司马煤矿薄基岩区松散层特性与煤层安全开采.pdf

第 25 卷 第 2期 2008 年 06 月 采矿与安全工程学报 Journal of Mining 国家自然科学基金重点项目 50634050 ; 国家自然 科学基金项目 50574090 作者简介 黄汉富 1967 , 男, 浙江省杭州市人, 高级工程师, 从事煤炭开采技术管理方面的研究. Email hhf123452003 163. com Tel 03555950699 文章编号 167333632008 020239 05 司马煤矿薄基岩区松散层特性与煤层安全开采 黄汉富1,2, 白海波3 1. 潞安矿业集团 司马煤业有限公司, 山西 长治 046102; 2. 中国矿业大学 矿业工程学院, 江苏 徐州 221116; 3. 中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室, 江苏 徐州 221008 摘要 结合司马煤矿因松散层底板隔水黏土层存在大量 漏洞 的实际条件, 运用数值模拟等方 法定义并圈定了薄基岩区; 通过钻孔岩性组合分析, 岩土及渗透力学取样测定, 岩相古地理研究 等对松散层形成条件及垂向导水性能进行了研究. 结果表明 司马矿松散层上部赋存主要含水 层, 而其中下部以黏土为主; 第四系沉积中心为古河口, 其沉积物厚度大、 颗粒细、 含导水性差, 河 道两侧沉积物颗粒变粗、 厚度变薄、 垂向渗透能力增强, 根据基岩古地形即可划分出松散层垂向 越流能力的强弱区; 古河口沉积覆盖了薄基岩区的大部分, 有利于水、 沙控制; 底部自承力强的硬 黏土减小了支架的附加载荷, 开采实践检验了研究结论的正确性. 关键词 薄基岩; 古地形; 松散层; 越流分区 中图分类号 TD 641 文献标识码 A Relationship between Loose Soil Property and Safety Mining in Thin Bedrock Area of Sima Mine HUANG Hanfu 1, 2, BAI Haibo3 1. Sima Coal M ine, Lu an M ining Group Co. Ltd., Changzhi, Shanxi 046102, China; 2. School of Mining Engineering, China University of Mining 3. State Key Laboratory for Geomechanics 2 T he area of ancient river mouth which is now quaternary sediment center is characterized by thick sediment with small sized grains and by poor permeability while the area around the center is characterized by thin sediment with large sized grains and by good permeability; 3 Based on the ancient land of bedrock, we can divide the loose layer into the good vertical permeability area and the bad one; 4 Sediments in the ancient river mouth covers a large portion of bedrock area, quite favorable for water and sand control; And 5 the bottom hard clay with great selfbearing force makes the additional load of support decreased, which has been proven true by mining practice. Key words thin bedrock; paleotopography; loosen soil bed; leakage division 采矿与安全工程学报第 25 卷 在煤层隐伏露头附近及薄基岩区开采煤炭时, 主要水害是松散层和地表水, 特别是松散层底部含 水层的水. 