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趙固二礦露頭區(qū)砂礫含水層下安全煤巖柱留設研究

文檔作者：許延春，李江華，李衛(wèi)民，楊揚，羅茗文檔來源：中國礦業(yè)大學(北京)資源與安全工程學院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年10月31日
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第19卷第3期(總第118期)
2014年6月
煤礦 開 采
C0AL MINING TECHN0LOGY
Vo1．19No．3(Series No．118)
June 2014
趙固二礦露頭區(qū)砂礫含水層下安全煤巖柱留設研究
許延春，李江華，李衛(wèi)民，楊揚，羅 茗
(中國礦業(yè)大學(北京)資源與安全工程學院，北京100083)
[摘要] 趙固二礦煤層隱伏露頭區(qū)域工作面開采受到新近系下層砂礫含水層的威脅，原設計
中采用分層開采，工作面產(chǎn)量和效率難以提高，經(jīng)濟效益低。通過對現(xiàn)場實測、FLAC 數(shù)值模擬以
及對類似地質(zhì)條件礦井綜放或大采高綜采的覆巖破壞規(guī)律進行分析，選取較大的垮采比和裂采比預計
“兩帶” 高度，并與綜放開采“兩帶”高度經(jīng)驗公式預計進行對比，采用“最小安全厚度” 法選取保
護層厚度，最終合理確定了防砂和防水安全煤巖柱的高度以及開采厚度。結(jié)果表明基巖厚度較薄的區(qū)
域可只采頂分層，解放大量淺部煤炭資源，提高采出率；基巖較厚的區(qū)域變分層開采為一次采全厚大
采高開采，有利于礦井實現(xiàn)高產(chǎn)高效安全開采。
[關鍵詞] 露頭區(qū)；砂礫含水層；安全煤巖柱；綜放
[中圖分類號]TD745．21 [文獻標識碼]A [文章編號]1006—6225(2014)03-0047-04
Safety Coal and Rock Pillar Design for M ining under Gravel
Aquifer in Outcrop Area of Zhaogu 2nd M ine
xu Yan-ehun，LI Jiang—hua，LI Wei—min，YANG Yang，LU0 Ming
(Resources＆ Safety School，China University of Mining＆Technology(Bering)，Beijing 100083，China)
Abstract：The mining face in coal outcrop area，Zhaogu 2 Colliery，was threatened by gravel aquifer of Neogene System．Slice mining
was selected in former design，but output，eficiency and economic benefit would be limited．By analyzing overlying strata damage rule
with on—the—spot observation and FLAC simulation and referring to full-mechanized caving and large—height mining faces with similar
geological condition，selecting larger caving·to—mining ratio and fracturing—to—mining ratio to predict caving and fracturing height，apply·
ing minimum safe thickness method to selecting protective thickness，rational height of coal and rock pillar for preventing water and
sand，and mining height were obtained．Results showed that only mining top—slice could free large amount shallow coal resource and improve
mining ratio in thin basement area，and mining whole coal-seam with large—mining—height method in thick basement area was ben—
efit for realizing high output and high eficiency of mine．
Keywords：outcrop area；gravel aquifer；coal and rock pillar for safety；full—mechanized caving mining
趙固二礦煤層隱伏露頭區(qū)域工作面開采受新近
系砂礫含水層的威脅。原《礦井安全專篇》和
《礦井初步設計》中采用綜采分層開采，但分層開
采時回采巷道的掘進量大，并需鋪設金屬網(wǎng)假頂，
回采程序繁瑣，從而使采煤成本增大，工作面產(chǎn)量
和效率難以提高，礦井經(jīng)濟效益降低，并且在基巖
厚度較薄的區(qū)域難以滿足分層開采所需留設的安全
煤巖柱要求。大采高開采可避免以上不足，但大采
高開采覆巖破壞高度與綜放開采相似，明顯高于分
層綜采¨ J。因此，若對大采高開采覆巖破壞規(guī)律
進行研究，合理確定安全煤巖柱的留設尺寸，在煤
層隱伏露頭區(qū)域含水層下，基巖厚度較薄的區(qū)域?qū)?
