河流下断层煤柱区残采工作面安全开采分析.pdf

特殊采煤与矿区环境治理 河流下断层煤柱区残采工作面安全开采分析 张玉军 天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013 摘 要以权家河煤矿河流下断层煤柱区残采回采为例，在分析确定 5329 残采工作面覆岩类 型的基础上，预计了断层存在条件下的导水裂缝带高度，对地面河流和第四系含水层这一复合水体留 设了防水安全煤岩柱，并确定了合理开采厚度，根据河流与工作面、断层的空间关系，在回采的不同 阶段留设了不同的断层煤柱。研究结果表明针对 5329 工作面埋深浅的条件，采高控制在 2. 3m 的条 件下能满足留设防水煤柱岩柱的要求;在距切眼 120m 阶段，开采该阶段需要留设的断层煤柱尺寸不 小于 21m，120 停采线阶段，需要留设的最小断层煤柱尺寸为 72. 5m，才能保证安全回采。 关键词河流下;断层煤柱;残采工作面;安全性 中图分类号 TD823. 83 文献标识码 A 文章编号 1006- 6225 201605- 0064- 04 Safety Mining Analysis of esidual Mining Working Face in Coal Pillar Area Around Fault under iver ZHANG Yu- jun Coal Mining Designing Department，Tiandi Science Technology Co. ，Ltd. ，Beijing 100013，China AbstractIt taking residual mining of coal pillar area around fault under river of Quanjiahe coal mine，and overburden types of 5329 residual working face were determined，then water flowing fractured zone height under fault situation was predicted，water proof safety coal and rock pillar was arranged under compound water situation，which include surface river and the Quaternary aquifer，reasonable mining thickness was determined，according spacial position relation of river，working face and fault，different size fault coal pillar was arranged in different mining step The research showed that based on the shallow mining depth of 5329 working face，mining height kept as 2. 3m，then the demand that water proof coal and rock pillar could be meet，when during the step that to open- off cut a- bout 120m，fault coal pillar size during mining step not less than 21m，when the step to 120m to mining stop line，the minimal coal pillar size is 72. 5m，then mining safety could be guaranteed. Key wordsunder river;fault coal pillar;residual mining working face;safety 收稿日期 2015 11 18 DOI 10. 13532/j. cnki. cn11 3677/td. 2016. 05. 018 基金项目 中国煤炭科工集团资助项目半固结砂岩含水层下采煤突水溃砂机理及防治 2014MS004 作者简介 张玉军 1978 ，男，河北怀安人，博士，副研究员，主要从事水体下采煤及矿井水害防治技术研究。 引用格式 张玉军 . 河流下断层煤柱区残采工作面安全开采分析 J 煤矿开采，2016，21 5 64 67. 水体下采煤技术已经在我国近百个矿区得到成 功应用，涉及到的水体涵盖了地表水体、第四系松 散层水、基岩孔隙裂隙水、老空区积水及岩溶水等 多种赋存形态的水体，解放了大量水体压煤，延长 矿井服务年限，取得了巨大的经济与社会效益。