对其采取的措施主要是隔离为主, 局部 疏干为辅. 在 20 世纪 80 年代以前主要实行留设足 够大的煤柱, 同时采动导水裂隙带与松散层底板间 还要有足够的完整保护层, 在矿井松散层底部含水 层富水性未查清之前也采取这一方式防止水患的 发生, 但这一方法却造成了大量的煤炭无法开采, 缩短矿井服务年限, 降低了投资收益, 特别是煤层 倾角小或褶曲影响更是如此. 近年来探索缩小煤柱 解放呆滞煤量的办法, 最多关注的是松散层底板有 无隔水层和隔水黏土层的厚薄 [ 15] , 改变采煤工艺 减小导水裂隙带高度[ 67], 少量的尝试了建立帷幕 改造和阻断水力通道[ 8], 而对于可否利用松散层底 部含水层及整体特性来实现安全开采研究未见报 道. 本文结合矿井在厚松散层薄基岩区综采放顶煤 开采防治水的实践, 探讨松散层形成条件、 水文地 质特性等对煤层安全开采的控制作用. 1 司马矿水文地质特征 司马煤矿地表标高约 920 m, 地处沁水煤盆地 东南缘, 长治断层的西侧, 本井田揭露煤层基底奥 陶系 261. 31 m, 其中上马家沟组富水性最好; 石 炭二叠系 290. 58 m 碎屑岩夹薄层石灰岩和煤等 构成. 基岩地层为倾向 W 的单斜, 残留厚度东薄西 厚, 薄基岩区主要处于井田东部, 开采一采区内 3 煤顶板最薄基岩柱不足 10 m. 煤系地层上覆新生 代松散层, 松散层厚度在井田范围内为 36. 1 198. 95 m, 主要有亚砂土、 亚黏土、 黏土、 砂组成, 底部含砾石层, 西部薄、 东部厚 图 1 . 底部黏土层 不完整, 形成众多 天窗 或 漏洞 . 图 1 司马矿地质剖面图 Fig. 1 Geological section in Sima mine 矿区南部岩溶水主径流带由南而北从本井田穿 过, 石炭二叠系作为弱裂隙含水层, 其天然水位高 于奥陶系岩溶水位而低于松散层水位. 在矿井开采 后形成了基岩地下水以奥陶系岩溶水承压水面为基 准, 石炭、 二叠系裂隙含水层的水位由下而上依次比 奥陶系岩溶水位略高. 基岩地下水面已经脱离第四 系底板, 第四系和基岩水力已经脱离 图2 . 图 2 司马矿地下水动力及双重水位示意图 Fig. 2 Ground water dynamics and its level difference in Sima mine 2 薄基岩区及范围的圈定 所谓薄基岩区是指开采后的煤层顶板导水裂 隙带发育高度超过基岩上界面而进入松散层的可 采煤层区域. 在薄基岩条件下, 不仅导水裂隙带容 易贯通基岩, 直接波及到松散层底部的含水层, 导 致工作面突水、 溃沙. 而且自承力差的松散层随薄 基岩冒落而增加了支架的附加载荷, 从而使支架压 坏. 决定开采区域是否为薄基岩区的因素就是控 制导水裂隙带发育高度的因素, 主要有采高、 煤层 顶板的岩层组合及其整体力学性质、 开采工艺和方 法等, 这些因素已有专门论述[ 17]. 3 煤层上覆基岩的岩性是由细砂岩、 中砂岩、 砂质泥岩交替陆相沉积, 单轴抗压强度分别为 53. 47, 78. 03, 8. 22 MPa, 用加权平均法计算覆岩 的单向抗压强度为 53. 7 MPa, 为坚硬型. 根据五阳 矿实际观测数据, 用最小二乘法求得的经验公式 Ht 100 M/ 0. 849M 2. 11 10 和 Ht 35. 79 M0. 5 10 计算导水裂隙带高度分别为 95. 64, 102. 9 m. 用 RFPA 软件模拟覆岩破坏过程, 破坏从直 接顶向上发展, 穿过距煤层 27 m 的第1 关键层, 却 始终没有穿过粗砂岩构成的第 2 关键层 图 3 , 最 大导水裂隙带高度为 88 m 图 4 . 综合模拟、 计算 结果, 3煤顶板基岩厚度小于 88 m 的区域应定为 薄基岩区. 图 3 模拟工作面推进 200 m 顶板裂隙发育高度 Fig. 3 Roof fracture development modeling workface moved 200 m 240 第 2 期黄汉富等 司马煤矿薄基岩区松散层特性与煤层安全开采 图 4 工作面顶板裂隙高度与推进距离的关系 Fig. 4 Relationship between height of roof fracture and moved distance of work face 一采区全部和二采区的大部分处于薄基岩区, 其 3 煤层开采除受顶板砂岩水的影响外, 还受到 浅层地下水和基岩风化带裂隙水的影响. 