現(xiàn)開采頂分層，提高開采上限，最大限度地回收煤
炭資源；基巖厚度較大區(qū)域?qū)崿F(xiàn)由分層開采變?yōu)橐?
次采全高綜采(簡稱“大采高”)，對趙固二礦實
現(xiàn)高產(chǎn)高效安全生產(chǎn)具有重要意義。
1 礦井概況
趙固二礦隸屬于焦作煤業(yè)集團公司礦井設計生
產(chǎn)能力為1．80Mt／a，全礦井設計可采儲量為
139．86Mt，礦井服務年限為55．5a。采用單水平盤
區(qū)立井開拓方式。礦井主采二 煤層，開采標高一
500—一1100m。井田總體為一走向北西，傾向南
西，傾角4～10。的單斜構造。東西長約15kin，南
北寬2～5．5km，總面積37km 。
趙固二礦井田屬第四系、第三系全覆蓋區(qū)，頂
板為中硬覆巖類型。據(jù)鉆孔揭露，東北部隱伏露頭
區(qū)煤層頂板覆巖厚度薄，松散層下部發(fā)育有礫石
[收稿日期]2013—1 1—05 [DOI]10．13532／j．cnki．cnl 1—3677／td．2014．03．013
[基金項目]國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973)項目(2013CB227903)
[作者簡介]許延春(1963-)，男，河北樂亭人，博士研究生，研究員，博導，研究方向為特殊條件下安全采煤。
[引用格式]許延春，李江華，李衛(wèi)民，等．趙固二礦露頭區(qū)砂礫含水層下安全煤巖柱留設研究[J]．煤礦開采，2014，19(3)：47—50．
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總第118期 煤礦 開 采 2014年第3期
層，富含泥質(zhì)或夾有黏土薄層，呈半固結(jié)狀態(tài)，滲
透率介于含水與弱透水之間。礦井生產(chǎn)受到新近系
下層砂礫石層孔隙水的威脅。
2 安全煤巖柱類型劃分
據(jù)鉆孔資料顯示，在井田東部露頭區(qū)松散層下
部發(fā)育有礫石層，厚度1．95～17．13m。抽水試驗
得出單位涌水量0．135L／(S·m)，屬中等富水
性，對采煤影響較大。但大部分鉆孔揭露第三系地
層底部砂礫含水層下分布著穩(wěn)定的厚層黏土層，最
大厚度達53m。工程特性實驗表明，黏土具有較好
的隔水性和差的流動性，對阻隔砂礫石含水層水涌
向工作面十分有利。僅13152鉆孔揭露該地層消
失，使得礫石層與基巖風化帶直接接觸出現(xiàn)“天
窗” 區(qū)。13152鉆孑L埋深大于600m處巖性特征見
表1
表1 13152鉆子L巖性特征表(埋深大于600m)
層厚／m 累厚／m 巖性 層厚／m 累厚／m 巖性
l0．63 587．49 砂質(zhì)黏土 2．84 722．99 中粒砂巖
76．18 663．67 黏土夾礫石 9．06 732．05 砂質(zhì)泥巖
17．13 680．80 礫石 1．76 733．81 細粒砂巖
16．65 697．45 砂質(zhì)泥巖 2．63 736．44 砂質(zhì)泥巖
3．70 701．15 細粒砂巖 0．15 736．59 煤層
2．94 704．09 中粒砂巖 0．59 737．18 炭質(zhì)泥巖
4．80 708．89 粗粒砂巖 3．23 740．41 砂質(zhì)泥巖
1．37 710．26 粉砂巖 6．05 746．46 二l煤
5．98 716．24 砂質(zhì)泥巖 7．05 753．51 砂質(zhì)泥巖
0．90 717．14 中粒砂巖 1．50 755．叭 細粒砂巖
3．01 720．15 砂質(zhì)泥巖 5．24 760．25 泥巖
通過以上分析可知，對趙固二礦煤層隱伏露頭
區(qū)域開采影響較大的為新近系底層砂礫石含水層。
在13152鉆孔位置砂礫含水層厚度較大(厚度大于
