综放开采防水煤岩柱保护层的“有效隔水厚度”留设方法.pdf

第30卷第3期煤 炭 学 报Vol . 30 No. 3 2005年6月JOURNAL OF CH I NA COAL SOCIETYJune 2005 文章编号 0253 - 9993 2005 03 - 0305 - 04 综放开采防水煤岩柱保护层的 “ 有效隔水厚度 ”留设方法 许 延 春 天地科技股份有限公司 开采所事业部,北京 100013 摘 要提出了 “ 有效隔水厚度 ”的概念和保护层内隔水岩层折算有效隔水厚度的方法,建议 了水体下综放开采时保护层的 “ 有效隔水厚度 ”留设标准和评价方法. 关键词综放开采;防水煤柱;保护层;有效隔水厚度 中图分类号TD823149 文献标识码 A 收稿日期 2004-06-07 基金项目国家自然科学基金资助项目50274042 作者简介许延春1964 - ,男,河北乐亭人,博士,研究员.Tel 010 - 84263139.E - mailyanchun_xutom1com Design s of the effective water2resisting thickness for the protective seam of the water barrier in fully2caving mechan ized coalm in ing XU Yan2chun CoalM ining Department, Tiandi Science water barrier; protective seam; effective water2resisting thick2 ness 到目前为止,对于水体下综放开采防水安全煤岩柱的保护层厚度的留设尚没有明确的规定.如果参照 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 ”关于普采或 综采分层开采条件下的规定进行留设与评价有时不尽合理.为此,本文提出了 “ 有效隔水厚度 ”的概念 以及保护层的 “ 有效隔水厚度 ”留设、评价方法. 1 防水安全煤柱保护层的留设方法 111 防水安全煤岩柱的设计与留设 [1 ] “ 三下采煤规程 ”留设防水安全煤岩柱的目的是不允许导水断裂带波及水体图1 ,即Hsh≥Hli Hb,其中Hsh为防水煤柱垂高, m;Hli为导水断裂带高度, m;Hb为保护层厚度, m. 112 普采与分层综采保护层厚度的选取 对于缓倾斜和中倾斜煤层,“ 三下采煤规程 ”规定,防水安全煤岩柱的保护层厚度可根据有无松散层 以及底部黏性土层厚度等情况按表1中的数值选取.例如,兖州某工作面为中硬覆岩类型,煤层平均厚度 煤 炭 学 报 2005年第30卷 图1 防水安全煤柱设计 Fig11 Design ofwater barrier a缓倾斜煤层;b急倾斜煤层 为910 m,分4个分层开采,每分层采高A2125 m,则在松散层底 部黏性土层厚度小于累计采厚的情况下,保护层厚度Hb4A9 m. 113 综放开采确定保护层厚度存在的问题 目前水体下采煤时采用综放开采垮落法管理顶板时,防水安全煤 岩柱中保护层厚度的留设尚没有规定.如果参照表1的留设方法和前 例的基本条件,当煤层厚度为910 m,采用综放开采取采出率为 85 ,则采高A7165 m,保护层厚度取Hb 4A 3016 m,则前后 相差2116 m,这对于缓倾斜厚煤层水体下压滞煤量的影响差异巨大. 如果保护层内均为隔水性良好的泥岩,则理论研究和实践均表明保护 层的选取厚度明显偏大,可造成大量煤炭资源损失.反之,如果保护层内多为导水或含水的砂岩,则保护 层难以起到应有的保护作用. 表1 防水安全煤岩柱保护层厚度不适用于综放开采 Table 1 Thickness of protective seam of the water barrier no fitting fully2caving mechan ized coalm in ing 覆岩岩性 松散层底部黏性土层 厚度大于累计采厚 松散层底部黏性土层 厚度小于累计采厚 松散层全厚 大于累计采厚 松散层全厚 小于累计采厚 坚硬4A35A6A7A 中硬3A4A5A6A 软弱2A3A4A5A 极软弱2A2A3A4A 注A 1 n ∑M;∑M为累计采厚; n为分层层数. 