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高承壓含水層上煤層安全開采技術探討

文檔作者：尹會永魏久傳郭建斌朱魯施龍青王以勤文檔來源： 1．山東省沉積成礦作用與沉積礦產(chǎn)重點實驗室 2．山東科技大學 3．山東瓏山礦業(yè)有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年09月10日
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第2O卷第11期
2011年n 月
中 國 礦 業(yè)
CHINA M INING M AGAZINE
Vo1．2O．No．11
NOV． 2O11
高承壓含水層上煤層安全開采技術探討
尹會永 ，魏久傳 。，郭建斌 ，朱 魯 ，施龍青 ，王以勤。
(1．山東省沉積成礦作用與沉積礦產(chǎn)重點實驗室，山東青島266510；2．山東科技大學
地質(zhì)科學與工程學院，山東青島266510；3．山東瓏山礦業(yè)有限公司，山東淄博255200)
摘要：為了保證高承壓含水層上1O煤的安全開采，指出采用條帶開采方法采煤，并采取水害綜合
防治措施。首先分析礦井地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，認為正常開采條件下底板注漿、疏水降壓可行性較差，
選擇條帶開采力‘法；然后，根據(jù)相關“規(guī)程”，以“下三帶” 理論為指導，綜合考慮隔水層真實厚度、
底板破壞深度、阻水帶厚度、巖體損傷等困素， 計算不同開采深度下條帶開采寬度和煤柱留設寬度； 最
后，提出進行探查底板含水層水文地質(zhì)條件、留設斷層煤柱、進? 步完善排水系統(tǒng)等綜合防治水措施，
增強礦井綜合抗水災害能力。研究結(jié)果可指導該礦井高承壓含水層上1O煤的安全開采。
關鍵詞：高承壓水；條帶開采；下三帶；開采寬度；煤柱寬度
中圖分類號：TD82 文獻標識碼：B 文章編號：1004—4051(2O11)11—0074—04
Discussion of safe mining technique above high confined aquifers
YIN Hui yong 一，WEI Jiu—cbuan ，GUO Jian bin ～ ，ZHU Lu ～，SHI Long—qing ，W ANG Yi—qin。
(1．Shandong Provincial Key Laboratory of Depositional Mineralization and Sedimentary Minerals，Qingdao 266510，
2．College of Geological Science and Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266510，
3．Shandong Longshan Mining Ltd．，Zibo 255200，China)
Abstract：For exploiting the tenth coalbed safely above high confined aquifers，this paper put forward
tO the strip partial mining and adopted comprehensive measures to control water disasters．Firstly，based on
the analysis of the geological and the hydr。geologica1 condition，grouting method and dewatering depression
were not feasible under the normal mining and strip～partial mining was put forward．Secondly，according to
