水体下综放开采的安全煤岩柱留设方法研究.pdf

第3 9 卷第 l l 期 2 0 1 1 年 1 1月 煤 炭 科 学 技 术 Co a l S c i e n c e a n d Te c hn o l o g y Vo l _ 39 NO V． No ．1 1 2 011 网络 出版时间与地址 2 0 1 1 - 1 l l 5 l 5 0 2 ；W W W ． c n k i． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 1 1 ． 2 4 0 2 ． T D ． 2 0 1 1 1 1 1 5 ． 1 5 0 2 ． 0 0 7 ． h t ml [ 编者按] 水 灾是煤矿主要 灾害之一 ，据调查，我 国受采 空积水区、底板承压含水层、顶板松散层 含水层等各类水体威胁的煤矿占一半以上，矿井防治水工作形势严峻。2 0 1 0年发生重特大突水事故 7 起， 死亡多人。因此做好煤矿防治水工作对矿井的安全生产和资源利用具有重要作用。基于此，本期特 开辟矿井 防治水专题 ，报道 了有关防治水工作 中取得的先进科技成果和研 究中提 出的新见解，供 同仁界探 讨，以推进 我 国煤矿防治水科技进步。 水体下综放开采的安全煤岩柱留设方法研究 许延春，刘世奇 中国矿业 大学 北京 资源 与安全工程学 院，北京1 0 0 0 8 3 摘要为了合理留设水体下特厚煤层综放开采的安全煤岩柱，根据实测资料回归得出了适用于综 放开采工作面中硬、软弱覆岩条件下的 “ 两带”高度的计算公式，提出了水体下综放开采安全煤 岩柱保护层的 “ 有效隔水厚度法”和 “ 最小安全厚度法” 的留设方法，分别提出防砂安全煤岩柱 、 中等 富水性水体和强富水性水体 防水安全煤岩柱保护层 的留设值。在此基础上 ，完成 了水体下综放 开采条件下中硬 、软弱覆岩的安全煤岩柱 的留设方法。 关键词 综放开采 ；安全煤岩柱 ；留设方法；富水性 中图分类号T D 8 2 3 ． 8 3 文献标志码 A 文章编号0 2 5 3 2 3 3 6 2 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 4 S t u d y o n M e t h o d t o S e t S a f e t y Co a l a n d Ro c k P i l l a r f o r F u l l y M e c h a n i z e d To p Co a l Ca v i ng M i ni n g Un de r W a t e r Bo d y XU Ya n c h u n，LI U S h i q i S c h o o l o fR e s o u r c e s a n d S a f e t y E n g i n e e r i n g，C h i n a U n i v e r s i t y o fMi n i n g a n d T e c h n o l o g y B e ifi n g ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o r a t i o n a l l y l e a v e t h e s a f e t y c o a l a n d r o c k p i l l a r s u n d e r t h e w a t e r b o d y f o r t h e f u l l y me c h a n i z e d t o p c o a l c a v i n g mi n i n g i n t h e u l t r a t h i c k s e a m ， b a s e d o n t h e c a l c u l a t i o n f o r mu l a o f t h e” t wo z o n e ” h e i g h t s s u i t a b l e for t h e f u l l y me c h a n i z e d t o p c o a l c a v i n g mi n i n g f a c e u n d e r t h e mi d d l e h a r d a n d s o ft we a k o v e r b u r d e n s t r a t a r e g r e s s i v e l y o b t a i n e d wi t h t h e s i t e me a s u r e i n f o r ma t i o n，t h e l e ft me t h o d o f t h e ” e f f e c t i v e wa