含水层下矸石充填开采可行性论证及1011工作面充填开采试采方案.doc

皖北煤电集团公司五沟煤矿 含水层下矸石充填开采可行性论证 及1011工作面充填开采试采方案 皖北煤电集团公司 五 沟 煤 矿 中 国 矿 业 大 学 2009年7月 1 项目负责人 吴玉华 皖北煤电集团公司总工程师，教授级高工 缪协兴 中国矿业大学副校长，教授、博士生导师 项目研究人员 皖北煤电集团公司 刘汉喜 贝庆丰 章元 赵开全 段中稳 陈玉平 张家兵 杨振复 金桃 张万里 五沟煤矿 孔一凡 焦殿志 周增强 徐冰寒 周先胜 王浩 中国矿业大学 郭广礼 查剑锋 房磊 张吉雄 刘元旭 王磊 王强 目 录 一、五沟煤矿含水层下矸石充填开采可行性论证1 1 五沟煤矿实施矸石充填开采的意义1 2 国内外矸石充填开采研究历史和现状3 3 矿井概况6 3.1 位置、范围与交通6 3.2自然地理和区域经济状况6 3.3 煤炭资源和煤层赋存条件概况6 3.4 生产建设情况7 3.5 矿井地质和水文地质条件概况7 3.5.1 矿井地层7 3.5.2 矿井构造特征7 3.5.3 矿井煤层7 3.5.4 矿井水文地质条件概况8 3.5.5 矿井水文地质类型11 4 矸石充填综采提高开采上限的技术可行性分析12 4.1 矸石充填综采工艺原理简述12 4.2 矸石充填效果分析和矸石充填体有效厚度估算14 4.2.1 工作面矸石充填效果分析14 4.2.2 矸石充填体的有效厚度和等价采厚16 4.3 等价采厚预测覆岩破坏高度和地表沉陷的可靠性分析16 4.4 矸石充填开采覆岩破坏和岩层移动规律的相似材料模拟研究18 4.4.1 相似材料模型的建立18 4.4.2 矸石充填相似材料模拟岩层移动分析19 4.5 矸石充填开采覆岩破坏高度预测21 4.5.1 矸石充填开采垮落带高度计算21 4.5.2 矸石充填开采导水裂缝带高度计算22 4.6 应用综采矸石充填技术进一步提高开采上限可行性分析23 4.6.1 综采矸石充填控制覆岩破坏高度的技术可行性23 4.6.2 四含为弱富水区域留设防砂煤岩柱保护层厚度和煤岩柱高度计算23 4.6.3 四含富水中等区域留设防水煤岩柱保护层厚度和煤岩柱高度计算24 4.7应用综采矸石充填技术提高开采上限的安全可靠性评价25 4.7.1 综采矸石充填技术先进、工艺成熟，能有效降低覆岩破坏高度25 4.7.2 基岩风化带隔水性能好25 4.7.3 防水（砂）煤岩柱岩性组合及力学强度25 4.7.4 矸石充填工作面上下顺槽处的矸石充填质量的控制25 4.8 综采矸石充填提高开采上限的经济效益分析26 二、含水层下1011工作面充填开采可行性方案设计27 1 含水层下开采现状及存在问题27 1.1 五沟煤矿已开采的含水层下工作面情况27 1.2 周边矿井缩小防水煤柱开采的成功实践27 2 1011工作面含水层下矸石充填开采的技术可行性分析29 2.1 开采范围及资源煤量29 2.2 地质及采矿地质条件29 2.2.1 煤层情况29 2.2.2 煤层顶底板29 2.2.3 构造情况30 2.3 水文地质条件31 2.3.1 新生界松散层含隔水性特征31 2.3.2 顶板砂岩裂隙含水层33 2.3.3 断层的富水性特征33 2.4 矿井水文地质类型及水体采动等级33 2.5 工程地质特征33 2.6 基岩面控制程度34 2.6.1地面物探34 2.6.2 地面钻探34 2.7 1101工作面充填开采试采方案简介35 2.7.1 1011工作面充填开采初步设计方案35 2.7.2 工作面总体配套方案35 2.7.3 工作面支护及充填开采的工艺流程35 2.7.4 矸石运输及充填系统初步设计41 2.8 垮落带预计及防砂安全煤岩柱高度42 2.8.1 按“三下”采煤规程留设42 2.8.2 按矿井实测成果留设43 2.8.3 防砂煤岩柱留设43 2.9 可行性分析43 3 1011工作面开采安全可靠性评价44 3.1 有利条件分析44 3.1.1 综采矸石充填技术先进、工艺成熟，能有效降低覆岩破坏高度44 3.1.2 周边童亭矿32采区提高开采上限的成功实践44 3.1.3 松散层的结构、沉积特征有利于浅部煤层的安全开采44 3.1.4 古地形特征及基岩风化带隔水性能好44 3.1.5 防砂煤岩柱岩性及力学强度45 3.2 不利条件及可能出现的问题45 3.2.1断层的影响45 3.2.2 煤层倾角的影响46 3.2.3 缺乏应用综采矸石充填技术进行水体下采煤的案例和实践经验46 3.3 1011工作面涌水量预计46 3.4 安全技术措施47 3.5 可靠性评价48 4 1011工作面矸石充填开采经济评价48 结 论49 主要附件50 54 一、五沟煤矿含水层下矸石充填开采可行性论证 1 五沟煤矿实施矸石充填开采的意义 皖北煤电集团五沟矿于2008年5月试生产，设计生产能力60万t/a。