10m)且底部缺失黏土層，富水性待進一步探測。
其他為底部分布著穩(wěn)定的較大厚度黏土層或者薄砂
礫層(厚度小于10m)區(qū)域，根據(jù)《建筑物、水
體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》
(以下簡稱“三下采煤規(guī)程”)，需留設防砂安全
煤巖柱
3 大采高工作面覆巖破壞高度預計
大采高綜采相對于分層綜采的開采強度增大，
覆巖破壞高度也將增大。其中覆巖垮落帶和導水裂
縫帶(以下簡稱“兩帶”)發(fā)育高度，將直接決
定水體下采煤的安全性和可靠性，準確合理預測覆
巖破壞高度是合理留設安全煤巖柱的前提，是保證
礦井水體下安全采煤的關鍵。
3．1 “兩帶”高度的實測
趙固二礦目前未進行“兩帶”高度的實測，
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而同屬趙固礦區(qū)且與趙固二礦地質(zhì)、水文地質(zhì)和采
礦條件類似的趙固一礦以及其他礦井的“兩帶”
高度實測數(shù)據(jù)，對趙固二礦的“兩帶”發(fā)育高度
預計具有直接的借鑒意義。
3．1．1 趙固一礦“兩帶” 高度實測
根據(jù)已有資料和現(xiàn)場條件，趙固一礦在11011
工作面布置“兩帶”觀測鉆孔SD一01和SD一02。
鉆孔位置見圖1，工程量完成情況見表2。
圖1 “兩帶” 觀測鉆孔位置示意
表2 工程量完成情況
見基揭露測井終孔巖芯 ．T． 巖石
／
深
m ／m
深
度 厚度 ／m度 (。零) 率／％ 挈樣／蓋組
SD一01 519．84 516．80 3．04 一 一 76．2 5 1
SD一02 547．35 517．10 30．25 543．90 1 一 一 一
通過觀測計算得到垮落帶高度為13．1 m，按平
均采高3．40m，垮采比為3．85。預測導水裂縫帶
的高度大于29．2m，則裂采比大于8．59 E41。
3．1．2 其他礦井“兩帶” 高度實測
與趙固二礦地質(zhì)條件相似的兗州興隆莊礦、大
屯孔莊礦和姚橋礦工作面開采同樣受到松散砂礫含
水層的威脅。為防止回采期間工作面發(fā)生突水，合
理留設安全煤巖柱，對“兩帶” 覆巖破壞高度進
行了實測，其大采高開采中導水裂縫帶發(fā)育高度及
裂采比見表3。
表3 類似地質(zhì)條件礦井綜放和大采高開采裂采比
3．2 覆巖破壞高度數(shù)值模擬
基于FLAC 軟件，根據(jù)趙固二礦11020工作
面地質(zhì)條件建立數(shù)值模型，通過綜合分析相關地質(zhì)
資料，將研究區(qū)內(nèi)巖層按巖性和完整性劃分為泥
巖、砂質(zhì)泥巖、中粒砂巖、頂板黏土、二 煤和灰
巖6個地質(zhì)互組巖層，由上至下劃分為17層，巖
層及厚度見表4。趙固二礦煤層為近水平煤層，工
作面采用走向長壁布置。為了計算方便對模型進行
了簡化，用施加應力的方法來代替上覆部分巖層，
模型長600m，寬180m (工作面斜長)，高229m。
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總第118期 煤礦 開 采 2014年第3期
根據(jù)不同開采方法對覆巖破壞的不同影響，以及工
作面采煤設備的參數(shù)，選擇以下開采方案：
方案一 基巖柱厚度較大的區(qū)域，一次采全
高，工作面產(chǎn)量高，易實現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。采高為
6．77m (最大煤厚)、6．16m (平均煤厚)、5．0m
(最小采高)3種情況。
方案二基巖厚度薄的區(qū)域，限厚開采，只采
頂分層，盡可能回收煤炭資源，同時降低覆巖破壞
高度，頂分層采高3．50m。
4．2 安全煤巖柱留設
通過對比類似礦井“兩帶” 高度實測和數(shù)值