t e r i n s u l a t e d t h i c k n e s s me t h o d ” a n d t h e” mi n s a f e t y t h i c k n e s s me t h o d ” w e r e p r o v i d e d t o t h e s a f e t y c o a l a n d r o c k p i l l ar p r o t e c t i v e l a y e r for t h e f u l l y me c h a n i z e d t o p c o a l c a v i n g mi n i n g u n d e r w a t e r b o d y ．T h e l e ft v a l u e o f t h e s a n d p r e v e n t i o n s a f e t y c o a l a n d r o c k p i l l a r a n d w a t e r p r e v e n t i o n s a f e t y c o a l a n d r o c k p i l l ar p r o t e c t i v e l a y e r u n d e r t h e mi d d l e w a t e r y w a t e r b o d y a n d r i c h w a t e ry wa t e r b o d y w a s i n d i v i d u a l l y p r o v i d e d ．B a s e d o n t h e b a s i s ，t h e l e ft me t h o d o f t h e c o a l a n d r o c k p i l l a r s u n d e r t h e mi d d l e h a r d a n d s o ft w e a k o v e r b u r d e n s t r a t a w a t e r b o d y wa s c o mp l e t e d for t h e f u l l y me c h a n i z e d t o p c o al c a v i n g mi n i n g ． Ke y wo r d s f u l l y me c h a n i z e d t o p c o a l c a v i n g mi n i n g ；s a f e t y c o a l a n d r o c k p i l l a r ；s e t t i n g me t h o d； w a t e r y 煤矿防治水规定第一百零二条规定在 河流、湖泊、水库和海域等地面水体下采煤，应当 留足防隔水煤 岩柱 。在松散含水层 下开采时 ， 应当按照水体采动等级留设不同类型的防隔水煤 岩柱 防水、防砂或者防塌煤岩柱 。 建筑 物 、水体 、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规 程 以下简称 三下采煤规程 中明确给出了 适用于水体下普采 、综采以及特厚煤层分层开采的 收稿 日期 2 0 1 1 0 7 0 5 ；责任编辑曾康生 基金项 目国家重点基础研究发展计划 9 7 3计划 资助项 日 2 0 0 7 C B 2 0 9 4 0 2 ；2 0 1 0年 国家安监 总局关键安全科技项 目 1 0 - 0 1 9 作者简介许延春 1 9 6 3 一 ，男，河北乐亭人，研究员，博士生导师，博士，从事特殊采煤 包括近水体采煤，建筑物下采煤，煤矿井筒破 裂防治领域的研究和教学工作。T e l 0 1 0 6 2 3 3 9 0 7 1 ，E m a i l y a n e h u n - x u 1 6 3 ． c o m 1 2 0 1 1 年第1 1 期 煤 炭 科 学 技 术 第3 9 卷 安全煤岩柱尺寸 的留设方 法 J ，但没有 给出适 用 于水体下综放开采 的安全煤岩柱尺寸 的留设方法 。 目前兖州、淮南和潞安等矿区总结了适用于自身矿 区的经验公式 ，但 尚未形成全国的综放开采水体安 全煤 岩柱 的 留设 方 法。根据 课 题 实测 和 收集 的 “ 两带”实测资料，数理统计 回归得 出了适用于综 放开采J 二 作面中硬、软弱覆岩条件下 的垮落带和导 水裂 缝 带 简称“ 两 带 ” 高 度 计 算 的经 验 公 式_ 3 J ，提出了综放开采保护层厚度 “ 最小安全厚度 法”和 “ 有效 隔水厚度法” 的确定方法。在此基 础上 ，完成了综放开采条件下 中硬 、软弱覆岩的水 体安全煤岩柱的留设方法，可适用我国大多数矿 区。