为了适应经济高速发展对煤炭的大量需求，2008年实际产量为80万吨。矿井目前主采煤层10煤，平均倾角8，为优质焦煤，由于该煤层上方覆盖272.9m左右的厚松散含水层，特别是其底部平均厚20.7m的第四含水层，直接覆盖在开采煤系露头之上，对煤系地层直接进行渗透补给，给浅部煤层的安全开采构成了明显地威胁。矿井初步设计留设了60～91m的防水煤岩柱，压煤3664.4万t，资源损失严重。如何在保证安全的基础上使煤炭资源开采量最大化，对于实现五沟煤矿经济高效可持续发展具有重要意义。为此，公司及矿领导适时提出并与有关科研院所合作，开展了对10煤提高开采上限的研究。 矿方先后于2005年8月和2008年7月与有关科研单位合作对五沟煤矿厚松散含水层下煤岩柱合理留设技术进行了研究，并提出了五沟煤矿1016、1017工作面含水层下开采可行性方案设计，将1016、1017工作面设计开采上限由原设计的-340m分别提高为-315m和-300m，经安徽省经济信息委员会（皖经煤炭函【2008】677号文件）批准后，于当年进行工业生产，取得成功。 为进一步开采第四含水砂层下的10煤资源，提高呆滞资源采出率，五沟煤矿决定和中国矿业大学合作攻关，开展五沟煤矿含水层下矸石充填开采的研究和试验工作，以期最大限度地安全采出防水煤岩柱所压覆的煤炭资源。 经调研和协商，矿方选定1011工作面作为开展含水层下矸石充填开采的试验研究区域。课题组成员多次深入现场，进行广泛调研，收集了本矿及相邻矿井的大量有关资料，以五沟煤矿已有实测资料及10煤已采数个工作面的成功经验为主要依据，结合矸石充填开采覆岩破坏规律研究成果，以1011工作面试验工作面为例，分析提出了含水层下矸石充填开采可行性论证及1011工作面充填开采试采方案的报告。 新型的机械化矸石充填开采技术是近几年发展起来的采矿岩层运动控制技术，在我国新汶、邢台、兖州等矿区都获得了成功应用。利用该方法解决五沟煤矿水体下安全采煤问题，不仅具有重大经济效益，还具有重要的科学意义和工程意义。主要表现在以下几个方面 （1）解放了大量的含水层下呆滞煤炭资源。五沟煤矿的含水层下压煤问题十分严重，压煤量约为矿井工业储量的29.1；矸石充填开采解决了采煤工作面的采空区充填问题，能有效缓解开采活动对岩层的破坏程度，可置换出水体下压占的呆滞煤炭资源。据初步估算，采用矸石充填开采水体下压煤，可将开采上限提高至基岩强风化带底界，可使五沟煤矿能多采出煤炭3155万t，可延长矿井服务年限40年。 （2）获得矸石充填开采覆岩破坏规律等大量的实测资料，为科学总结和推广应用水体下矸石充填采煤技术提供设计依据和技术实践经验。虽然矸石充填在我国已经获得成功应用，但类似五沟煤矿这种含水层下长壁矸石充填开采技术实践仍属首次。本项目的实施为解决这一科学问题奠定了技术和实践基础，具有重要的科学意义。 （3）避免了矸石对地表生态环境的破坏。实施矸石充填可减少矸石地面排放和堆积对耕地的侵占，消除矸石自燃对环境的污染和破坏；同时矸石充填能够大幅度减轻地表塌陷，保护地面建筑物和农田，实现矿区资源开采和生态环境的和谐发展。 （4）缓解矿井辅助运输紧张问题。随着国民经济发展对煤炭需求的持续上升，矿井产量也不断提高，导致矿井开拓工程量大、产矸多，辅助运输出现一定程度的紧张，给矿井高效开采带来了一定的隐患。本项目实施成功后，可进一步解决五沟煤矿井下生产矸石的井下直接处理问题，可避免井下矸石地面排放造成的辅助运输紧张问题。 2 国内外矸石充填开采研究历史和现状 矿山充填技术已有数百年的历史。早期的充填是从矿山排弃地下废料开始的；最早有计划地进行矿山充填是1915年澳大利亚的塔斯马尼亚芒特莱尔和北莱尔矿应用废石充填。近60年以来，在国内外在矿山充填开采方面取得了较大的进展。