the rules，with the guidance of“down three zones’’theory the paper calculated the mine width under and
coal pillar width in different depth based on the thickness of aquifuge and safe aquifuge depth and permeable
failure depth in the eoalbed floor and damage of rockmass．Lastly，the coalmine should adopt comprehensive
measures tO control water disasters such as exploring the hydrogeological condition of the aquifers under the
coalbed and remaining coal pillar for faults and improving the drainage system． The results will guide the
eoal mine exploit the tenth eoalhed ．~afely above high confined aquiferg．
Key words： high confined aquifer； strip～partial mining； down three zones； mine width； coal
pillar width
奧陶紀灰?guī)r是華北型煤田含煤地層的基底，
煤層開采過程中， 煤層底板奧灰含水層突水事故
時有發(fā)生。因此， 受底板承壓水威脅煤層的安全
收稿日期：2011—03—17
基金項目：山東省沉積成礦作用與沉積礦產(chǎn)重點實驗室開放課題
資助(編號：DMSM201012)； 國家自然科學基金資助(編號：
41072212)； 國家自然科學基金重點項目資助(編號：51034003)；
長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃資助； 中國煤炭]一業(yè)協(xié)會2009年度
科學技術指導性計劃項目資助(編號：MTKJ2009—290)
作者簡介；尹會永(1979 )，男，漢族，河北衡水人，博士，講
師， 主要從事礦業(yè)地質(zhì)及水文地質(zhì)教學與科研工作。
開采問題， 一直是許多學者研究的熱點。現(xiàn)已形
成了較多的理論及方法， 如“突水系數(shù)法”l】J、“下
三帶” 理論l2j、 “下四帶” 理論[3]、 “關鍵層”
(KS)理論 ]、薄板結(jié)構(gòu)理論l5]、“零位破壞” 與
“原位張裂”理論l6]、基于GIS的多源信息復合 ]
等方法，對承壓水上煤層開采起到了良好的指導
作用。也有許多學者針對煤礦的具體水文地質(zhì)條
件， 提出具體的防治措施[8 。但有些理論被現(xiàn)
場工作人員使用起來很不方便， 且煤礦防治水工
作事關重大， 導致現(xiàn)場人員對某些理論不敢輕易
m
．
三 m
第11期 尹會永，等：高承壓含水層上煤層安全開采技術探討 75
采納，也對一些新理論在現(xiàn)場的應用起到一定的
限制作用。當前，現(xiàn)場工作人員還是主要以國家、
煤炭管理部門頒發(fā)的規(guī)程、規(guī)定為主要依據(jù)，制
定相應防治水方案、技術。
目前，隨著北方東部地區(qū)的煤礦開采時間的
加長， 淺部所剩煤炭儲量越來越少，越來越多的
礦井進入深部開采。煤層底板奧灰含水層水壓隨
著開采深度的增加而增加，水壓已達到近12MPa，
其對礦井的威脅性也隨之加大。如何尋找高承壓
水上煤層開采技術并為現(xiàn)場工作人員提供方便、
簡單、實用的指導，也是目前科技工作者的主要
任務之一。
山東省淄博煤田山東瓏山礦業(yè)公司已開采多
年，主要開采太原組1O煤。因淺部10煤基本回采
完畢，今后礦井將要開采礦井北部的一890m水平