此方法对我国综放开采水体安全煤岩柱的合理 留设具有指导意义和实用价值。 1 综放开采防隔水煤 岩 柱留设方法 三下采煤规程附录六中给出了水体下采 煤 的安全煤岩柱的留设方法。 1 采煤防水安全煤岩柱。留设 防水安全煤岩 柱的原则是保证开采产生的导水裂缝带不波及到水 体。因此，安全煤岩柱垂高 Ⅳ 应大于或等于导水 裂缝带的最大高度 i 加上保护层厚度巩 ，即 ≥ i b。 2 防砂安全煤岩柱 。留设 防砂安全煤岩柱的 目的是允许导水裂缝带波及松散弱含水层或已疏降 的松散强含水层，但不允许垮落带接近松散层底 部。因此 ，防砂安全煤岩柱垂 高 日 应大 于或等 于 垮落带的最大高度 H 加上保护层厚度 Hh ，即 H ≥ Hm Hb o 3 防塌煤 岩 柱。留设防塌安全煤岩柱的 目的是不仅允许导水裂缝带波及原黏性土隔水层或 已疏干的松散含水层 ，同时允许垮落带接近松散层 底部 。因此 ，防塌安全煤岩柱垂高 应等于或接 近于垮落带的最大高度 ，即 日 一日 。 2 综放开采 “ 两带”高度计算公式 由前面可见水体下采煤安全煤岩柱的留设主要 取决于 “ 两带” 导水裂缝带、垮落带高度和保 护层 厚 度。对 于 特 厚煤 层 分层 开 采 工作 面 覆 岩 “ 两带” 高度计算公式 已经 回归总结 ，并将经验公 式写进了 三下采煤规程 。而综放开采工作面 “ 两带”高度计算公式还没有代表性的经验公式， 实测和理论分析结果均表明，由于采高的增大 ，综 放开采或一次采全 高工作 面的 “ 两带 ”高度都 比 分层开采的明显增大。 通过结合科研课题实测成果和文献资料，收集 了国内3 0 余个综放开采工作面覆岩 “ 两带”高度 实测值 表 1 和表 2 。 表 1 综放开采中硬覆岩顶板 “ 两带”高度统计数据 矿名 观测工作面 采高／ m 倾角／ 。 采深／ m H li ／ m H ／ m 数据来源文献 下沟矿 下 沟矿 孔庄矿 南 屯矿 南 屯矿 下石节煤矿 张集煤矿 张集煤 矿 谢桥煤矿 鲍店煤矿 济宁三号煤矿 济宁三号煤矿 济宁三号煤矿 济宁三号煤矿 兴隆庄煤矿 兴隆庄煤矿 兴隆庄煤矿 某 矿 3号煤层 杨村煤矿 朱仙庄 矿 9 ． 9 0 9 ． 9 0 5 ． 2 9 5 ． 7 7 5 ． 6 5 l 6 ． 0 0 3 ． 9 0 4 ． 5 0 5 ． O O 8 ． 7 0 6 ． 3 O 6 ． 3 0 6 ． 3 0 6 ． 6 7 8 ． O O 7 ． 1 O 6 ． 3 6 6 ． 5 0 6 ． 4 0 1 3 ． 4 3 2 髓 ⋯ ⋯ ㈨ ㈩ 测 0 O 3 0 0 岫一 二 二二二 二 2 3 5 ∞ 加 ∞ 勰 ∞ ∞ 如 舳 ∞ ∞ ∞ ∞ 一 一 弧 一 一 昭 一 ～ 一 一 一 一 一 一 一 ～ 一 ～ ～ 嘲 ～ 伽 ～ 一 一 ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ 一 跏 一 m叭 ． 殂 ∞叭叭叭 加∞叭 一 儿 一 Z Z 6 9 l 4 许延春等水体下综放开采的安全煤岩柱留设方法研究 2 0 1 1 年第 1 1 期 采用数理统计 回归分析的方法 ，得 出了适用于 综放开采工作面 中硬 、软弱覆岩条件下的 “ 两带 ” 高度计算 的经验公式 表 3 ，并且进行 了适用性 分析 。由于坚硬覆岩类型 的实测资料较少 ，不 符合数理回归分析的样本要求，未获得公式，考虑 到我国华北和东北型煤 田绝大数值为中硬和软弱覆 岩 ，因此计算公式仍然有较好的代表性和实用性 。 表3 “ 两带”高度的经验公式 注 M 为采高 ；适用于综放开采 ，采放高度小于 1 2 m。 对以上公式的适用性分析表明经验公式计算 结果与实测值接近，一般大于实测值 ，出现正误差 大是 由于个别实测值偏小 ；有出现负误差情况，但 误差量不大 ，考虑需 留设 倍采高 的保护层厚度 ， 计算结果 的适用性 、安全性较好 。 3综放开采保护层厚度留设方法 目 前水体下综放开采的安全煤岩柱中保护层厚 度的留设方法在 矿井 防治水规定 和 三下采 煤规程中尚无规定。如果参照 三下采煤规程 中适用于普 采 、分层综采 的保 护层厚度 的留设方 法 ，当煤层厚 度为 1 0 m 时，保 护层厚 度取 H b 4 M，则综放开采 ，H 4 0 I i l ，如果分 4个分层开 采 ，则 H 1 0 m。这对 于缓倾斜特厚煤层水体下 压滞煤量的影响巨大。 保护层 的功 能主要有 2方 面一是 当预测 的 “ 两带”高度偏小 时，通过保护层厚 度进行补偿 ， 以确保 “ 两带”不波及到水体；二是保护层要有 良好的隔水性，以确保将水体与采煤工作面隔开， 防止水灾事故的发生。鉴于以上问题 ，有必要提出 适用于综放开采的保护层厚度 留设方法。 3 ． 