进入20世纪40～50年代，澳大利亚、加拿大等国的一些矿山开发并开始应用水砂充填技术，主要是将尾矿借助水力充入井下采空区；波兰、德国等欧州采煤国家开始利用水砂充填可以有效控制地面沉降的特点进行了建筑物下采煤的试验和推广应用，波兰还采用密实水砂充填技术成功地开采了城市下的压煤。 国内煤矿从60年代开始采用水砂充填工艺进行建筑物下采煤。在我国的抚顺、新汶等煤矿区曾进行了水砂充填控制地面沉降开采建筑物下压煤试验研究工作。实测资料表明，质量最好的密实水砂充填（砂的含泥率低于10～20，压缩率为5～6），地表下沉系数仅为0.06；一般的水砂充填开采时的地表下沉系数为0.1～0.15；从工程实践数据可以看出，水砂充填对地表沉陷具有较好的控制效果，但由于其对于煤炭开采来说成本过高而始终没有得到推广应用。 1960～1970年代开始，国内外在有色和黑色金属矿山开始研究和应用具有固结支撑能力的尾矿胶结充填技术。随着胶结充填技术的发展，在这一阶段已开始深入研究充填料的特性、充填料与围岩的相互作用、充填体的稳定性和充填胶凝材料。国内初期的胶结充填均为传统的混凝土充填。在70年代至80年代，充填材料几乎被细砂胶结充填完全取代，胶结剂主要为水泥；1980年后得到了广泛推广应用。随着采矿工业的发展，近十多年来发展了高浓度充填技术、膏体充填、块石砂浆胶结充填和全尾矿胶结充填等新技术。但由于充填成本高、煤炭价格低等因素，这些充填开采技术大多没有在煤矿得到推广应用。 中国矿业大学、中南大学在似膏体材料研制及充填开采工艺方面开展了大量的研究工作，并在部分煤矿进行了工业性试验，但成本高、效率低的问题仍然是限制其在煤矿大规模推广应用所必须面对的困境。 煤矿矸石充填是利用煤矿生产的固体废弃物充填采空区的一种充填开采方法。矸石充填开采无论是从减小覆岩破坏高度和地表移动变形方面、还是从减少固体废物排放和煤炭资源浪费方面来考虑都是比较好的一种“三下”采煤方法。矸石充填方法主要可分为四种方式，即矸石自溜充填、矸石机械充填、矸石风力充填和矸石似膏体管道自流充填。 实测资料表明，破碎矸石风力充填和简易机械充填的下沉系数为0.40～0.60，破碎矸石自溜充填下沉系数为0.25～0.45，一般矸石自溜充填下沉系数约为0.35～0.50；从工程实践数据可以看出，矸石充填对地表沉陷有一定的控制作用，但效果不佳，主要原因在于早期的矸石充填方式使用的设备简单，对充填材料要求不严格，充填质量差、充实率较低；然而矸石充填具有综合效益好、材料来源丰富、适用性广等优点，这也是矸石充填在我国获得继续发展的主要原因。 覆岩内部离层注浆控制地表沉陷技术是近年来提出的一种新的岩层控制技术，采用地面钻孔将煤矸石、粉煤灰浆液注入覆岩离层带控制地面沉陷；在兖州矿区东滩煤矿、济二煤矿和大屯、唐山等矿区曾进行过试验，初步的实验研究表明，覆岩离层注浆减沉率约为30～50；其大面积应用的地表沉陷控制效果还待于进一步验证。 近年来，随着各大矿区三下压煤问题的日益严重和社会经济的发展，对煤炭资源开发和矿区社会环境建设可持续发展提出了更高的要求。相继开发成功了一系列矸石充填采煤的新技术和新装备，使得通过矸石机械化充填开采控制岩层移动和地表沉陷解决三下安全采煤问题成为可能。 在国内，金牛集团邢东煤矿与中国矿业大学合作，应用研制的矸石充填机通过巷采矸石充填置换开采技术，实现了全部生产矸石的井下充填处理，并大大减轻了地表沉陷灾害。但由于目前其充填开采面积较小，对地面建筑物变形控制的实际效果尚无法做出全面、科学的评价。 淄博矿业集团公司许厂煤矿自2002年以来，在其130采区采用了条带开采沉陷控制技术实践，设计采宽为38～50m，留煤柱宽为46～58m，采出率在45左右，造成了大量煤炭资源损失。为减少煤炭资源损失，许厂煤矿实施了在条采基础上用矸石充填部分置换留设煤柱的开采技术措施。 2005年2007年，新汶矿业集团公司和中国矿业大学等单位合作，进行了矸石置换煤技术的理论研究、设备开发和工业性试验，成功实施了综采工作面矸石充填开采、普采工作面矸石充填开采和普采工作面矸石胶结充填开采试验，其覆岩破坏程度轻微，工作面来压不明显，地面没有观测到明显的沉陷。近年来，新汶矿业集团公司在已有成功经验的基础上，在全集团13个煤矿上开展了大规模的矸石充填开采技术推广应用，基本解决了各矿的生产矸石全部井下处理，实现了井下矸石不上井的目标。