综放开采具有高产高效的优点,近年在我国迅速得到普及.在进行水体下采煤时,防水安全煤柱的合 理设计与留设,特别是保护层厚度的合理选取,是一个涉及矿井安全回采及资源合理利用的关键问题. 2 有效隔水厚度的概念与计算 211 有效隔水厚度的概念 煤层是在沉积岩内生成的,在基岩上方多有新生界松散层覆盖.在煤层的上覆岩层中,采矿界普遍公 认黏土具有良好的隔水性,特别是液性指数小于0175达到可塑状态的黏土,其隔水性是非常好的.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; 反之,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. 鉴于覆岩中隔水性的差异,将隔水能力最强的黏土层作为典型的标准隔水层,可取厚度评价值为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,求出岩层的有效隔水厚度. 212 有效隔水厚度的计算方法 岩层的隔水性受多种因素的影响,例如岩性、岩层厚度、岩体强度、地应力场、矿物成分、结构和弱 面等,将泥岩等一定厚度的隔水层精确折算或理论计算到标准隔水厚度是不可能的.为了在实际工程中获 得应用,必须进行适当简化,选择代表性的参数.通过研究,选择岩体强度作为反映基岩隔水性的差异, 因为通常强度高的岩体内部原生裂隙较发育,连通性较好,并且受采动影响破坏后裂缝的宽度较大,导水 性较好,因此多为导水或含水岩体.为表示其隔水性参照覆岩综合评价系数,并根据对岩性隔水性的认识 进行修正获得隔水性评价系数R,见表2.由表2可见,岩性越硬则分层岩性评价系数R越小,同时,大 多数情况下,R越大,则对应岩层的隔水层越好;当RR≥013 016 R≥014 018 R≥016 110 R≥018 软弱≤10黏土110 3 水体下综放开采保护层的留设方法 311 保护层厚度的留设方法 水体下采煤时,保护层直接位于导水断 裂带的上方是为了阻隔上覆含水层体通 过导水断裂带向工作面充水,保护层不仅要 具有一定的厚度,更重要的是要达到一定的 阻隔水能力.理论和实践均表明,在地质、 采矿条件有利的情况下,如果导水断裂带与 含水层之间具有最小厚度3 m以上的黏土层, 则可以有效阻隔上覆含水层体的水下 泄,见表3.以枣庄新安煤层3103 1工作面为例,通过渗流有限元模拟分析 [2 ] ,得出保护层黏土厚 度、性质与工作面涌水量的关系表4.由表4可见,当保护层有3 m黏土隔水层时,工作面无涌水. 表3 具有底部黏土的水体下采煤实例 Table 3 Cases of coalm in ing under water bodies with bottom clay layersm 矿名及工作面编号底部黏土厚度最小基岩厚度采高预计裂高预计垮高涌水情况 新安煤矿3103 1312018170214311951114无松散层充水 杨村煤矿260831001014211221160414无松散层充水 许厂煤矿13042112～3312740100610441402910无松散层充水 许厂煤矿1321817040100610441402910无松散层充水 表4 渗流量计算结果 Table 4 Calculation results of the seeping discharge of m in ing facesm3/d 松散层底部 岩性结构 渗透系 数组合 水头80 m 剖面渗透流量走向长100 m工作面涌水量 水头160 m 剖面渗透流量走向长100 m工作面涌水量 全部为中、粗砂岩30 - 40 - 5011920192103184038410 底部1 m砂质黏土31 - 40 - 50014824812019649614 底部2 m砂质黏土31 - 41 - 50011981918013963916 底部3 m砂质黏土31 - 41 - 51011221212012442414 底部2 m黏土32 - 42 - 50214510 - 4 214510 - 2 419010 - 4 419010 - 2 底部3 m黏土33 - 43 - 53219310 - 6 219310 - 4 518610 - 6 518610 - 4 采用 “ 有效隔水厚度法 ”留设保护带厚度时,一般情况考虑折算、取值等不确定因素,为安全起见, 建议取保护层最小有效隔水厚度为3 m的倍数,即My3B,其中B为安全系数.B的取法①一般情况 下,取B2;②对于含水层水头很高、地质构造复杂等十分不利的地质、采矿条件,并且不允许含水体 可能向工作面充水,则可考虑取B3或4;③对于采矿、地质条件较好,允许含水体可能向工作面小型 充水涌水量小于50 m 3 /h ,可考虑B1. 