软岩含水砂砾层下采煤实践.doc

· 软岩含水砂砾层下采煤实践
· 来源：煤炭科学技术 编辑：文静 时间：2008-9-3 10:13:32
     摘　要　总结平庄矿务局五家煤矿二井在软岩含水砂砾层下开采的实践过程及成功经验；利用生产现场实际资料和理论分析，对防水煤岩柱的留设提出了建议。探讨分析了软岩条件下近距离水下安全开采技术的可行性。
　　关键词　软岩　含水砂砾层　开采
　　“三下”压煤在我国探明储量中占有相当的比例。“三下”开采技术在不同的国家、地域和地质条件下均获得实现，但复杂的工程地质问题往往造成“三下”开采安全技术参数难于合理确立，致使开采达不到预期效果。本文通过平庄矿务局五家煤矿二井四区在松软岩层含水砂砾层下开采实践进行总结认识与分析，以期在软岩矿区实现合理的、安全有效的开采有所借鉴。
1　采区地质概况
1.1　矿井地质
　　五家煤矿二井四区位于平庄煤田南端五家矿区中部，呈单斜构造，走向南北，倾向西，倾角8～14°。断层构造极少，落差均小于5m，煤层内有两组倾向斜交节理比较发育，不存在褶曲等其它地质构造，开采地质条件较好(图1)。

图1　矿井开采平面图
　　本区煤系地层属于上侏罗系(J33)，元宝山含煤组，总厚度为70～125m，是一以泥质砂岩、泥岩、细砂岩、煤层为主，以砂质页岩互层、砂岩砾岩为辅的陆相沉积岩系，其可采煤层以复煤层形式赋存，煤中夹矸数量多，单一层厚度小于0.5m，单一煤层最大厚度不足2m。共有4个煤层组可分层对比，其中可采煤层为2个(图2)。煤种牌号为褐煤，煤层内在灰分为19%，发热量为16.74～18.83MJ／kg。

图2　矿井开采剖面图
1.2　水文地质
　　地表属于丘陵河谷地貌，中部有一条季节性五家干河自西向东流过。第四系黄土、泥砂及含水砂砾层覆盖于煤层的顶部，厚度20～50m。含水砂砾层分布于干河河床及两岸，上游薄，下游厚，河床部位较厚，两岸变薄尖灭，厚度0.38～7.65m，平均厚度4.5m(图2)。砾石岩性以变质粗、中岩砾为主，边缘地带常含有粘土，层内含水丰富，并有大气降水直接补给。由于干河与含水砂砾层的存在，形成了具体的、客观的水文和工程地质条件，也是合理、安全技术的开采本区煤炭资源所必须解决的主要问题。
1.3　地质储量
　　依据1984年该区地质及水文地质勘探报告提供地质储量如表1：
表1　五家煤矿二井四区含水砂砾层下地质储量
水　平
储　量／万t
A
B
A+B
C
A+B+C
+520m水平以上
144.06
-
144.06
251.63
391.70
+520m水平以下
225.19
39.85
265.04
266.53
535.56
合　　计
369.25
39.85
409.10
518.16
927.26