该项成果获得了2007年中国煤炭工业科技进步一等奖和2008年国家科技进步二等奖。 2008年至2009年，冀中能源集团邢台煤矿与中国矿业大学合作，进行了矸石和粉煤灰混合充填置换煤技术的理论研究、设备开发和工业性试验，成功实施了邢台煤矿工业广场下7606工作面的矸石和粉煤灰混合长壁机械化综采，目前整个矸石充填工作面已开采充填完毕，通过工作面正上方38米的-210大巷内监测点、工作面地表监测站及房屋变形监测点的监测数据显示，工作面充填开采对-210大巷影响微弱，未对其正常运输造成影响，地表最大下沉仅为50mm，地面房屋未因地下开采造成明显损害，邢台煤矿综采矸石与粉煤灰混合充填技术工业性试验取得了成功。 近年来，中国矿业大学在与新汶、邢台、兖州、霍州等矿区开展矸石充填采煤试验研究的同时，还开展了矸石充填体级配理论、矸石充填压密变形特征、矸石充填采煤岩层运动和地表移动规律的理论研究，提出了矸石充填采煤岩层和地表移动预计的等价采厚理论，这些成果为推动矸石充填采煤的应用奠定了理论基础。 目前，矸石固体废弃物的井下处理和“三下”压煤的合理回收问题已成为国内外煤矿可持续发展的一个主要技术途径，矸石充填采煤技术是解决煤矿开采环境问题的理想途径之一，且已经取得了一些有益的研究结果和部分实践经验，初步解决了目前充填采矿的成本（由于煤炭价值相对于其它化石能源较低，充填成本是制约煤矿实施充填开采的主要原因之一）和高效机械化开采配套设备的研制问题，这为本课题的研究奠定了良好的基础。 综上所述，充填开采可以减轻采场覆岩的破坏程度和破坏高度，但是采用充填开采后覆岩破坏产生的垮落带、裂缝带高度及其分布规律如何已有的覆岩破坏规律均为长壁垮落法开采条件下取得的；而对于充填开采后的覆岩破坏规律方面研究不够充分。因此，本项目针对五沟煤矿近松散层的具体地质采矿条件，研究采用矸石充填技术控制覆岩破坏高度进行含水层下采煤试验仍然是一个新课题。 3 矿井概况 3.1 位置、范围与交通 五沟煤矿位于安徽省濉溪县境内，其中心距宿州市35km，距淮北市约50km，西接淮北矿业集团临焕矿区，面积21.74Km2，地理座标为东经11636′07″至11639′58″，北纬3330′05″至3333′36″。 矿区内有五沟镇至宿州市、淮北市、蒙城县的公路干线和四通八达的支线与临涣、童亭、任楼、许疃、孙疃等新建矿井相连，青（疃）芦（岭）铁路支线在东北缘通过，西连京九铁路，东接京沪铁路，交通十分便利。 3.2自然地理和区域经济状况 该区位于淮北平原中部，区内地势平坦，地面标高26.37～27.67m之间，一般27m左右。矿区内人工沟渠交错纵横，浍河流经矿井北部，属淮河水系，为中型季节性河流。 该区气候属季风暖湿带半湿润气候，春秋温和，雨量少。夏季炎热多雨，冬季寒冷多风。年平均降水量为834mm , 雨量多集中在七、八月，全年蒸发量1400mm，全年无霜期208-220天，冰冻期一般在12月上旬至次年2月中旬。 五沟煤矿是临涣矿区的一部分。临涣矿区有生产矿井5对，在建矿井2对。本区的经济以矿业和农业为主。随着近几年能源需求量的骤增，矿业开发建设及所在地的城镇建设得到迅速发展。 3.3 煤炭资源和煤层赋存条件概况 五沟煤矿含煤地层为石炭～二叠系。主要可采煤层4层（72、81、82、10煤层，平均厚度分别为1.80m、2.50m、2.53m、3.86m），平均可采总厚为10.69m，由于煤层受断层切割破坏较严重，埋藏较浅的区域相当部分处于风氧化带或防水煤柱中，造成煤层的可采面积减少。全井田共有资源/储量为13730.46万t，查明的资源/储量为12591.0万t，全矿井共获得可采储量4033.95万t，其中10煤层可采储量2595.62万t，占64.3％。 本井田为一向斜构造，最大埋藏深度至-680m。地层走向近南北，在井田南翼向斜轴发生扭转。向斜轴的东翼宽缓，西翼较陡，地层倾角一般在10～20。但由于受构造的影响，各采区走向或倾向长度较小，工作面产量将受到一定制约。 本矿井属高瓦斯矿井，但前期开采的10煤层瓦斯含量低；且井田煤层埋藏浅，地压、地温不高，有利于提高工作面单产。 3.4 生产建设情况 五沟煤矿2005年6月开始筹建，同年8月正式破土动工。