在煤层隐 伏露头带附近, 由于煤系遭到剥蚀较甚, 3 号煤层 上基岩厚度普遍小于 40 m, 甚至不足 10 m, 例如 1901, 1902, 2102, 19 1, 202 和 22 1 等钻孔附近, 属于超薄基岩区. 3 松散层结构与渗透性差异 本井田全部被松散沉积物所覆盖, 厚 36. 1 198. 95 m. 剖面上, 松散层上部较粗颗粒占优, 主 要为粉沙, 其次为细沙和中沙; 中下部黏土和亚黏 土为主, 只在靠近底部夹 2 4 层单层厚度多小于 1 m 的中、 细沙层. 剖面上含水沙层一般有4 6层, 各层厚度不 一, 多呈透镜状, 累计厚度 10 60 m, 平均 20 m; 在埋深 0 70 m 的2 层单层和累计厚度较大, 下部 的单层厚度多在 1 m 以下; 经对民井抽水结果, 单 位涌水量 0. 02 0. 17 L/ s∀ m , 渗透系数 0. 02 0. 06 m/ d, 据司马矿井检孔 表 1 对第四系孔隙 水抽水试验得单位涌水量 0. 0131 0. 0267 L/ s ∀m , 渗透系数 0. 05 m/ d, 抽水 10 d, 恢复水位 3 d, 而与抽水孔相距 145. 66 m 的民用井没受到影 响, 证明富水性弱. 表 1 井检孔在第四系揭露的含水层 Table 1 Quaternary aquifer uncovered by shaft survey drill 含水层岩性厚度/m 与基岩面 间距/ m 简易水文观测 判断的含水性 粉土 含砂11. 8957. 55弱 粉土 含砂4. 0824. 56弱 粉土 含砂0. 9014. 96弱 中砂1. 102. 54弱 中 取样孔揭穿松散层 厚 148. 2 m , 该孔含水段 主要分布在 40 m 以浅, 岩性为细砂和粉砂, 底部 距基岩面 4. 1 m 和 5. 2 m 分别有一层厚度仅 0. 4 m 的细砂和粉土. 底部取样段岩性主要为黏土和 亚黏土、 亚沙土, 不仅其渗透性很差, 垂直渗透系数 都在 10 - 7 10- 9cm/ s 量级, 而且其中不少层段为 液性指数 IL 0的坚硬黏土, 具有较大的容许承载 力, 见表 2. 表 2 探查取样孔底部土样部分测试成果表 Table 2 Part samples tested result of quaternary lower from sample drill 土样名称 取样 深度/ m 塑性指数 Ip 液性指数 IL 压缩模量/ M Pa 黏聚力/ MPa 内摩擦角/ 垂直渗透系数/ cm∀ s- 1 黏土10619. 20. 1713. 9787. 014. 28. 86E- 08 粉质黏土11013. 8- 0. 0122. 2979. 028. 21. 58E- 07 黏土11418. 6- 0. 1216. 8993. 027. 17. 40E- 08 粉质黏土12515. 80. 1718. 12113. 024. 76. 86E- 08 黏土12722. 70. 1124. 84163. 011. 75. 81E- 08 粉质黏土13115. 40. 0619. 51107. 027. 05. 67E- 08 黏土13620. 3- 0. 1223. 61183. 031. 11. 98E- 08 粉质黏土14715. 30. 0819. 96126. 021. 71. 83E- 08 黏土15120. 00. 1327. 5598. 019. 39. 22E- 09 平面上, 松散层岩层构成有较明显差异, 在本 井田范围内已有的 7 个第四系取芯孔资料, 整体上 含水介质是细沙和粉沙构成, 各孔累计厚度差距 大, 井检孔 17. 97 m, 取样孔 8. 2 m, 黏土层占 92. 6 94. 26, 192 孔、 2102 孔和 1, 2水源 井几乎全为黏土和亚黏土层, 而 1705 孔中粉、 细沙 则占了 47. 4. 由东向西总厚度由厚变薄, 颗粒组 成却由细变粗 图 1 . 4 基岩古地形控制沉积和渗透性分布 本井田第四系岩性结构的平面分布差异与古 地形、 古地理环境有关. 基岩上界面的古地形为一 条沿看寺正断层向东开口的河口, 在看寺村南 2105孔以西为窄河道, 以东呈喇叭状开口. 因此, 本井田内第四系沉积中心以看寺正断层上盘 SE 为轴线, 沉积最厚的区域在 1901- 1902 孔附近 图 5 . 