松散含水层下开采提高回采上限研究.doc

松散含水层下开采提高回采上限研究 孔一凡、焦殿志、周增强、徐冰寒、周先胜、吴俊松、解建 1、1016工作面概况 1016工作面位于南一采区的西翼，根据矿井初步设计，工作面上限标高为-340m，实际上限标高（顶板）为-318.8m，工作面走向长879m，倾斜宽180m，平均煤厚5.1m，工业储量111.0万吨，可采储量105.4万吨。 2、新生界松散层含隔水性特征 本井田基岩被厚度为262.36～287.05m的北东薄南西厚的新生界松散层所覆盖。新生界松散层自上而下依次分为一含、一隔、二含、二隔、三含、三隔和四含计4个含水层和3个隔水层。 其中第三隔水层主要由粘土和砂质粘土组成，夹砂层或粘土质砂。该隔水层塑性指数为11.30～27.80，膨胀量为0.02～3.705，为湖滨回水湾静水环境沉积。粘土类可塑性好，膨胀性强，分布稳定，厚度大，平均约61.50m，隔水性能良好，是井田内重要的隔水层，可使其上覆地表水及一、二、三含水与下伏四含水和基岩含水层水失去水力联系。 四含主要由砾石、砂砾、粘土砾石、砂层及粘土质砂等组成，间夹0～4层的薄层粘土，其泥质含量较高，补给条件较差，一般富水性弱，但直接覆盖于煤系地层之上，是矿坑充水主要补给水源。 在南一采区四含沉积厚度6.2～31.7m，平均18m,单位涌水量q0.0042～0.2266L/s.m，渗透系数k0.0014～0.9241m/d，属弱～中等含水层，南一采区西翼开采1016工作面四含厚度较厚，富水性中等；土工实验结果表明其含粘量较高，且属复合结构特征，呈固结～半固结状态，径流补给排泄条件不畅，是五沟煤矿薄基岩浅部煤层实现安全开采的重要保障。 根据其水文地质参数、厚度、富水性特征，依照三下采煤规程，南一采区1016工作面上覆松散第四含水层应属Ⅰ类水体，须留设防水煤岩柱，不允许导水裂隙带顶点波及该含水层。 3、基岩面控制程度 地面采用三维地震勘探。采区内共施工地震物理点9742个，工程量11.108Km2，对构造和基岩面有较好的控制。 南一采区内共有钻孔34个，钻孔密度11.07个/Km2，有6条勘探线控制，勘探线距336m。1016工作面及周围300m范围内有20个钻孔，钻孔间距150～250m，对构造和基岩面有较好的控制。南一采区基岩面起伏不大，控制程度较好，冲积沟等特殊地形存在的可能性极小。（附钻孔资料统计汇总表） 从1016工作面机巷和切眼剖面图可以看出主采煤层上方基岩厚度为69.1m103.6m，其最小煤岩柱高度为69.1m。 表2-5 1016工作面钻孔资料统计汇总表 项目 钻孔 基岩面标高（m） 四含厚度（m） 煤层厚度（m） 岩柱高度（m） 顶板泥岩比例（） 钻孔位置 补6 -243.39 25.99 3.40 13.84 62.2 距工作面15 m J1-1 -239.54 8.7 2.54 18.63 85.5 距工作面180m J2-6 -239.06 13.8 2.86 35.61 53.2 距工作面160m 28-1 -241.3 7.4 0.94 7.76 100 距工作面400m J4-6 -247.46 20.95 5.04 53.8 85.4 距工作面220m J5-7 -249.31 20.1 5.55 64.1 86.2 距1018工作面20m J5-8 -243.53 17.1 5.53 20.7 74.9 距工作面220m J6-8 -244.21 18.30 5.11 19.01 82.3 距1018面280m 30-1 -247.25 28.45 2.69 27.59 88.6 距1016面320m 30-2 -244.69 24.35 4.67 62.25 62.6 1016面内 30-10 -240.11 25.31 5.20 17.63 82.1 距1016面360m 30-11 -237.64 21.73 2.32 0 无 距1016面400m 1016-1 -244.69 20.60 4.55 42.78 55.2 距1016面100m 1016-2 -245.05 27.8 4.28 59.64 71.7 1016面内 4、综采覆岩破坏高度探测 采场覆岩破坏高度的观测研究是合理确定防水煤柱尺寸的关键，搞清覆岩破坏规律是解放水体下压煤和保证矿井安全生产所不可缺少的重要步骤。1013首采面是1016工作面的相对面，其地质采矿技术条件与1016工作面基本类似，具有很强的类比性，为此，1013工作面采后，在地面施工了四个两带高度孔，实测数据见表1。 