当具体保护带留设时,其步骤如下①确定保护层的最小有效隔水层厚度,一般取6 m;②预计导 水断裂带高度;③然后根据工作面内或附近的多个钻孔,由下向上逐层计算有效隔水层厚度;④标出当 达到或超过最小隔水层厚度的岩柱厚度;⑤根据工作面最易出水的位置,以最接近钻孔的参数为主,同 时参考其它钻孔的参数,确定保护层的厚度;⑥如果是地表水,还应考虑开采造成地面裂缝的深度;⑦ 按防水安全煤岩柱的留设方法,确定最小防水安全煤柱的厚度. 703 煤 炭 学 报 2005年第30卷 312 保护层隔水性的评价方法 对于已知某工作面的地质、采矿条件,评价防水煤岩柱保护层厚度是否有效,则可以在预计导水断裂 带高度和地面裂缝深度的基础上,对导水断裂带与地面断裂深度之间岩体的有效隔水厚度进行计算,正常 情况下如果保护层有效隔水厚度大于6 m,则认为保护层有效. 4 留设实例 兖州某矿采用综放开采工作面采放高度为7147 m,属中等偏硬的覆岩条件.中等富水性的松散含水 砂层直接覆盖在煤系地层上面.预计导水断裂带高度为75 m,工作面最小煤岩柱厚度约103 m.按 “ 三下 采煤规程 ”规定应留设防水类型安全煤岩柱.如果参照分层综采的方法,则取5A37147 m,最小煤岩柱 厚度为112135 m,大于工作面实际煤岩柱厚度.采用本方法,对保护层其隔水性进行评价,初步确定标 准如下 0≤My310 m,隔水性低; 310 m≤My610 m,有隔水性; 610 m≤My,隔水性好. 根据工作面附近的钻孔 D40 、北风井、水1和 D28 柱状图,分别计算各钻孔的导水断裂带以上至 最小基岩高度之间的有效隔水厚度.参照表2,取泥岩的R016,砂质泥岩的R 014,风化泥岩的R 018,风化砂质泥岩的R016,风化带厚度取10 m,计算结果见表5. 表5 工作面附近地层的有效隔水厚度 Table 5 The E W T thickness of the strata near the coalm i n ing face 项 目D40北风井水1D28 评价岩柱高度/m75～10575～10575～10375～105 有效隔水厚度/m71763147913516136 保护层隔水性好较低好好 由表5可见①4个钻孔的保护层均有一定厚 度的泥类岩,均有一定的隔水性.其中D28和D40 和水1钻孔的保护层隔水性好,工作面涌水的可能 性低.②北风井柱状的保护层隔水性较低,但该 钻孔处于工作面的深部,工作面覆岩厚度大,工作 面在区段出现涌水量的可能性低.③工作面浅部 的水1孔,保护层有良好的隔水层,因此松散层底 含向工作面充水的可能性低.如果按最小有效隔水 厚度610 m留设保护带,则要低于现有的保护带厚度.目前该工作面已经开采完毕,工作面没有出现涌水 现象. 5 结 论 目前尚无适用于水体下综放开采保护层厚度的留设方法,如果按普采或分层综采的规定进行留设不尽 合理.将覆岩中的隔水岩层折算为以黏土为典型标准隔水层的隔水厚度.提出保护层不仅需要有一定的厚 度,还应具备 “ 有效隔水厚度 ”.建议综放开采时取保护层最小有效隔水厚度为6 m.实例表明,采用 “ 有效隔水厚度 ”方法评价水体下综放开采保护层的隔水性是可行的.同时作者认为 “ 有效隔水厚度 ”方 法对于留设与评价水体下普采和分层综采时的保护层也是适用的,其留设原理较以往更合理.利用本方法 首先从评价保护层的隔水性入手,通过积累成功经验,最终确定适合本矿区条件的保护层最小有效隔水厚 度. 参考文献 [1] 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[M ].北京煤炭工业出版社, 2000. 225～230. [2] 枣庄矿业集团公司滕北五号井,天地科技股份有限公司开采所事业部.滕北五号井复合水体下浅部工作面开采 的研究与实践总结报告[R ].2002. 803