2　含水砂砾层下试采
2.1　问题提出
　　1985年由于矿井开采强度过大，实产超过设计生产能力，矿井生产提前萎缩，资源枯竭，生产接续出现了比较严峻的局面。经局矿工程技术人员的广泛论证，认为解放含水砂砾层下压煤，实施顶水开采势在必行，矿务局提请上级主管部门同意后，决定进行试开采，以期测得“三带”高度，确立防水煤岩柱的安全留设。
2.2　试采工作面概况
　　试采工作面选在二井三区的南翼，直接沿6-5煤层底板走向向含水砂砾层下延深，采用走向单一长壁采煤法进行试采，其工作面参数：走向长340m，倾向宽90m，煤层倾角8～15°。地面标高：+607～+628m，回风巷标高+479m，运输巷标高+459m。顶部第四系黄土层厚度39.31～49.49m，含水砂砾层厚0～4.32m。平均实测采高2.59m，涌水量0.49m3/h。勘探结果，试采区砂质泥岩占52.7%，泥岩17%，砂岩21.3%，煤9%。岩层胶结程度差，极软易碎，遇水膨胀，具有软岩特征。
2.3　“三带”高度测试
　　“三带”高度测试，采用采前和采后的钻孔进行物探及冲洗液消耗方法。地震和超声波法委托水电部北京设计研究院物探队进行，无线电波法委托地质部廊房物探所进行，漏失量仪法委托煤炭科学研究总院北京开采所进行，岩样委托煤炭科学研究总院北京开采所进行物理、力学和水理性质测试，其余为本局地质测量队完成。各家分别提出裂高测定的专题资料，工作于1986年11月完成，平庄矿务局提出了综合性报告，并向煤炭科学研究总院北京开采所提出咨询，测试期间进行了实地勘探。本次测试结果详见表2。
2.4　试采及“三带”高度测试评价及结论
　　试采工作面采后形成导水裂隙带，在各种测试方法和手段中均有所显示，其测试方法是有效的，但仍有不完善的地方，有待进一步的研究和发展，以期达到更好的效果。
　　综合分析测试的最后结果(表2)，选择导6孔冲洗液消耗法和注水试验30.66m为导水裂隙带高度，裂高与采高的比值按平均采高2.59m计算为12，其值较为合理，安全系数较大，为此确定五家煤矿二井含水砂砾层下开采上限为+520m水平(留设防水煤岩柱40m)，可分两幅均匀采出，最大累计采高不得大于4m。
表2　试采工作面导水裂隙带高度测试结果汇总
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测试钻
孔编号
采高
／m
钻孔位置与巷道采边关系
测试方法
导水裂隙带
冒　落　带
距回采
起点／m
测试时距
采边／m
距巷道
中心／m
孔深／标高
导水裂隙
带高度／m
导水裂隙带
高与采高比
孔深／标高
冒落带
高度／m
冒落带
高度与
采高比
导1
-
29.0
21.0
钻孔距
回风巷
方31m
①无线电波法
103.2／+504.394

②地震法双孔测试
97.0／+510.594

③超声波测井法
101.0／+506.594

导2
2～
2.59
31.0
17.0
钻孔位
于采面
中间
①冲洗液消耗量及注水
101.1／+507.006
24.74
12.31～9.55
121.82／+485.602
3.34
1.29
②无线电波法
95.8／+512.306
30.04
15.03～11.60

③地震法双孔测试
104.0／+504.106
21.84
10.92～8.34

④超声波测井法
106.0／+502.106
19.84
9.92～7.66

导3
-
35.0
15.0
钻孔距运
输巷下
方25m
①无线电波法单孔
未测到

②超声波测井

导5
2～
2.59
62.0
46.0
钻孔位
于工作
面中间
①冲洗液消耗量及注水
116.57／+494.262
18.627
9.32～7.19

②钻孔流量仪观测
107.1／+503.732
28.097
14.05～10.85

③无线电波法
88.0／+522.832
46.685
23.34～18.03

④地震波单孔测试
98.0／+512.832
37.197
18.06～14.37

⑤超声波测井
107.5／+504.332
28.70
14.35～11.05

导6
2～
2.59
62.0
48.0
钻孔位
于回风
巷内侧
12m
①冲洗液消耗量及注水
90.4／＋512.10
30.66
15.3～11.84
115.568／+486.155
47.16
1.82
②钻孔流量观测
93.1／+509.40
28.73
14.37～10.09