设计矿井生产能力为60万t/年（主要生产环节按90万吨/年能力设计），服务年限为52.0年。矿井于2008年11月投产。 矿井采用竖井中央石门集中运输大巷两翼盘区开拓方式，第一水平标高-440m，目前矿井主要开采山西组10煤（均厚3.9m）。生产采区为南一采区，准备采区为南二及西翼采区。 3.5 矿井地质和水文地质条件概况 3.5.1 矿井地层 五沟煤矿揭露的地层由老到新有奥陶系中下统老虎山组～马家沟组、石炭系中统本溪组、石炭系上统太原组、二叠系下统山西组、二叠系下石盒子组、二叠系上石盒子组、上第三系和第四系。 其中上第三系平均厚度199.20m，与下伏二叠系地层呈角度不整合接触；第四系假整合于下伏第三系地层之上，平均厚74.20m。 3.5.2 矿井构造特征 五沟煤矿位于童亭背斜西翼中段，总体上为一受断层切割，且以向斜为主的复式褶皱构造组合，向斜的轴部呈反S形；形态上呈南端狭小，北端宽阔的近三角形展布。地层倾角一般在1015，仅局部（F9F10断层之间）达到40。受断层切割所致，矿井的中部被抬起，并发育次一级背斜，区内共发现褶皱3条；北部在五沟断层和F14断层之间以及南部F8断层和F9断层之间形成两个断陷。 全矿井共组合断层19条（10m的断层多数未组合），均为正断层。其中落差≥100m的断层7条，落差50m的断层1条，落差50m而≥30m的断层3条，落差30m的断层8条。断层的走向多为北东向，只有矿井的北部边界断层五沟断层为近东西向。 3.5.3 矿井煤层 矿井含煤地层为石炭～二叠系。 石炭系煤层薄而不稳定，煤质差，并且顶板多为石灰岩，水文、工程地质条件复杂，故暂未作勘查对象。 二叠系含10个煤层（组），计18～27层煤。自上而下为上石盒子组含1、2、3三个煤层（组），含煤4～9层；下石盒子组含4、5、6、7、8等五个煤层（组），含煤6～12层；山西组含10、11煤层（组），含煤2～3层。其中1、2、4、6等四个煤层（组）为不可采煤层，31、51、52、71、72、81、82、10等8个可采或局部可采煤层。目前矿井主采煤层为10煤，下面对10煤的煤层情况简述如下。 10煤层位于山西组中部，上距铝质泥岩约60m，下距太原组一灰约50m。煤厚0.54～12.51m，平均3.94m，属中厚至厚煤层。煤层结构较为简单，一般为单层结构或具一至两层夹矸。可采指数为0.99，面积可采率100，变异系数50，属较稳定煤层。煤层顶板主要为泥岩，粉砂岩和砂岩零星分布，大于3.5m的厚煤区主要分布矿井的西部（见图3-1）。在矿区的南部，煤层在局部区域存在着分叉合并现象。 图3-1 10煤层顶板岩性及煤层厚线示意图 3.5.4 矿井水文地质条件概况 根据安徽五沟煤矿有限责任公司建井地质报告和安徽省濉溪县五沟煤矿勘探地质报告，简要分析五沟煤矿水文地质条件如下。 （1）地表水 五沟煤矿地势较为平坦，地面标高一般26.30～29.30m，平均27.00m。由西北向东南倾斜。区内无较大河流，但人工沟渠纵横交错，沟渠的作用主要是防洪排涝。沟渠雨季有水，旱季干枯，它们均汇于浍河集中排泄。矿井东北部外围有浍河流过。浍河属淮河水系，为一中小型季节性河流，河水受大气降雨控制。目前浍河等地表水体对五沟煤矿矿井充水及矿井建设没有影响。 （2）矿井含、隔水层（组、段）水文地质特征 五沟煤矿为第三、四系松散层覆盖下的全隐蔽矿床。根据赋存介质特征地下水含水层进一步划分为新生界松散层孔隙含水层、二叠系煤系砂岩裂隙含水层（段）和石灰岩岩溶裂隙含水层（段）。 1）新生界松散层含、隔水层（组） 新生界松散层厚度变化受下伏基岩古地形控制，大致上自北东向南西方向逐渐增厚的趋势。松散层两极厚度262.36～287.05m,平均272.90m。古地形起伏不大。按其岩性组合特征及其与区域水文地质剖面对比，自上而下可划分为四个含水层（组）和三个隔水层（组）。 第三隔水层底板埋深225.50～257.20m，平均厚度61.5m；岩性以灰绿色、棕黄色、棕红色砂质粘土、粘土及灰白色钙质粘土、泥灰岩为主，夹砂层或粘土质砂0～5层。上部粘土、砂质粘土可塑性好，膨胀性强，塑性指数Ip为11.30～27.80，膨胀量为0.02～3.705，自由膨胀率为19～110。下部灰白色、乳白色钙质粘土，泥灰岩呈半固结状，可塑性较差，为湖滨回水湾静水环境沉积。