的1O煤區(qū)域， 此區(qū)域奧灰水壓高， 最大達到l1．5
MPa，而且水文地質(zhì)條件較為復雜。如何減少底板
奧灰突水概率，研究深部開采水害防治措施， 保
障深部高承壓水上lO煤的安全開采，是瓏山礦業(yè)
公司面臨的主要任務。本文針對瓏山礦業(yè)公司的
地質(zhì)、水文地質(zhì)條件， 以實用為目的，結(jié)合“下
三帶” 防治水理論，提出深部10煤承壓水上安全
開采技術，指導礦井安全生產(chǎn)。
l 礦井概況
山東瓏山礦業(yè)有限公司位于山東淄博市博山
區(qū)夏家莊鎮(zhèn)，地形南高北低， 地形標高為+165～
4-250m。礦井生產(chǎn)能力為30萬t／a，開采標高
十70～ 一900m 。
礦井含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二迭系下
統(tǒng)山西組，可采煤層為石炭系太原組7、9、10煤，
目前主要開采1O煤。井田內(nèi)發(fā)育大、中型斷層，構(gòu)
造復雜程度屬于中等復雜程度。主要含水層為第四
系潛水含水層、基巖風化帶、山西組砂巖含水層、
太原組薄層石灰?guī)r及砂巖、本溪組徐家莊灰?guī)r、奧
陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層，其中對10煤開采有影響
含水層為底板徐、奧灰?guī)r溶含水層。
2 井田深部水文地質(zhì)條件
井田深部區(qū)域指10煤底板標高為一650～
一900m范圍，面積約2．5kin 。地面標高4-177～
+252m，10煤開采深度達到800～1152m。目前，
礦井已施工130皮帶下山、130軌道下山至一890m
深度，并形成排水系統(tǒng)。
該研究區(qū)內(nèi)共發(fā)育3條規(guī)模較大的正斷層， 已
由多個工作面、巷道控制， 控制程度較高。另外，
在巷道掘進、工作面開采過程中， 也發(fā)現(xiàn)較多的
小斷層，落差在0～3m左右。研究區(qū)一900m標高
巖漿巖較發(fā)育， 東部在41號、47號鉆孔、三節(jié)西
一上山、下山處也揭露巖漿巖發(fā)育。該區(qū)10煤較
穩(wěn)定，厚度約為1．5m， 除深部被火成巖局部侵蝕
和局部變薄外， 全區(qū)大部分可采， 可采系數(shù)77 。
影響1O煤開采的主要含水層， 主要為徐家莊
灰?guī)r和奧陶系灰?guī)r。徐灰在研究區(qū)的淺部有兩層，
厚度從10 II1左右由深部向淺部逐漸減小。深部徐
灰只有一層， 厚度較小， 水量較小， 水壓較大，
鉆孔未發(fā)現(xiàn)涌、漏水現(xiàn)象， 富水性較差。奧灰在
研究區(qū)內(nèi)富水性不均一，水壓高，井下鉆孔均出
現(xiàn)奧灰涌水現(xiàn)象，水量25．5～90m。／h， 是威脅1O
煤安全開采的最主要含水層。奧灰水位標高為
4-84～4-167m，高程相差較大。根據(jù)鉆孔資料可
知， 奧灰在頂面以下20m范圍內(nèi)富水性較弱，是
深部開采的有利條件。
1O煤與奧灰的間距在研究區(qū)內(nèi)為76．76～
119．76m， 平均92．36m， 向深部逐漸增加。巖性
主要為黏土頁巖、砂質(zhì)頁巖、細砂巖、砂質(zhì)黏土、
灰?guī)r、雜色頁巖、煤層等組成。
研究區(qū)突水系數(shù)為(0．1136~0．1437)MPa／m，
均大于正常地段的臨界突水系數(shù)，存在奧灰突水
危險。因此，需要選擇合適安全開采技術，實現(xiàn)
高承壓含水層上10煤的安全開采。
3 高承壓水上10煤安全開采技術分析
3．1 底板注漿改造可行性分析
煤層底板注漿防治水技術是對煤層與有突水
危險的含水層之問可注巖層進行注漿，增加其阻
隔水性能，達到承壓水上安全開采的目的。因此，
此技術前提：一是需要有可注巖層，二是巖層穩(wěn)
定且具有一定的厚度。研究區(qū)10煤與奧灰含水之
問發(fā)育一層厚度較薄的徐家莊灰?guī)r，為巖溶含水
