比性。本次研 究采用井下仰孔分段双端多回路注水观测方法，在 31001工作面运输巷内布置3个观测孔，一个采前孔， 两个采后孔，如图2所示。采后钻孔观测到的最大裂 隙发育高度情况如表3。 l占去钻孔． 图2井下仰孔注水观测三带成果图 Fig. 2 Results of water injection observation in three zones through underground upward holes 表331001工作面最大裂隙发育高度 Table 3 The maximum development height of fractures at working face 31001 孔号倾角／俨）最大裂隙发育高度Im 11 一合 ；一综 58 50 43.4 41.7 43.4 实测结果表明，31001工作面采后覆岩裂缝带呈现 整体连续性特征，顶界高度为43.4m，按照开采厚度 3.5 m计算，裂采比12.4。 3 导水裂缝带发育高度综合分析 对比“三下”采煤规程计算、刘桥矿比拟分析、 数值模拟、物理模拟以及西31001工作面导水裂缝 带发育高度实际观测数据，可看出在采厚3m情况 下，数值模拟39m的导高、物理模拟38m导高接 近按“三下”采煤规程公式计算的导水裂缝带最大高 度41.3m，而刘桥一矿的比拟分析的结果偏低。利 用双端多回路注（放）水系统，对西31001工作面顶板 覆岩导水裂缝带高度的实际观测资料表明xtJ东矿西 31001工作面导水裂缝带发育高度为43.4m（平均煤 厚3.5时，裂采比为12.4。 刘西井田虽然在第四系底界面下发育有约20m的 风氧化带，但对其岩性、力学强度、粘土含量等研究 不够，特别是对风氧化带抑制导水裂缝带高度的程度 认识不够［3-6］。 因此，综合“三下”采煤规程计算结果、邻近矿经 验公式预计、数值模拟与物理模拟结果、本矿实测资 料，最终确定西31000工作面采厚3m时最大导水裂 缝带高度为41.3m。 4 刘东煤矿10煤西31000工作面开采上限确定 安全防水煤岩柱厚度一般为H二h;;,H1；＋儿，根 据综合分析，西31000工作面10煤采厚3.0m时导 水裂缝带最大高度Hi；为41.3m；根据刘西井田的水 文地质特征，保护层厚度Hb取3倍采高，则10煤需 留设9m的保护层。 按“三下”采煤规程，采厚3m时安全防水煤岩柱 高度为Hsh 41.3 9.0 50.3 m。 安全开采上限为从第四系底界面再加上防水煤 岩柱高度处的标高，从前面分析可以看出，西31000 工作面煤层浅部第四系底界面的平均标高为一75.08m, 采厚3m时加上防水安全煤岩柱50.3m，则开采上限 平均值应为－125.38m。 综上分析，按西31000工作面所控制的最深基岩 面高度，按防水设计，采厚3m时，西31000工作面 （下转第67页） ChaoXing 第6期郑万波等地震勘探中多炮远程控制系统设计 67 瓦斯传感器A放置在掌子面附近，瓦斯传感器B 放置在钢管附近，信号转换器A、放炮控制器和防 爆地质探测仪放置在检测传感器附近，本安计算 机、信号转换器B和起爆器放置在洞口。采用4 芯通信线，信号转换器和起爆器控制各用2芯。现 场设置第10炮保持低阻状态（盲炮），补炮操作前接 上雷管。 经过测试，系统能够按照放炮流程执行第1- 24炮，检测出第10炮为盲炮，并进行补炮处理。 该系统避免了放炮员和瓦斯检查员每放一炮就得在 炮点和安全区域走动，减少了放炮引发的瓦斯突出、 水害、飞石、有毒有害气体等危害可能对施工人员 造成的次生灾害。系统铺设时间大约等于人工操作 完成一次采集的时间，提高了工作效率。 6结论 a.依据矿山安全规程、地质勘探安全规 程和爆破安全规程中的相关规定，为解决地质 勘探中的人工放炮作业存在的问题，提出了一种基于 双绞线的多炮远程集中控制系统关键技术设计。 b.该系统除具有一般放炮系统的集中放炮控 制功能外，还根据矿井作业的实际需求，增加了环 境检测和盲炮集中处理功能。 （上接第63页｝ 可将开采上限提至－130m，此时实际最小煤岩柱52m, 大于规程要求的50.3m防水煤岩柱厚度，符合“三下” 开采规程规定，开采是安全可行的。 5结论 a.通过研究西三采区水文地质资料，确定西 31000工作面第四系底部含水层为弱富水性，水体采 动等级为E级。按“三下”采煤规程，可按防砂留设安 全煤岩柱，但为安全起见，西31000工作面先按防水 设计，待成功试采后，再按防砂进一步缩小安全煤岩 柱。 b.确定西31000工作面采厚3m时最大导水裂 缝带高度为41.3m，按防水设计，可将开采上限提至 -130 m。 c.在缺乏提高开采上限经验并且对风氧带抑制 导水裂缝带高度的程度认识不够情况下，分阶段提高 巨厚松散含水层下煤层开采上限是安全、合理的。 西31000工作面已成功采出原煤22.1万t，取得 了巨大的经济效益，获得了巨厚松散含水层下提高煤 层开采上限的宝贵经验，同时也为进一步提高开采上 限打下了良好的基础。 c.采用机器控制代替人工操作，保障了作业人 员安全，简化了操作流程，节约了作业时间。 d.系统即铺即用，工作稳定，值得在煤矿，非 煤矿山、高瓦斯隧道的地震波探测过程中推广应用。 参考文献 [I］郑万波，吴燕清基于EDSL的防爆地质超前探测远程控制装 置设计及应用［月．煤田地质与勘探，2011,395 66--68. 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