该层（组）粘土类可塑性好，膨胀性强，厚度大，分布稳定，隔水性良好，是区域及煤矿内重要的隔水层（组）。由于它的存在，使其以上各含水层地下水及地表水、大气降水与其下的四含水、煤系水失去了水力联系。 第四含水层组底板埋深262.36～287.05m，平均273.40m。含水砂层厚度6.12～39.19m，平均20.7m。四含沉积厚度受古地形控制。五沟煤矿内30线以南的中部地段古冲沟地形低洼处，四含沉积厚度较大，砂砾颗粒较粗。30线以北及东西两侧四含沉积厚度较小，四含分布情况见图3-3。四含厚度由北向南、由东西两侧向中部逐渐增厚，富水性也由北向南、由东西两侧向中部逐渐增强。 四含岩性复杂，由砾石、砂砾、粘土砾石、粗砂、中砂及粘土质砂等组成，其间夹有0～4层薄层状粘土夹砾石、粘土、砂质粘土、钙质粘土等。从总体上看四含岩性泥质含量高，渗透性差，补给条件较差，一般富水性弱。其地下水依靠区域层间迳流，同时由于该含水层直接覆盖在煤系地层之上，与煤系砂岩裂隙含水层通过风化裂隙带构成直接水力联系。而与上覆一、二、三含水层无直接水力联系。 据30-8、补5、水3、水4、1016-1、1016-2、1017-1孔抽水试验资料，四含静止水位标高-9.53～17.242m，q0.0017～0.2266 l/s.m，k0.011～0.9241m/d，水化学类型为SO4.HCO3-Na.Mg或HCO3-Na.Mg，矿化度0.982g/l，全硬度14.32德国度。 图3-3 新生界松散层第四含水层（组）厚度等值线图 2）二叠系煤系含、隔水层（段） 二叠系岩性由砂岩、泥岩、粉砂岩、煤层等组成，并以泥岩、粉砂岩为主。根据区域资料及该矿主采煤层赋存的位置关系与裂隙发育程度划分为三个含水层（段）和四个隔水层（段），由于砂岩裂隙水为静储量，富水性均较弱。 3）太原组石灰岩岩溶裂隙含水层（段） 五沟煤矿共有105个钻孔揭露太原组地层，最大揭露厚度132.40m，多数钻孔仅揭露一～二层灰岩，少数钻孔揭露下部灰岩。太原组地层由石灰岩、泥岩、粉砂岩及薄煤层组成，以石灰岩为主，有11～12层石灰岩。 从区域水文地质资料分析结果看，太灰岩溶裂隙发育不均一，富水性差异较大；在开采条件下太灰水可通过浅部露头补给煤系砂岩含水层，进而通过矿井排至地面。 10煤底板至太原组一灰地层正常情况下间距是36.44～67.24m，平均间距为48.90m，岩性以海相泥岩为主，致密完整，裂隙不发育，一般隔水性较好，除非由断层或岩溶陷落柱导通，在一般情况下太灰水与10煤层上、下砂岩含水层地下水之间不会发生直接的水力联系。 （3）断层的富水性和导水性 全矿井共组合断层19条（10m的断层多数未组合），均为正断层。其中落差≥100m的断层7条，落差50m的断层1条，落差50m而≥30m的断层3条，落差30m的断层8条。断层的走向多为北东向。 根据钻探揭露，断层破碎宽度2～60m，一般多为泥质充填，岩性较混杂，主要为泥岩、粉砂岩及少量砂岩。挤压和揉皱现象严重，岩芯较破碎，泥岩呈糜棱状，砂岩呈碎块状、角砾状。钻探穿过断层时均没有发生漏水现象。矿内多数断层富水性较弱，导水性较差。 （4）矿井基岩风氧化带情况 五沟煤矿井田基岩风化带深度为0.3～24.8m,一般为10～15m，强风化带0.3～22.87m，平均约7m。岩层以砂岩、泥质岩层为主，受沉积水环境和风化损伤的共同影响，原生裂隙不太发育；强度衰减速度快；粘土矿物含量高；饱和吸水率大；具有塑性变形特征。具有抑制导水裂隙带发育和阻隔四含水下渗的双重作用。 岩石的物理、力学、水理实验结果表明五沟煤矿10煤层浅部覆岩体的显著特征为受风化影响，泥岩和砂岩的强度均较低；岩体空隙率较高，饱和含水量较大，泥岩和砂岩遭风化后其粘土矿物含量较高（60以上），具有隔水能力和扰动后再生隔水性能好的显著特点。 3.5.5 矿井水文地质类型 五沟煤矿主采煤层顶底板砂岩裂隙含水层（段）是矿井充水的直接充水含水层，一般富水性较弱。开采10煤时太灰水威胁比较严重,防治水工程量较大，是矿井安全生产的重要隐患之一。地质构造复杂程度为中等（Ⅱ类），断层及破碎带较发育。 按照有关矿井水文地质条件类型划分的标准，本矿井为以裂隙含水层充水，顶板进水为主的矿床，水文地质条件为中等，即Ⅱ类二型。 