1 最小安全厚度法 文中表 3归纳出 的中硬 、软弱覆岩综放开采 “ 两带” 高度计算公式 ，在适用性分析 中，有负误 差的情况 ，即 “ 两带”高度的计算值小于实测值 ， 为确保 “ 两带” 不波及水体 ，按 最大负误差 的折 算采高 安全增量。其 中安全增量对弱和 中等富水 性含水层取 2倍采高，对强富水性含水层取 3倍采 高。公 式为 H M ，其 中 为折算采高 ； 为安全增量 。 计算结果见表4 。由表4可见，防砂安全煤岩 柱的保护层厚度为 2 ． 1 M～ 2 ． 8 M；中等富水性水体 的防水煤岩柱的保护层厚度为 2 ． 7 M～3 ． 0 M；强富 水性水体的防水煤岩柱的保护层厚度为3 ． 7 M～ 2 0 1 1 年第1 1 期 煤 炭 科 学 技 术 第3 9 卷 4． O 表4 最小安全厚度法计算保护层厚度 3 ． 2 “ ‘ 有效隔水厚度” 法 j 煤层覆岩中不同岩层的隔水性是有差异的，一 般认为黏土特别是液性指数小于 0 ． 2 5的硬塑坚硬 状态黏土 ，隔水性好和流动性差 。其他岩层 ，例如 泥岩 、页岩 、砂 质泥岩 、泥质砂岩 和粉砂岩 部 分 的隔水性较黏土有不 同程度 的减弱 ；而粉砂 岩 部分 、细 、中、粗砂岩、砾岩和石灰岩等为 含水层或导水层 。将隔水能力最强的黏土层作为典 型的标准隔水层 ，可取隔水性评价系数 足为 1 ，对 于泥岩等其他隔水层则可按等价隔水能力向标准隔 水层进行折算 ，求 出各岩层的有效 隔水厚度 M ，其 中M 为第 i 层隔水层总厚度 ，m。 基于岩体强度参数指标 ，并根据对岩性隔水性 的经验认识 ，建议各类岩石的隔水性评价 系数 ， 见表 5 。 表 5 各类岩石的隔水性评价系数 岩 性 星 岩 石 水体下采煤的经验和室内试验表明，液性指数 小于0 ． 2 5的黏土层厚 3 ． 0 m，隔水性好。因此采 用 “ 有效隔水厚度法”留设保护层厚度时，可根 据水体情况建议保护层最小有效隔水厚度为3 m的 倍数， 即M 3 B ∑M 其中 M 为 保护 层内 4 有效隔水总厚度 ，m；B为安全系数。B的选取方 法对于采矿、地质较好，允许含水体可能向工作 面小型充水 涌水量小于 6 0 m ／ h ，可考虑 B1 ； 一 般情 况下 ，建议 取 B2 ；对于 含水层水 头高 、 富水性强 、地质构造复杂等不利条件 ，则可取 B 3或 4 4 结 论 在根据 实测资料 回归获得综 放开采 “ 两带 ” 高度计算公式的基础性 ，依据保护层的功能和计算 公式的负误差 ，提 出了保护层 的 “ 最小安全厚 度 法”留设方法 ，结合前期 提出 的 “ 有效 隔水厚度 法” ，形成 了综放 开采 条件下保护层的 留设方法 ， 进而 计算 出防砂 安 全煤 岩柱 的保 护层 厚 度 为 2 ． 1 M～ 2 ． 8 M；中等富水性水体的防水煤岩柱的保 护层厚度为 2 ． 7 M ～ 3 M；强富水性水体 的防水煤 岩柱的保护层厚度为3 ． 7 M～4 。根据 三下采 煤规程中水体安全煤岩柱留设方法，形成了适 用于水体下综放开采的安全煤岩柱 留设方法 。 参考文献 [ 1 ] 国家安全生产监督管理总局 ． 煤矿防治水规定 [ s ] ．北京 煤炭工业出版社 ，2 0 0 9 ． [ 2 ] 国家煤炭工业局 ．建筑物 、水体 、铁路 及主 要井巷 煤柱 留 设与压煤开采规程 [ s ] ．北京 煤炭工业出版社 ，2 0 0 0 ． [ 3 ] 陈佩佩 ，刘鸿泉 ，张 刚艳 ．海 下综放 开采 防水安全 煤柱厚 度 的确定 [ J ] ．煤炭学报 ，2 0 0 9，3 4 7 8 7 5 8 8 0 ． [ 4 ] 张文泉 ，刘伟韬 ，岛延法 ，等 ．南屯矿 6 3 1 0面综 采放顶 煤 开采覆岩移动变形破 坏特征研 究 [ J ] ． 山东矿业 学院学 报 ，1 9 9 6，4 1 2 2 4 2 8 ． [ 5 ] 狄利娟，张国信，谢业良，等 ．南屯煤矿九采区覆岩采动 破坏特征 E H 4探测研 究 [ J ] ．山东煤炭 科技 ，2 0 0 5 1 4 4-4 5 ． [ 6] 王兆 丰，李青 松 ，杨利平 ，等 ．下石 节矿综 放_ [ 作 面上 覆 岩层位移 冒落带高度确定的研究 [ J ] ．煤 ，2 0 0 7，1 5 1 1 3． [ 7 ] 胡戈，李文平，程伟，等 ． 淮南煤田综放开采导水裂 隙带发 育规律研究 [ J ] ．煤炭工程 ，2 0 0 8 5 7 4 7 6 ． [ 8 ] 尹增 德，李伟 ，王宗胜 ．兖州矿 区放顶 煤开采 覆岩破 坏 规律探测研究 【 J ] ．焦作工学院学报 ，1 9 9 9，1 8 7 2 3 5 - 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