表1 1013综采工作面裂隙带高度测试成果表 m 孔号 采厚 裂隙带高度 裂采比 煤岩柱高度 1013-1 3.1 37.8 12.2 99 1013-2 3.1 33.8 10.9 99 1013-3 3.1 19 6.1 99 1013-4 3.1 35.9 11.6 95 5、1016工作面采前水文检查孔施工情况简述 为了了解上提的1016工作面上覆四含的富水性、厚度变化特征，在1016工作面切眼外侧-300m水平，施工了1016-1和1016-2两个水文检查孔，进行了四含抽水试验，水文地质参数与周边四含长观孔相近，抽水试验成果见表2。 四含抽水试验成果统计表 孔号 四含厚度（m） 单位涌水量l∕s.m 渗透系数m／d 水化学类型 1016-1 21.3 0.2266 0.9241 SO4-Na.Mg 1016-2 27.8 0.0209 0.0667 SO4-Na.Mg 6 导高预计及防水煤岩柱高度 裂隙带高度与覆岩结构有密切的关系，不同的覆岩结构和开采方式，其裂隙带高度不尽相同。根据补5和1016-1采前水文检查孔的岩体力学性能实验测试资料，结合与其邻近的童亭煤矿32采区的试验研究结果，故主采煤层浅部覆岩属于软弱～中硬型。因此，选用软弱～中硬类型的覆岩计算公式进行“两带”高度预计。切眼附近控制采厚为3.5m。 首采1013工作面开采后，在地面施工了四个两带高度孔，实测最大裂高采厚比为12.2。 与南一采区地质采矿条件相似的任楼煤矿中一、中四采区,其裂高采厚比为11.9， 采用相似材料实验、计算机数值模拟、经验公式法、类比法及实测。覆岩采动破坏高度见表5。 表5 裂隙带及防水煤岩柱高度预计 m 项目 三下规程 相拟材料 数值模拟 任楼煤矿 1013实测 裂采比 12.5 11.5 11.8 11.9 12.2 采高 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 裂隙带高 43.8 40.3 41.3 41.7 42.7 保护层厚 21 21 21 21 21 煤岩柱高 64.8 61.3 62.3 62.7 63.7 1016工作面开采时裂隙带高度取表中最大者，则防水煤岩柱高度应不小于64.8m。 7、开采上限的确定及煤岩柱合理留设的计算 1016工作面切眼处，基岩面标高为-245.93m，按规程和研究成果防水安全煤岩柱最大为64.8m，其上限标高为-310.7m。实际回采上限标高为-318.8m，防水煤岩柱厚度为72.87m，较“三下”开采规程计算的煤岩柱多留设8.07m。 8、防水煤岩柱岩性及力学性质 南一采区煤层顶板以泥岩类岩石为主，统计的11个钻孔中，泥岩类最小者占78以上，有的钻孔泥岩类岩石占100。煤层直接顶板较软，多以泥岩、砂质泥岩为主，且厚度较大，容易冒落，防塌煤岩柱类型为软弱至中硬型，计算机数值计算和相似材料模拟实验均证实主采煤层开采以后，上覆岩层的演化特征以塑性弯曲变形为主。 9、基岩风化带岩层的物理力学性质与渗流特征 根据1016-1水文检查孔的岩芯分析，10煤层基岩风化带的深度为自基岩面往下9m。风化带内岩石的抗压强度平均为8.6Mpa，属于软弱岩层，受水侵蚀后，多迅速崩解、泥化，当冒落带和导水裂缝带发育到强风化带时，它可以抑制冒高、裂高的继续向上发展。 以岩石的矿物组份及微观结构分析，风化带中岩石主要为粘土质粉砂岩及砂质粘土岩，这些岩石中碎屑矿物含量比一般砂岩少很多，而粘土矿物含量很大，均在60以上。岩石中未见易溶于水的矿物，并且微孔洞及微裂隙不发育，所以风化带的岩石具有较好的隔水防透砂性。 岩石浸水试验证明，同种岩石风化后的隔水能力及再生隔水透砂性能都较未风化的岩石强。 综合以上所述，风化带岩石的隔水性能较好，并且有较好的抗裂性。任楼煤矿7311和7212工作面的开采实践表明当导水裂缝带进入到风化带时，冒高、裂高值比正常条件下的要小的多。 根据以上可行性分析可以看出，提高回采上限后，冒落带是不会进入底含，只是将基岩风化带的一部分作为保护层来利用，因此，能够保证安全开采。 10 、开采实践及效益 1016工作面设计回采上限-340米，实际回采上限-318.8米，提高回采上限21.2米，安全回采原防水煤柱储量21.7万吨。创经济效益（）万元。1016工作面合理留设防水煤柱的成功实践为进一步提高五沟煤矿回采上限积累了宝贵的经验，对类似条件的矿井具有广泛的参考价值。