4 矸石充填综采提高开采上限的技术可行性分析 长壁综采是我国目前中厚煤层或厚煤层分层开采最常用的安全、高效采煤方法，矸石充填综采就是将长壁综采工艺与高效矸石充填技术优化组合的集成创新产物；通过长壁综采回采工艺与矸石机械化充填工艺的优化组合，实现高效采煤与充填的并举，将煤矿“掘、采”二元开采技术体系提升为“掘、采、处”的三元开采模式。近年来，经过中国矿业大学与新汶矿业集团、金能集团合作研究与开发，长壁工作面综采矸石充填技术体系在多个工作面工业性试验的基础上日趋完善，已经成为“三下”采煤的重要技术手段。 4.1 矸石充填综采工艺原理简述 长壁综采工作面矸石充填开采工艺包括长壁工作面综采和采空区矸石充填两部分。其关键设备是适应综采工作面高效机械化矸石充填技术的矸石充填液压支架和自压式矸石充填机。采空区矸石充填是依靠专门研制的矸石充填综采液压支架后部的悬挂式矸石充填运输机和推压夯实机来自动完成的。 矸石充填输送机吊挂在综采矸石充填液压支架后部水平尾梁下，其槽板上开若干可控制的落矸孔，矸石充填输送机和上巷的运矸皮带输送机相联接，将矸石运进采空区并从落矸孔中落下，以实现充填。全部充填工作在支架水平尾梁的掩护下完成。图4-1为最新研制的新型综采矸石充填液压支架示意图。 图4-1 新型综采矸石充填液压支架示意图及工作原理 在综采矸石充填液压支架前、后配备同向不等位的两部刮板输送机，即前部回采工作面刮板输送机和后部的位于采空区的后悬式矸石充填输送机。 充填液压支架除了满足综采面生产时的顶板支护要求，同时可达到保护充填采空区的目的。 图4-2 矸石充填开采过程剖面示意图 图4-3 矸石充填综采工作面示意图 如图4-2所示，矸石充填料通过后悬式矸石充填输送机溜槽槽板上的落矸孔落下充入采空区。为有效控制矸石的充填范围，在溜槽的侧面增设插入插板的插口，并安设插板，以控制漏矸量。在充填过程中，通过矸石充填输送机上刮板推移充填料进入落矸孔进行充填；通过输送机下刮板推平由落矸孔落下到采空区的充填矸石；通过安装在液压支架后部的推压夯实装置推压夯实矸石充填体，提高矸石充填体的密实度和接顶率。 后悬式矸石充填输送机随移架前移，能实现可弯曲运输，移架不影响运输充填材料。后悬式矸石充填输送机是在充填液压支架尾梁的掩护下进行的，可保证充填设备的安全；同时设备维修时可以采用前移支架达到维修空间时进行，充填过程中无需人员进入充填区。 根据五沟煤矿矸石充填材料的供应条件，初步确定本次试验采用长壁工作面综采矸石充填采煤方法。结合五沟煤矿现有的技术条件、试采区域地质采矿条件及充填开采对采高的要求，矸石充填综采的最大开采厚度应控制在3.5m以内。充填物料以地面矸石为主，辅助井下矸石。通过在地面施工投料钻孔，用钻孔将地面矸石输送导入井下矸石仓；井下矸石直接从掘进工作面转运至井下矸石仓；采用皮带运输机将矸石运送到工作面机尾，通过支架后尾梁吊挂刮板运输机，实现架后充填。 4.2 矸石充填效果分析和矸石充填体有效厚度估算 4.2.1 工作面矸石充填效果分析 随着长壁工作面的推进，采空区顶板岩层首先在自重应力及上覆岩层重力的作用下，产生向下的移动和弯曲，当其内部应力超过岩层的抗拉强度时，直接顶板首先断裂、破碎并相继垮落，而基本顶岩层则以梁、板形式沿层面法向移动、弯曲，进而产生断裂、离层，这一过程随工作面推进不断重复，直至上覆岩层达到新的应力平衡状态。从上述分析可以看出，岩层移动的主要原因是煤炭的开采打破了上覆岩体的应力平衡状态，而垮落岩石的碎胀有效的减小了上覆岩体的下沉空间，是岩层移动停止的关键因素。矸石充填开采就是通过机械化充填设备将破碎矸石充入采空区限制顶板垮落下沉来达到控制上覆岩层移动和减轻地表沉陷的目的。充填采空区的矸石占据了上覆岩层的下沉空间，相当于减小了开采厚度；如同岩层移动后期主要是破碎岩体的压实和上覆岩体中离层、裂隙的闭合一样，矸石充填开采岩层移动后期也主要体现为充填体的压实沉降。 由此可以看出，矸石充填效果是影响矸石充填开采覆岩破坏控制效果的关键因素，采空区矸石充填体的有效厚度决定了矸石充填开采后的覆岩破坏和岩层移动程度。根据矸石充填开采岩层移动机理分析和模拟及实测研究结果，矸石充填体的有效厚度取决于矸石充填体初始厚度（受充填前的顶底板移近量、充填体接顶距离等因素影响）、矸石充填体的初始压实度、矸石充填体剩余压缩率等因素。下面依次分析各因素对岩层移动效果的影响。 （1）充填前顶底板移近量 与长壁工作面回采相比，采空区充填具有一定的滞后性，此时在矿山压力的作用下，液压支架具有一定的压缩量，减小了采空区可供充填的空间高度。根据邢台、新汶矿区的矸石充填工业性实验，充填前顶底板移近量较小，一般在100mm以内；考虑到含水层下采煤顶板岩性风化破碎偏软弱和一定的安全裕度，本报告近似估计矸石充填工作面的顶底板移近量按最大为300mm考虑。 （2）矸石充填体接顶距离 矸石属于散体材料，在水平和缓倾斜煤层条件下，由于散体材料的流动性以及机械充填条件的限制，充填体与顶板之间总存在一定的距离，这一距离的存在为顶板进一步弯曲下沉提供了可能。早期的综采矸石充填空顶距离较大，约为500mm；新型矸石充填液压支架增加了矸石推压捣实装置，极大地改善了矸石充填体的接顶效果，邢台煤矿的矸石充填实验表明，综采矸石充填几乎不存在空顶距离，矸石充填率接近100；但考虑到工作面现场充填条件的复杂性和可能存在部分矸石颗粒过大等因素，本报告将矸石充填体接顶距离按最大200mm考虑。 （3）矸石充填体的初始压实度 矸石的压实度反映充填进采空区的矸石的压实程度，初始压实度越大，则矸石充填体的密度越大，在上覆岩层荷载作用下二次压实量越小。对于传统的手工矸石充填与风力矸石充填来讲，由于缺乏压实的过程，导致矸石初次压实度较小，在上覆荷载作用下，二次沉陷量大，这也是传统矸石充填效果不佳的主要原因之一。 采用新型充填矸石液压支架和自压式矸石充填机进行采空区矸石充填，充填第二阶段的自充自压过程和推压捣固过程增大了矸石充填体的初始压实度，减小了上覆荷载作用下充填体发生的二次沉降。经过初步的理论分析表明，采用矸石充填运输机进行的矸石充填的相对压实度约为15～20左右。 （4）充填矸石体剩余压缩率 当顶板弯曲下沉并与矸石充填体接触后，此时矸石充填体将开始承担上覆岩体荷载作用。受上覆荷载作用，矸石充填体将产生进一步的压缩，其剩余压缩率取决于矸石材料性质、上覆岩层荷载大小和充填矸石的初始压实度，初始压实度越高、则剩余压缩率越小。充填矸石剩余压缩率定义为 式中，D为矸石充填体厚度，，M为采厚，为充填前顶底板移近量；为充填体在上覆岩层压力压缩后的高度。 充填矸石体的剩余压缩率可以通过现场实测或实验室测定得到；在本报告分析中，充填矸石体的剩余压缩率ρ按20考虑。 4.2.2 矸石充填体的有效厚度和等价采厚 长壁工作面矸石充填后的有效厚度就是充填矸石体在经过上覆岩层充分压实、岩层和地表移动结束后的剩余厚度。从上面的分析可以看出，近水平煤层条件下矸石充填体的有效厚度M矸为 M矸 D1-ρ 式中D为矸石充填体厚度；ρ为矸石充填体剩余压缩率。 采用矸石充填处理长壁工作面采空区后，由于充填前的顶板下沉、接顶距离和充填体压实等问题的存在，采空区上覆岩层仍将产生一定程度的破坏和移动变形，但其覆岩破坏和岩层及地表移动由于矸石充填体的制约而大大减轻。为分析充填开采覆岩破坏和地表沉陷程度，本报告提出“等价采厚”的概念。即将充填开采后采空区的剩余空间等价为一个等厚的薄煤层开采后形成的采空区，这样就可以应用常规的长壁垮落法覆岩破坏和地表沉陷有关经验公式进行充填开采的覆岩破坏高度和地表沉陷预测。矸石充填开采等价采厚M等 M等实际开采煤厚M - 矸石充填体的有效厚度M矸 4.3 等价采厚预测覆岩破坏高度和地表沉陷的可靠性分析 矸石充填开采的岩层移动预计是一个全新的课题，目前并没有可以直接使用的成熟算法。本报告在分析矸石充填岩层移动机理的基础上提出了等价采厚预测的方法。图4-4为针对1011工作面采用FLAC2D模型计算的等价采厚垮落法开采和矸石充填开采的地表沉陷曲线对比图。图4-5为采空区中部距离煤层顶板6m处一点（A点）拉应力随工作面推进时的变化图。 图4-4 矸石充填开采和等价采厚计算下沉曲线对比 图4-5 矸石充填开采和等价采厚开采时A点拉应力对比 从图4-4可以看出，等价采厚垮落法开采和矸石充填开采的地表沉陷量基本一致，但在沉陷盆地边缘至采空区边界这一区域内，等价采厚垮落法开采的沉降量要大于矸石充填开采的沉降量，这主要是由于采空区边界处上覆岩层压力下，等价采厚在这一区域的实际采厚大于矸石充填的采厚。 从图4-5可以看出，等价采厚计算的A点的拉应力要大于矸石充填开采条件下的拉应力，如距离测点60m时，测点拉应力分别为3.1Mpa和2.7Mpa；当