模擬結(jié)果可看出，兩者的垮采比和裂采比相接近。
采用垮采比3．85，裂采比13．5和經(jīng)驗公式預計趙
固二礦覆巖破壞垮落帶高度，并選取較大值。
由于大采高綜采一次采全厚，采出煤厚較大，
采用綜放開采條件下保護層留設和評價的“最小
安全厚度法”，保護層部分由風化帶構成巖性較
軟，取大采高開采保護層厚度為2．8A (A為采
高) j。只采頂分層時，安全起見，防砂安全煤巖
柱保護層厚度取3A，防水安全煤巖柱保護層厚度
取6A 。
最小防砂安全煤巖柱厚度為垮落帶高度與保護
層厚度之和，最小防砂安全煤巖柱厚度計算結(jié)果見
表6。
表6 最小防砂安全煤巖柱厚度
為保證開采安全，取各開采方法較大防砂安全
煤巖柱和防水安全煤巖柱厚度。由表6可看出，留
設防砂安全煤巖柱區(qū)域中，在基巖柱厚度大于54m
區(qū)域采用大采高(采高6．77m)一次采全高；在
42～54m區(qū)域采用大采高(采高5m)一次采全
高；在30～42m區(qū)域只開采頂分層(采高3．5m)；
根據(jù)礦井實際情況小于30m的區(qū)域不予開采。
●
●
●
50
·◆ IIII,● ,11,◆ ,11i,．e -fill,● ,l
如果13152鉆孔附近區(qū)域經(jīng)探測表明達到中等
富水性，則按防水安全煤巖柱留設，防水安全煤巖
柱厚度為導水裂縫帶高度與保護層厚度之和。
13 152鉆孑L的基巖柱厚度=煤層埋深一松散層厚度=
740．41—680．8=59．61(ITI) (參見表1)，取導水
裂縫帶高度為13．5A，保護層厚度取6A，則防水安
全煤巖柱厚度H h=13．5A+6A=19．5A≤59．61FI1，
計算得出安全采高為3．05m。由13152鉆孔資料可
知二 煤厚度為6．05m，則在13152鉆孔附近區(qū)域
需限厚開采，采高最大為3m。
5 結(jié)論
(1)通過對比分析類似地質(zhì)條件礦井“兩帶”
高度現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬結(jié)果，選取實測數(shù)據(jù)垮采
比3．85，裂采比13．5預計趙固二礦露頭區(qū)覆巖破
壞“兩帶”高度，并與綜放開采“兩帶”高度經(jīng)
驗公式預計進行比較，選取較大值。采用合理的方
法選取保護層的厚度，最終確定了防砂和防水安全
煤巖柱的高度。
(2)通過對安全煤巖柱的分析研究，得出基
巖較薄的區(qū)域可實現(xiàn)只采上分層，解放出大量的淺
部煤炭資源，提高采出率；基巖較厚的區(qū)域可變分
層開采為一次采全厚大采高開采，使得開采強度增
加，采煤成本降低，有利于礦井實現(xiàn)高產(chǎn)高效安全
開采。
[參考文獻]
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與壓煤開采規(guī)程[S]．北京：煤炭工業(yè)出版社，2000．
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壞高度實測分析[J]．煤炭科學技術，2010，38(7)．
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的計算公式及適用性分析[J]．煤礦開采，2011，16 (2)：
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[6]武強，趙蘇啟，董書寧，等．煤礦防治水手冊[s]．北
京：煤炭工業(yè)出版社，2013．
[7]許延春．綜放開采防水煤巖柱保護層的有效隔水厚度留設方
法[J]．煤炭學報，2005，30 (3)：305-308．
[責任編輯：張玉軍]
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