層，但該灰?guī)r厚度變化較大，厚度為3．5～0．6m。
因此，其穩(wěn)定性不符合注漿要求。另外，其富水
性較差，表明此區(qū)域徐灰?guī)r溶發(fā)育程度較低， 溶
隙發(fā)育較差，容漿性能較差。由此可見， “中間
層” — — 徐灰的可注性較差。而且， 在章丘、淄
博等地也未有成熟的煤層底板注漿改造含水層的
經(jīng)驗。因此，該研究區(qū)內(nèi)10煤底板不具備注漿改
造的可行性。
3．2 疏水降壓可行性分析
疏水降壓是對威脅礦井安全生產(chǎn)的主要充水
含水層水， 通過專門的工程和技術措施在人工受
控的條件下進行超前預疏干或疏降水壓， 進而減
少或消除其在礦井建設和生產(chǎn)過程中對礦井安全
中國礦業(yè) 第2O卷
的威脅_】 。影響10煤開采的主要含水層為徐灰和
奧灰，其中最主要的為奧灰含水層，奧灰涌水量
較大，水壓高，水位較穩(wěn)定，而且奧灰厚約800m，
屬巖溶裂隙含水層， 含水性強， 為煤系各含水層
最大補給來源，具有區(qū)域聯(lián)系性，不是封閉的水
文地質(zhì)單元， 以動儲量為主。因此， 該井田不具
有疏水降壓的可行性。
3．3 改革采煤方法
通過以上分析，正?；夭煞椒ㄔ谏畈繀^(qū)域煤
層開采適用性不強， 因此，需改革采煤方法， 實
現(xiàn)1O煤的安全開采。通過改革采煤方法，達到減
小底板破壞深度的目的。長壁工作面充填開采，
成本太高，對本礦井不宜采用。可通過降低工作
面開采寬度的方法達到目的，而且淄博煤田其他
礦井也有條帶開采成功的經(jīng)驗， 為克服煤層底板
徐、奧灰水害提供了寶貴的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)。因此，
在深部區(qū)域開采時，首選條帶開采方法。
4 高承壓含水層上煤層安全開采技術一條帶開采
技術
以往條帶開采方法的研究主要集中力學分析、
礦山壓力、數(shù)值模擬研究等方面，本文以煤層底
板防治水“下三帶” 理論為指導， 對不同開采深
度下的煤層底板破壞深度、底板阻水帶厚度進行
研究，探討條帶開采寬度，為現(xiàn)場技術人員提供
一種簡便、實用的計算方法。
研究表明， 煤層底板破壞深度與工作面開采
寬度關系較大[ ]，可利用條帶開采方法減少煤層
底板破壞深度， 增加煤層與奧灰含水層問隔水層
的有效厚度。條帶開采是在開采范圍內(nèi)，沿一定
的方向劃分條帶， 采出一條， 保留一條， 相間
排列。
4．1 開采寬度計算
根據(jù)“規(guī)程” 】列提供經(jīng)驗公式計算底板破壞深
度， 即：
h1—0．0085H+ 0．1665d+ 0．1079L一4．3579 (1)
式中：h 為采場底板破壞深度，m；H 為采深，取
值范圍為9O0～ 1150m； 為10煤傾角，取12。；L
為條帶開采寬度，rn。
根據(jù)式(1)，計算不同條帶開采寬度情況下
的底板破壞深度。
根據(jù)薄板理論口 ， 底板巖層阻水帶厚度的計
算公式為：
+ 2A (P — rh )S 一y
AS1 (2)
式中： 為底板阻水帶厚度，m；h 為采場底板破
壞深度， m； )，為底板巖層評價容重， 取
0．026MN／m。；P為作用于該區(qū)底部的水壓，取值
范圍為9．0M～11．5MPa；S 為底板巖體抗拉強度，
一般取巖石抗壓強度的0．15倍，MPa；
1 9 r 2
A 一—_—_== 蘭蘭=-—． (3)
L；f~／L 4-3L 一L 1
式中：L為壁式工作面斜長，m；L 為沿推進方向
工作面老頂初次來壓步距，取25m。
根據(jù)式(2)，計算不同工作面斜長、不同采
深(即水壓)條件下所需底板巖層阻水帶厚度。
因以往施工的鉆孔中未發(fā)現(xiàn)奧灰存在導高現(xiàn)
象， 因此原始導高帶高度為零。
開采寬度要綜合考慮隔水層真實厚度(W)、
底板巖層阻水帶厚度(h )和底板破壞深度
( )。在正常情況下， 只要滿足
W > 矗 4- h (4)
則可以認為開采是安全的。
但考慮到煤層底板為損傷巖體，可增加一個
損傷系數(shù)，則式(4)變?yōu)椋?