但 是，随着多年来煤炭资源的不断开采，优质煤炭资 源越来越少，但已采的矿井遗留有大量煤炭资源， 进入残采区阶段 1 8 。特别是部分矿井，由于残采 工作面回采埋深浅，且回采的是部分构造安全煤 柱。为此，地面水体成为矿井残采工作面的主要安 全威胁，而且由于断层的存在，一旦采动影响波及 到水体，地表水体极有可能构成断层煤柱回采的充 水水源。 1矿井及工作面概况 权家河煤矿隶属于陕西煤业化工集团澄合矿业 有限公司，位于渭北煤田中段澄合矿区中西部。始 建于1970 年4 月，设计生产能力0. 6Mt/a ，单采5 号煤层，一、二水平大巷标高分别为 410m 和 290m，基本采用长壁采煤法。截至 2009 年全井田 已回采结束， 290m 水平以下全部封闭，目前仅 处于回收局部工作面、构造安全煤柱。5329 工作 面开采权家河断层煤柱区，位于一水平三采区，地 面标高 518 570m，工作面标高为 370 395m，煤层埋藏深度 130 200m，北为 5303 进风 巷采空区，南邻权家河正断层，东为原二水平总回 风暗斜井，西部为原小煤窑堵截巷。走向长 420 570m，倾斜长45 55m，煤层厚度2. 2 3. 2m，平 均厚度 2. 84m，煤层倾角 3 22，平均 7。 该区域主要为 k4，k 中顶板裂隙水及 k3 底板 裂隙水。5329 工作面南部主要受权家河断层影响， 46 第 21 卷 第 5 期 总第 132 期 2016 年 10 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 21No. 5 Series No. 132 October2016 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 该断层为正断层，最大落差 70m，倾角 60。县西 河流经权家河井田东部，是井田范围内唯一的河 流，最 小 0. 1m3/s，最 大 3. 24m3/s，洪 峰 流 量 4. 23m3/s。县西河历 史 最 高 洪 水 位 565 570m。目前权家河断层煤柱地表已靠近县西河， 且煤柱内部断层发育，据 29 号孔、观 2 孔资料， 此区段 5 煤埋深仅为 75 150m，县西河地表水体 可能构成断层煤柱回采的充水水源。断层与 5329 工作面、县西河相对位置如图 1 所示。 图 1 5329 工作面与河流、断层相对位置 2河流下断层煤柱区安全开采原则 根据对 5329 工作面的水文地质及采矿条件的 分析，其开采面临的主要防治水问题是如何在地表 县西河、第四系含水层和二叠系砂岩裂隙含水层多 重水体威胁下安全采煤。但是，权家河煤矿地质勘 探情况和现有的矿井涌水量数据表明，二叠系砂岩 裂隙含水层富水一般。此外，第四系含水层整体属 富水性弱 中等的含水层，但是必须考虑第四系含 水层与县西河的水力联系。因此，针对权家河这一 复合水体类型，应该采取以防为主，顶水开采的原 则。按照 建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱 留设与压煤开采规程的有关规定 2 ，不允许采 动形成的导水裂缝带波及到第四系含水层，以避免 县西河河水与第四系含水层导通区段矿井涌水量增 大，导致河水下泄形成突水事故。因此，安全开采 的首要条件是在第四系含水层底界下留设足够的防 水安全煤岩柱。 同时，由于 5329 工作面开采的是断层煤柱区， 工作面南部紧邻权家河断层，且工作面埋深浅，因 此针对断层需要在留设足够的断层防水煤柱的同 时，保证采动影响不波及到权家河断层，即使得导 水裂缝带的最高点不接触到断层。 3河流下防水煤岩柱留设确定 3. 1断层条件下导水裂缝带高度预计 由权家河煤矿 5329 工作面附近区域揭露 5 号 煤层的钻孔资料可知，5 号煤覆岩范围的基岩柱 内，泥岩类岩层厚度约占所统计的基岩柱厚度的 13. 27，砂岩类岩层厚度占 87。而砂岩单轴抗 压 强 度 介 于 20. 1 38. 4MPa 之 间， 平 均 28. 85MPa，但是从砂岩所占的比例来看，占据了 覆岩的绝大部分，有利于导水裂缝的发育，不利于 水体下安全采煤，因此研究认为 5 号煤层覆岩类型 可确定为中硬型。 5329 工作面 5 号煤层厚度介于 2. 05 3. 82m 之间，因此覆岩破坏高度可依据 规程中的中 硬类型覆岩的经验公式进行计算。 导水裂缝带高度预计选取的计算公式为 Hli 100M 1. 6M 3. 6 5. 6 1 式中，Hli为导水裂缝带最大高度，m;M 为累计 采厚，m。 但是，由于 5329 工作面南为权家河断层，所 以断层构造的存在将会增大导水裂缝带高度的发 育。