露头区域防水煤（岩）柱设计研究

露头区域防水煤（岩）柱设计研究

刘彬 张立军

沈阳焦煤股份有限公司红阳三矿 111307

摘 要：矿井水害是煤矿生产中非常典型的安全事故之一,矿井防治水工作对维持矿井生产作业正常进行的意义显著。当前,矿井防治水可采取的方法与手段众多,防水煤柱的应用范围尤为广泛。红阳二矿结合实际合理计算红阳二矿西一采区三煤层开采对顶板岩层产生的影响，合理确定防水煤（岩）柱尺寸，保证矿井安全高效开采煤炭资源；准确评估上覆含水岩层对三煤层开采的影响，有效防治矿井水害发生，进而最大限度地充分利用有限的煤炭资源。

关键词：煤矿；煤柱留设；节约资源；

矿井早期根据生产实际需要，优先开采了7煤层以下的煤炭资源，但随着开采工作的不断持续，可采资源紧缺问题也日益凸显出来。根据储量核实报告数据，三煤层资源量为13630千吨，占全矿保有资源量的17%。解决三煤采出问题对于提高煤炭回收率，充分利用矿产资源具有重要意义。因此，对红阳二矿西一采区三煤开采是必要的。

1红阳二矿西一采区概况

西一采区三煤位于红阳二矿西翼-550水平。北起煤层露头线（三煤），南至F19断层，西至井田边界线，东至F19断层保护煤柱线。采区上界至煤层露头，下界至三煤-700米；南北平均长3.5km，东西平均宽0.9km，面积3.15km²。北沙河从井田上方通过，流经矿区9公里。该河终年流水，但流量随季节变化较大。由于红阳二矿井田处于北沙河下游，河道弯曲，治理较差，每到汛期河水猛涨，历史矿井最高洪水位32.40m，对矿井安全有一定威胁。西一采区地层由第四系、侏罗系、二迭系、石炭系、奥陶系地层组成。本区含煤地层为山西组和太原组，地层平均总厚度约228.40m，共含煤14层，其中山西组含煤7层，由上而下层号是1～7号；太原组含煤7层，由上而下层号是8～14号。煤层平均总厚度为9.40m,含煤系数为4.12%。

2采区涌水量预计

采区的涌水量主要来源于岩层裂隙水、断层水，和工业用水。分析多年的生产中有较系统的水文观测资料，选用比拟富水系数法来预计涌水量。即：

式中：Q为采区预计涌水量； 为富水系数；P为采区设计产量。

根据红阳二矿历史数据资料，收集整理了1995年至2004年南翼采区七煤开采数据和排水情况，具体情况见表2-1。

表2-1 采区富水系数调查表

由上表可看出，从1995年至2004年，10年间水文系统观测矿井富水系数为平均0.67m³/t，最大1.10m³/t。西一采区三煤按设计产量每年40万吨，预计计算三煤涌水量。

预计一般涌水量：

预计最大涌水量：

受开采位置、厚度等变化，矿井涌水量可能发生变化，因此，在生产过程中，必须加强水文地质工作及时指导矿井安全生产。

3西一采区三煤露头区域防水煤（岩）柱方案设计

3.1采区下已采煤层影响分析

西一采区三煤层在一定程度上受到了下部煤层开采的影响，7煤、12煤层开采后，上覆岩层垮落、裂缝、弯曲，在一定范围内形成“三带”高度分布空间。三煤层所在高度位于弯曲带内，下部煤层开采对三煤层“三带”高度的影响十分有限，因此，计算西一采区三煤层“三带”高度空间时，不再考虑下部煤层开采产生的影响。

3.2西一采区三煤层露头区域防水煤（岩）柱设计

3.2.1设计方法的选择

三煤层露头区域风化带高度约为10～20m，侏罗系地层超覆于西一采区三煤层露头顶部，由粉砂岩、砂砾岩、砾岩、火山碎屑岩组成，为侏罗系裂隙承压弱含水层。对照以上规定，西一采区三煤层露头均不属于规范所规定情况。

经查阅国内外相关研究，部分学者提出，基岩受风化作用影响，岩块相对较为破碎，强度相对较低，下部煤层开采后，处于垮落带之上的风化岩层会很快均匀地弯曲下沉，采动产生的裂隙能很快压实愈合；同时，风化岩层塑性增强，易于泥化，具有一定的隔水性，进而能够起到抑制导水裂缝带继续向上发展的趋势。

三煤层露头区域防水煤（岩）柱留设的目的就是不允许导水裂缝带波及到上部水体，综合考虑安全开采和资源有效利用等因素，确定西一采区三煤层露头区域防水煤（岩）柱留设高度按 进行计算。