(w × D)> h 4- h2 (5)
式中，D為巖體損傷系數(shù)，D一0．7；其余同前。
10煤至奧灰平均間距為92．36m， 根據(jù)式
(1)、式(2)、式(3)和式(5)確定不同采深條
件下采用的開采寬度，見表l。
表1 不同采深條件下10煤安全開采寬度
采深／m 900 950 1000 1050 1100 1150
開采標高／m 一650 —700 —750 —800 —850 —900
開采寬度／m 50 45 45 40 40 35
4．2 煤柱留設寬度計算
煤柱留設寬度的原則為，該留設寬度的煤柱
能承受的極限荷載比煤柱實際承受的荷載大，保
證煤柱的安全系數(shù)大于1。
對于條帶開采，忽略煤柱兩端的邊緣效應_】 ，
煤柱能承受的極限荷載公式為：
Pl一47H (a一4．92M H × 10 ) (6)
式中：P 為煤柱承受的極限荷載值，N／m；a為
煤柱的留寬，ITI；g為上覆巖層的重力密度，
N／m；H 為采深，rn；M 為采厚，rn。
Wilson(1970)認為，上覆巖層的重量并非完
全由煤柱承擔口 ， 冒落在采空區(qū)的巖石同樣也承
擔一部分上覆巖層的重量。采空區(qū)承擔的載荷量
與采空區(qū)內(nèi)各點頂板閉合量有關， 即采空區(qū)垂直
應力與距煤壁的距離成正比， 當該距離達到0．3H
時， 采空區(qū)垂直力恢復到原始荷載。
第11期 尹會永，等：高承壓含水層上煤層安全開采技術探討
P 一47EHa+ b(2H 一 )] (7)
式中，P 為煤柱承受的極限荷載值，N／m；b為
采出條帶寬度，m；其余同前。
保證煤柱實際承受的荷載要小于極限荷載，
安全系數(shù)K≥1．6， 即
Pl≥ 1．6P 1 (8)
＆ ≥ (19．68M H × 10 + 1．66一 ) (9)
據(jù)式(9)可得不同采深、不同開采寬度條件
下煤柱的留設寬度，見表2。
表2 不問采深、采寬條件下煤柱的留設寬度
采深／m 900 950 1000 1050 1100 1150
開采寬度／m 50 45 45 40 40 35
煤柱留設寬度／m 43 41 42 39 40 37
5 高承壓含水層上l0煤安全開采水害綜合防治
措施
5．1 進一步探查1O煤底板水文地質(zhì)條件
在采區(qū)和工作面開拓巷道形成后，要對每條
巷道進行底板水文地質(zhì)條件探查。采用先進的物
探手段圈定徐、奧灰富水區(qū)域，探查徐、奧灰富
水程度，為探防水工作提供可靠依據(jù)；對隱伏構(gòu)
造進行探查。對探測異常區(qū)進行打鉆驗證；對物
探無富水異常的區(qū)域，也要適當打鉆探查煤層底
板隔水層厚度及其巖性組合情況。
5．2 留足斷層防水煤柱
開采過程中，采取措施防止斷層帶突水，對
斷層進行詳細探查，探查其富水性、導水性。對
落差較大的斷層(落差大于5m)，嚴格按規(guī)定計算
留設足夠的防水煤柱，防止開采引起斷裂構(gòu)造重
新活動誘發(fā)突水；對采掘工程揭露的小斷層(落
差小于5m)，如果發(fā)現(xiàn)有導水跡象，要計算留設足
夠的防水煤柱。巷道穿越斷層時，應采取有效支
護和防治水措施，避免斷層出水或滯后出水。
5。3 進一步完善礦井排水系統(tǒng)
目前，礦井排水能力能滿足目前排水需要。但
考慮到本礦井為受水威脅礦井，應進一步完善排水
系統(tǒng)，增強礦井抗災能力。水泵、水管、閘閥、排
水用的配電設備和輸電線路，應當經(jīng)常檢查和維護。
在每年雨季前，應當全面檢修1次，并對全部工作
水泵和備用水泵進行1次聯(lián)合排水試驗，發(fā)現(xiàn)問題，
及時處理。水倉、沉淀池和水溝中的淤泥，應當及
時清理；每年雨季前，應當清理1次。
6 結(jié)論
山東瓏山礦業(yè)公司深部1O煤開采，主要威脅
含水層為徐、奧灰含水層，其中奧灰富水性較強，
水壓高，突水危險性大。正常開采條件下， 該礦
井不具備底板注漿、疏水降壓條件， 通過改革采
煤方法一條帶開采，可減少底板破壞深度，保證
底板隔水層的隔水性能。除此之外，還需要進行
探查底板含水層水文地質(zhì)條件、留設斷層保護煤
柱和進一步完善排水系統(tǒng)等綜合防治水措施，增
強礦井綜合抗水災害能力，實現(xiàn)深部10煤高承壓
含水層上安全開采。 -
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