根据我国实测认为，断层构造条件下覆岩破坏 高度可按增大 43 考虑。由此计算得到的各个钻 孔的导水裂缝带高度如表 1 所示。 表 15329 工作面钻孔垮落带、导水裂缝带高度计算 钻孔名称煤厚/m 导水裂缝 带高度/m 考虑断层情况下 导水裂缝带高度/m CQ52. 1636. 251. 8 292. 0535. 350. 5 302. 5438. 755. 3 CQ163. 2242. 460. 6 观 23. 82 44. 964. 2 3. 2县西河下防水安全煤岩柱确定 一般情况下，防水安全煤岩柱由导水裂缝带高 度与保护层厚度组成，但是由于 5329 工作面区域 上覆第四系为砂砾层等透水层与基岩接触，而基岩 顶面风化带为砂岩类，具有一定透水性，故防水安 全煤岩柱设计应考虑基岩风化带的厚度，在这里基 岩风化带取 20m，即 Hsh Hli Hb Hf 2 式中，Hsh为防水安全煤岩柱高度，m;Hb 为保护 层厚度，m;Hf为基岩风化带厚度，m。 规程中规定防水安全煤岩柱的保护层厚度 可根据有无松散层及其中黏性土层厚度进行选取。 县西河和第四系松散含水层水体下防水安全煤岩柱 56 张玉军等河流下断层煤柱区残采工作面安全开采分析2016 年第 5 期 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 是由石炭二叠系地层组成，主要由石盒子组地层组 成。由钻孔资料可知，第四系底部局部发育有砂砾 层，部分区域黄土直接覆盖基岩，第四系底部无黏 性土相隔，而且与砂砾岩层直接接触的基岩岩层中 均为砂岩，厚度在 8. 00 15. 84m 之间，因此，保 护层厚度选取中硬覆岩型 6 倍采高。 由此计算得到的工作面范围内各钻孔揭露煤层 厚度处需要的留设防水煤岩柱高度见表 2。将最小 防水安全煤岩柱高度与主采煤层顶板基岩厚度做差 值计算，若基岩厚度大于最小安全煤岩柱厚度 两者差值为正则表示基岩岩柱能满足要求，反 之，则不能满足要求。从表 2 可知，由于基岩厚度 薄，均不能满足防水安全煤岩柱最小高度要求。因 此，5329 工作面开采需要采取限高开采措施才能 满足留设防水煤岩柱的要求。 表 2防水安全煤岩柱最小高度与 5 煤顶板基岩厚度对比 钻孔 名称 煤厚/ m Hli/ m Hb/ m Hf/ m Hsh/ m 柱 厚 比 5 煤顶板 基岩厚 度/m 基岩岩 柱是否 满足 要求 CQ52. 1651. 812. 962084. 7639. 28. 00 不满足 292. 0550. 512. 302082. 8040. 3 38. 32不满足 302. 5455. 315. 242090. 5435. 6 78. 99不满足 CQ163. 2260. 619. 322099. 9031. 0 70. 01 不满足 观 23. 82 64. 222. 9220 107. 1228. 0 93. 83不满足 3. 3合理采高确定 合理采高厚度可由基岩厚度除以防水安全煤岩 柱厚度与采高比值得出。由表 2 可知，设计的防水 煤岩柱高度和采高比值介于 28. 0 40. 3 之间，且 随着煤层厚度的增加，柱厚比呈现减小趋势，在这 里取柱厚比 35 作为计算合理采高的依据。5329 工 作面区域基岩厚度在 80 90m 之间，且由东 开 切眼至西逐渐减小，由此可以反算得到 5329 工 作面的合理开采厚度介于 2. 28 2. 57m 之间，如 图 2 所示。但是，由于 5329 工作面范围内钻孔少， 对基岩及煤层厚度存在较大的误差，因此确定 5329 工作面的合理开采厚度为 2. 3m。 4权家河断层防水煤柱确定 由 5329 工作面与河流的相对位置关系可知， 在距切眼 120m 阶段，河流不在工作面上方，同时 距离断层也较远，因此根据 煤矿防治水规定 ， 含水或导水断层的煤层顺层防隔水煤 岩柱的 留设可参照下列经验公式计算9 L 0. 5KM 3p K 槡 p 20m 3 式中， L 为煤柱留设的宽度，m; K 为安全系数，一 图 2 5329 工作面合理采高等值线 般取 2 5;M 为煤层厚度或采高，m;p 为水头压 力，MPa;Kp为煤的抗拉强度，MPa。 根据权家河煤矿具体地质条件，各参数取值分 别为安全系数 K 取3. 0，煤层采高 M 取确定的合 理采高 2. 3m，水头压力为 1. 0MPa，5 煤的抗拉强 度资料中未给出，参照相关文献取 0. 08MPa，由此 可计算得出该阶段开采顺层煤柱宽度 L 不得小于 21m。 但是，为了保证采动影响不波及到权家河断 层，需要在留设足够的断层防水煤柱的同时，必须 使得导水裂缝带的最高点不接触到断层。图 3 是沿 5329 工作面河流距离断层最近处做的剖面。