3.2.2三煤层“三带”高度计算

1、确定计算参数

三煤层伪顶板为黑色泥岩，黑色；细腻，含植物化石碎片，性脆，易碎，厚0.6m；直接顶板为灰白色，细砂岩为灰黑色，层面含植物化石，厚4.0m。根据红阳三矿附近采区井检孔试验，顶板砂岩含水率0.99～1.0%，抗拉强度3.64～7.65MPa，抗压强度34.83～49.25Mpa。对比表4-2中的有关参数，确定三煤层覆岩岩性为中硬～坚硬。

三煤层为单一结构煤层，厚度0.37～1.1m，平均厚度0.75m，其直接顶为一定厚度黑色泥岩，初步确定开采厚度为1.2m。因此，计算“三带”高度时，采厚按1.2m计算。

2、“三带”高度计算

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中的有关计算方法及矿井观测总结的经验值，三煤层开采“三带”高度计算结果见表3-1。

表3-1 三煤层开采“三带”高度计算结果

根据以上计算结果，综合考虑西一采区所在区域开采现状及煤层露头区域含水情况，西一采区三煤层开采垮落带最大高度取9.0m，导水裂缝带最大高度取43.8m。

3.2.3确定保护层厚度

综合考虑西一采区三煤层顶板岩性及上覆岩层性质、矿井生产条件和安全开采需要等因素，保护层厚度按7A计算，取8.4m。

3.2.4防水煤（岩）柱高度计算

按照《煤矿防治水细则》附录六的计算公式及防隔水煤（岩）柱不得小于20m的有关要求，计算得到西一采区三煤层防水煤（岩）柱高度为：

3.2.5防水煤（岩）柱边界确定

西一采区三煤层露头区域上覆侏罗系地层，厚度较大，与第四系强含水层之间的距离达300m以上，因此，三煤层露头区域防水煤（岩）柱留设只计算深度边界即可，水平方向根据留柱留设高度投影计算。根据以上计算结果，西一采区三煤层露头区域防水煤（岩）柱高度取49.7m，水平方向留设宽度按剖面投影取值。

根据西一采区内的钻孔资料，在西一采区内布置4条剖面线用于确定露头区域防水煤（岩）柱的水平位置。其中Ⅰ-Ⅰ′剖面沿三煤层倾向方向布置，线上共4个控制钻孔，钻孔数据见表4-2。

表3-2 Ⅰ-Ⅰ′剖面线钻孔数据表

由以上数据分析可知，Ⅰ-Ⅰ′剖面线所在位置三煤层防水煤（岩）柱厚度均不满足要求，因此，工作面布置位置还需向深部延伸。

27-27′、28-28′、29-29′剖面线沿三煤层走向布置，剖面线位置由三煤层浅部向深部逐渐延伸，以上三条剖面线均通过三煤层露头所在区域。具体数据详见表4-3～4-5。

表3-3 27-27′剖面线钻孔数据表

表3-4 28-28′剖面线钻孔数据表

表3-5 29-29′剖面线钻孔数据表

由以上数据分析可知，在27-27′剖面线上，三煤层露头防水煤（岩）柱水平位置应位于437和429钻孔之间；在28-28′剖面线上，三煤层露头防水煤（岩）柱水平位置应位于768和769钻孔之间；在29-29′剖面线上，三煤层露头防水煤（岩）柱水平位置应位于煤层露头线和790钻孔之间；

根据以上煤（岩）柱位置计算可知，在27-27′剖面线上，三煤层露头防水煤（岩）柱水平位置距煤层露头线564m；在28-28′剖面线上，三煤层露头防水煤（岩）柱水平位置距煤层露头线324m；在29-29′剖面线上，三煤层露头防水煤（岩）柱水平位置距煤层露头线351m。

参照垂线法，结合以上计算结果，绘制了西一采区三煤层露头防水煤（岩）柱边界线，绘制结果详见图3-1。

图3-1 西一采区三煤层露头防水煤（岩）柱方案设计图

4结语

对沈阳焦煤股份有限公司红阳二矿西一采区三煤层开采对上覆岩层的影响进行研究分析，进而合理确定防水煤（岩）柱尺寸，确定三煤层露头区域防水煤（岩）柱位置。针对红阳二矿西一采区三煤层合理的开采不仅可避免已开掘巷道的废弃浪费，同时将会解决红阳二矿采区接续紧张的问题，保证矿井可持续发展，具有明显的社会效益和广阔的矿区发展前景从现场观测结果看,煤柱留设合理,巷道变形量在可控制的范围内,保证了生产安全顺利进行,为该矿其他煤柱的留设提供可参考的依据

参考文献

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