在扇形区域内第四系剖面上厚度大、 岩性以黏 土为主 90 以上 , 垂向渗透性差, 扇形区域外古 地形为高地, 第四系沉积厚度急剧变小、 底部沉积 物粗颗粒较多, 总体上粉沙级以上的岩性层所占比 例高达约 45, 底部黏土层缺失面积大, 垂向渗透 性增强, 如 1705 孔和鲍村等附近区域. 241 采矿与安全工程学报第 25 卷 图 5 第四系厚度等值线图 Fig. 5 The isogram of Quaternary thickness 在经过始新世晚期和中新世早期喜马拉雅两 期造山运动和东部相应的两期裂谷运动后, 长治张 性断陷形成, 从中新世晚期到上新世晚期构造运动 进入了相对平静期. 在外地质营力长期削高填低的 作用下, 形成了地势和缓、 河流湖泊广布的准平原 景观. 本区古气候为湿热的自然环境, 为标高在 500 m 以下的盆岭古地形, 长治古湖沉积了河湖相 细颗粒物. 第四纪更新世早期开始的新构造运动, 矿区在随整个晋陕高原上升隆起的过程中, 因伸展 作用而发生了相对下陷. 长治断层复活, 落差一直 在拉大, 两盘反向升降错动. 在第四纪, 断层以东的 山区上升了 670 m, 西侧的长治盆地则下降了近 290 m, 差距达 960 m [ 9] . 长治断陷在第四纪早期仍 然为湖, 直到更新世中晚期, 河流溯源侵蚀导致长 治古湖逐渐变为外流水系, 湖面积在逐渐缩小, 但 在长治断层附近仍然为相对静水沉积区域, 周围河 流汇入其中, 司马井田就是一个河流入湖口, 沉积 颗粒西粗东细, 随着气候变冷、 干, 沉积颗粒由下而 上 由老到新 粗颗粒增多. 5 松散层性能与顶板、 水沙控制 薄基岩区上方覆盖了厚度大于 100 m 的松散 层 图 5 , 其中下部黏土层占优, 松散层整体垂向 越流能力差, 底部沙层含导水性能弱、 垂向越流能 力更差. 尽管松散层底部黏土隔水层不完整、 具有 众多 天窗 或 漏洞 , 但松散层底部沙层密实度 高, 渗透性能与沙质黏土等隔水层相差不大, 近似 于不透水层, 能释放水量已经很小, 无水就难以形 成流沙; 另一方面, 厚松散层底部土层, 特别是黏土 层多为液性指数小于 0 的硬黏土, 具有一定的承 载力, 因此, 采动导裂带汇集的水量很少, 工作面推 进过程中不会形成灾难性的涌水, 一般不会有流沙 溃入; 工作面初次垮落和周期垮落形成的压力不会 有异常增加, 与厚基岩区相近, 只要采取适当措施 就可避免压架. 一采区 1101, 1102, 1103 等 5 个综 采放顶煤工作面的开采实践已证实分析结论正确, 各工作面最大涌水量小于 30 m 3/ h, 在上覆基岩厚 度小于 20 m 的区域推进, 未见流沙涌出; 实测结 果表明松散层下部的黏土层厚度越大, 则薄基岩结 构越稳定; 在黏土层厚 40 m, 薄基岩 20 m 时两者 结合可形成较稳定的结构[ 10]. 在井田的西部, 特别是西北部的任家庄和西南 部的鲍村下第四系覆盖层较薄, 松散层中沙层所占 比例高达 48 以上, 水平和垂向渗透性能皆大为 增强, 底部沙层含导水性增大, 深机井取底部沙层 水灌溉. 底部黏土层大量缺失, 松散层底部沙层水 与基岩风化裂隙水联系密切, 1705 孔简易水文观 测判定底部沙层含水性中等. 但该薄松散层区已经 处于矿井深部区, 进入非薄基岩区, 基岩厚度普遍 超过 110 m. 6 结 论 1 薄基岩区是指开采后的煤层顶板导水裂隙 带发育高度超过基岩上界面而进入松散层的可采 煤层区域. 据数值模拟、 经验公式和实测数据确定 司马矿的薄基岩区包括一采区全部和二采区的大 部分, 在薄基岩区开采必须解决水、 沙控制和压架 问题. 2 井田范围第四系沉积中心为古河口, 沉积 物厚度大、 颗粒细、 含导水性差, 外围沉积物颗粒变 粗、 厚度变薄、 垂向渗透能力增强. 3 松散层上部赋存主要含水层, 中下部黏土 为主, 下部虽有薄沙层, 天窗 、 漏洞 众多, 但因 埋深大、 围压大等原因导致渗透性差、 补给不足、 富 水性弱. 4 厚松散层覆盖了司马矿的薄基岩区的大部 分, 有利于水、 沙控制; 底部多为自承力强的硬黏 土, 减小了支架的附加载荷, 黏土厚度大, 结构稳 定; 开采实践证明其正确性. 参考文献 [1] 赵子友, 赵连友, 冯建文. 第四系底含水体下近距煤 层开采试验[ J] . 煤矿开采, 2006, 11 4 39 40. 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