由图 3 可知，在目前留设的断层煤柱条件下，采动形成的 导水裂缝带顶点已经进入到断层，要使采动形成的 导水裂缝带顶点不接触到权家河断层，由此计算得 到需要留设的最小煤柱尺寸为 34. 37m 在这里取 35m 。 图3 沿 5329 工作面河流距离断层最近处做的剖面 根据 煤矿防治水规定 ，当煤层与导水断层 接触并局部被覆盖时，如图 4 所示。当含水层顶面 高于最高导水裂缝带上显示，防隔水煤岩柱计算公 66 总第 132 期煤矿开采2016 年第 5 期 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 式为 L L1 L2 L3 Hacsc HLcot HLcot 4 式中， L 为煤柱留设的宽度，m;Ha为断层安全防 隔水煤岩柱的宽度，m;HL为最大导水裂缝带高 度，根据权家河煤矿具体地质条件，采厚为 2. 3m 时，预计导水裂缝带最大高度为 53. 2m; 为断层 倾角， ，依据断层产状资料，取 70; 为岩层 塌陷角， ，依据 规程中相关实测数据，为 安全起见，取极限值 65。 图 4断层煤柱留设 断层安全防隔水煤岩柱的宽度 Ha应根据矿井 实际观测资料来确定，即通过总结本矿区在断层附 近开采时发生突水和安全开采的地质、水文地质资 料，计算突水系数的安全临界线 4 。H a值也可以 按下列公式计算 Ha p/Ts 10 5 式中， p 为防隔水煤岩柱所承受的静水压力，MPa; Ts为临界突水系数，MPa/m;保护层厚度为 10m。 因矿井无突水系数相关资料，依类似矿区经验 值取临界突水系数 Ts为 0. 06，求算得 Ha p/Ts 10 1/0. 06 10 26. 7 m L L1 L2 L3 26. 7 1. 06 53. 2 0. 36 53. 2 0. 47 72. 5 m 经计算，需针对断层留设的煤柱为 72. 5m。 因此，综合上述计算结果，断层隔水煤柱留设 的最小宽度为 72. 5m。 综合以上分析可知，在距切眼 120m 阶段，河 流不在工作面上方，同时距离断层也较远，因此在 经过探查证实断层不导水的情况下，开采该阶段需 要留设的断层煤柱尺寸不小于 21m。120 停采线 阶段，需要留设的最小断层煤柱尺寸为 72. 5m，如 图 5 所示。 5安全性分析 实现县西河和松散含水层复合水体下顶水安全 开采的基本原则，就是在第四系含水层底界下留设 足够的防水安全煤岩柱，使采动形成的导水裂缝带 不波及到第四系含水层。针对 5329 工作面埋深浅 图 5不同阶段断层煤柱留设 的条件，通过计算合理采高控制在 2. 3m 的条件 下，能满足留设防水煤柱岩柱的要求。而且按照采 高 2. 3m 计算，采深采厚比为 47. 8，根据河流下安 全开采案例可知，当采用全部垮落方法开采时，河 下安全开采的深厚比最小为 30 40，因此从采深 采厚比来看，也能实现县西河下的安全开采。但 是，在这里需要引起注意的是 5329 工作面回采的 是断层煤柱区，由于断层的存在，县西河地表水体 也可能构成断层煤柱回采的充水水源，因此按照上 述确定的安全开采厚度的条件下，针对权家河断层 在不同回采阶段留设足够的断层煤柱，才能确保 5329 工作面的最终安全开采。 参考文献 1 张玉军，李英辉，殷志刚，等 . 梅河矿区砂砾含水层下残采 综放工作面防溃泥突水技术及实践 J煤矿开采，2013， 18 5 76 79. 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 M 北京煤炭工业出版社，2000. 3 煤炭科学研究总院北京开采研究所 . 煤矿地表移动与覆岩破 坏规律及应用 M . 北京煤炭工业出版社，1983. 4 张玉军，胡炳南，侯善军，等 . 袁店二井 82 采区 F 高长营断 层防水煤柱留设与评价 A 全国 “三下”采煤学术会议论 文集 C 北京中国煤炭学会，2012. 5 贾立明，张玉军 . 采空区积水下急倾斜厚煤层水平分层综放 开采安全性分析 J 金属矿山，2015 4 97 101. 6 樊秀志，李鹏，刘正和 . 旧采残煤区长壁综采支承压力分 布研究 J 矿业研究与开发，2013 3 7 10. 7 李晓宇 . 塑性煤柱区巷道掘进数值模拟研究 J 煤炭技术， 2015，34 9 101 103. 8 许孟和 . 旧采残煤长壁综采围岩控制及安全保障技术研究 D 太原太原理工大学，2012. 9 国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局 . 煤矿防 治水规定 M 北京煤炭工业出版社，2009. 责任编辑李 青 76 张玉军等河流下断层煤柱区残采工作面安全开采分析2016 年第 5 期 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et