③无线电波法
82.3／+519.80
39.13
19.57～15.11

④地震波单孔测试
98.0／+504.50
23.83
11.92～9.20

⑤地震波双孔测试
97.0／+505.50
24.83
12.42～9.59

⑥超声波测井
94.5／+508.00
27.53
13.67～10.65

　　注：试采工作面的导水裂隙带最大高度采用导6孔冲洗液消耗量及注水试验测试结果为30.66m，裂高与采高比如采高2m，则为15.3，如采高为2.59m，则为11.84。
3　含水砂砾层下试采
　　采区开拓选择了沿煤层走向开掘水平集中运输巷和总回风巷，采用倾斜长壁法，实行仰斜开采机采工艺，由北向南分成10个条带(其中第5，6两个条带被地方白灰厂所压，不予开采)，为避免开采动压影响，进行跳跃式回采(见图1)。
　　开采过程中，河床以北比较顺利，随着向河床部位接近，水文地质条件有所变化，煤层内含水明显增大，断层带亦出现导水象征，采空区集水因没有形成深部泄水巷已直接困扰下一幅及相邻条带的开采，直到最后第10个条带没能开采。开采期间，积累了大量的实际基础资料，前期开采实践为后期生产准备提供了可靠的技术保证，使安全有序的正常开采得以实现。
4　开采上限再认识
　　五家煤矿二井在含水砂砾层下采煤已进入最后时期，通过该区域的试采分析结果以及十几年的开采，对含水砂砾层及其煤系地层围岩的水文、工程地质特征已有了充分认识，突破含水砂砾层下试采所定上限+520m水平开采有待于进一步分析研究和探讨。
4.1　从生产实际资料认识开采上限
　　开采与钻孔证实，本区第四纪松散含水砂砾层呈双层结构，下层透水性弱于上层，上下含水层之间为亚粘土砾石隔水层，隔水性较好，垂直水力联系不畅通，地下水以水平运动为主，具有上强下弱的富水规律。河床部位赋水丰富，向两岸逐渐减弱，松散含水砂砾层与基岩界面无底粘土层赋存，对水下采煤造成不利条件。煤系基岩层属于复合岩体，其泥岩、砂质泥岩属于典型的软弱岩层，水理性质明显，遇水极易膨胀、崩解、泥化。据507孔煤系地层抽水试验：涌水量q＝0.01535L/(m.s)，渗透系数K＝0.0716m/d，K值远小于1，为良好隔水层。由于处于上覆整体移动带的这些基岩体，属于膨胀软弱复岩，具有可靠的塑性及隔水性能，也就决定了破坏的的连通裂隙存在时间短暂性、抗裂性。这些松软岩层特有性质，为在其下进行顶水开采，防水煤岩柱的留设造成了极有利的条件，根据该区十几年安全开采情况，其开采上限可在采取一定安全技术措施的基础上上提一定水平开采。
4.2　理论分析开采上限
　　实验测得煤系地层交互沉岩体饱和吸水率为15%～40%，一般在30%左右(已大于岩石的塑限)。塑性指数为10%～20%，当岩石的塑性指数大于17%时，岩层的隔水抗裂性较好，具有遇水膨胀泥化成软塑状态，起良好的隔水作用。
　　根据有关岩石等级划分理论，单轴抗压强度R为10～20MPa属于软弱岩，R小于10MPa就为极软弱岩，本区试样试验平均为4.5～9.6MPa，属于极软弱岩。以《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》公式可计算导裂带高度。
软岩下限公式：
式中　H——导水裂隙带高度；
∑M——累计采厚。
极软弱岩公式：
　　按累计平均采高4m代入上两式进行计算分别为H＝19.0m及H＝18.3m，其导裂带高度与试采报告采高2.59m，裂高30.66m，相差甚远。
4.3　对开采上限重新评价
　　通过上述生产实际显示及理论分析计算，该区含水砂砾层下开采留设安全煤柱过大，在现有条件下可提高上限10m开采，若采取有效的安全技术措施，开采上限仍有提高的可能性。
5　结　语
　　五家煤矿二井在含水砂砾层下开采，历经试采与正式开采两个阶段，共采出煤炭50多万t，延长矿井有效服务年限7a，达到了预期效果，获得成功。通过这次实践的总结与分析，认为开采程序比较科学与合理，各项安全技术措施比较到位，充分利用了现有开采技术手段，是“三下”开采，尤其是特定软岩条件下近距离顶水开采，完成了一次实践与认识的过程。
　　松软岩层含水砂砾层下采煤，其防水煤岩柱留设至关重要，开采过程中所采取的安全技术措施起决定性作用，开采过程中技术资料的获取积累再充分运用到开采当中去，也是实现水下采煤的重要保证。
　　本区现有具体条件下开采留设防水煤岩柱，呆滞煤炭储量可观，部分煤量可以前面分析结果为依据，以预防泥砂为重点留设煤岩柱，利用现有开采技术手段进行开采或采用其它更为先进的开采工艺，应该实现再次局部开采是可能的。
作者简介：范广忱　1961年生，1983年毕业于北京煤炭工业学校煤田地质专业，1992年毕业于阜新矿业学院采矿工程专业，现任平庄矿务局五家煤矿副总工程师。一直从事技术及管理工作，发表论文3篇。地址：内蒙古赤峰市，邮码：024076。
作者单位：内蒙古赤峰市平庄矿务局