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赵固二矿露头区砂砾含水层下安全煤岩柱留设研究

文档作者：许延春，李江华，李卫民，杨扬，罗茗文档来源：中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院		点击数：	更新时间： 2021年10月31日
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第19卷第3期(总第118期)
2014年6月
煤矿 开 采
C0AL MINING TECHN0LOGY
Vo1．19No．3(Series No．118)
June 2014
赵固二矿露头区砂砾含水层下安全煤岩柱留设研究
许延春，李江华，李卫民，杨扬，罗 茗
(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京100083)
[摘要] 赵固二矿煤层隐伏露头区域工作面开采受到新近系下层砂砾含水层的威胁，原设计
中采用分层开采，工作面产量和效率难以提高，经济效益低。通过对现场实测、FLAC 数值模拟以
及对类似地质条件矿井综放或大采高综采的覆岩破坏规律进行分析，选取较大的垮采比和裂采比预计
“两带” 高度，并与综放开采“两带”高度经验公式预计进行对比，采用“最小安全厚度” 法选取保
护层厚度，最终合理确定了防砂和防水安全煤岩柱的高度以及开采厚度。结果表明基岩厚度较薄的区
域可只采顶分层，解放大量浅部煤炭资源，提高采出率；基岩较厚的区域变分层开采为一次采全厚大
采高开采，有利于矿井实现高产高效安全开采。
[关键词] 露头区；砂砾含水层；安全煤岩柱；综放
[中图分类号]TD745．21 [文献标识码]A [文章编号]1006—6225(2014)03-0047-04
Safety Coal and Rock Pillar Design for M ining under Gravel
Aquifer in Outcrop Area of Zhaogu 2nd M ine
xu Yan-ehun，LI Jiang—hua，LI Wei—min，YANG Yang，LU0 Ming
(Resources＆ Safety School，China University of Mining＆Technology(Bering)，Beijing 100083，China)
Abstract：The mining face in coal outcrop area，Zhaogu 2 Colliery，was threatened by gravel aquifer of Neogene System．Slice mining
was selected in former design，but output，eficiency and economic benefit would be limited．By analyzing overlying strata damage rule
with on—the—spot observation and FLAC simulation and referring to full-mechanized caving and large—height mining faces with similar
geological condition，selecting larger caving·to—mining ratio and fracturing—to—mining ratio to predict caving and fracturing height，apply·
ing minimum safe thickness method to selecting protective thickness，rational height of coal and rock pillar for preventing water and
sand，and mining height were obtained．Results showed that only mining top—slice could free large amount shallow coal resource and improve
mining ratio in thin basement area，and mining whole coal-seam with large—mining—height method in thick basement area was ben—
efit for realizing high output and high eficiency of mine．
Keywords：outcrop area；gravel aquifer；coal and rock pillar for safety；full—mechanized caving mining
赵固二矿煤层隐伏露头区域工作面开采受新近
系砂砾含水层的威胁。原《矿井安全专篇》和
《矿井初步设计》中采用综采分层开采，但分层开
采时回采巷道的掘进量大，并需铺设金属网假顶，
回采程序繁琐，从而使采煤成本增大，工作面产量
和效率难以提高，矿井经济效益降低，并且在基岩
厚度较薄的区域难以满足分层开采所需留设的安全
煤岩柱要求。大采高开采可避免以上不足，但大采
高开采覆岩破坏高度与综放开采相似，明显高于分
层综采¨ J。因此，若对大采高开采覆岩破坏规律
进行研究，合理确定安全煤岩柱的留设尺寸，在煤
层隐伏露头区域含水层下，基岩厚度较薄的区域实
现开采顶分层，提高开采上限，最大限度地回收煤
炭资源；基岩厚度较大区域实现由分层开采变为一
次采全高综采(简称“大采高”)，对赵固二矿实
现高产高效安全生产具有重要意义。
1 矿井概况
赵固二矿隶属于焦作煤业集团公司矿井设计生
产能力为1．80Mt／a，全矿井设计可采储量为
139．86Mt，矿井服务年限为55．5a。采用单水平盘
区立井开拓方式。矿井主采二 煤层，开采标高一
500—一1100m。井田总体为一走向北西，倾向南
西，倾角4～10。的单斜构造。东西长约15kin，南
北宽2～5．5km，总面积37km 。
赵固二矿井田属第四系、第三系全覆盖区，顶
板为中硬覆岩类型。据钻孔揭露，东北部隐伏露头
区煤层顶板覆岩厚度薄，松散层下部发育有砾石
[收稿日期]2013—1 1—05 [DOI]10．13532／j．cnki．cnl 1—3677／td．2014．03．013
[基金项目]国家重点基础研究发展计划(973)项目(2013CB227903)
[作者简介]许延春(1963-)，男，河北乐亭人，博士研究生，研究员，博导，研究方向为特殊条件下安全采煤。
[引用格式]许延春，李江华，李卫民，等．赵固二矿露头区砂砾含水层下安全煤岩柱留设研究[J]．煤矿开采，2014，19(3)：47—50．
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总第118期 煤矿 开 采 2014年第3期
层，富含泥质或夹有黏土薄层，呈半固结状态，渗
透率介于含水与弱透水之间。矿井生产受到新近系
下层砂砾石层孔隙水的威胁。
2 安全煤岩柱类型划分
据钻孔资料显示，在井田东部露头区松散层下
部发育有砾石层，厚度1．95～17．13m。抽水试验
得出单位涌水量0．135L／(S·m)，属中等富水
性，对采煤影响较大。但大部分钻孔揭露第三系地
层底部砂砾含水层下分布着稳定的厚层黏土层，最
大厚度达53m。工程特性实验表明，黏土具有较好
的隔水性和差的流动性，对阻隔砂砾石含水层水涌
向工作面十分有利。仅13152钻孔揭露该地层消
失，使得砾石层与基岩风化带直接接触出现“天
窗” 区。13152钻孑L埋深大于600m处岩性特征见
表1
表1 13152钻子L岩性特征表(埋深大于600m)
层厚／m 累厚／m 岩性 层厚／m 累厚／m 岩性
l0．63 587．49 砂质黏土 2．84 722．99 中粒砂岩
76．18 663．67 黏土夹砾石 9．06 732．05 砂质泥岩
17．13 680．80 砾石 1．76 733．81 细粒砂岩
16．65 697．45 砂质泥岩 2．63 736．44 砂质泥岩
3．70 701．15 细粒砂岩 0．15 736．59 煤层
2．94 704．09 中粒砂岩 0．59 737．18 炭质泥岩
4．80 708．89 粗粒砂岩 3．23 740．41 砂质泥岩
1．37 710．26 粉砂岩 6．05 746．46 二l煤
5．98 716．24 砂质泥岩 7．05 753．51 砂质泥岩
0．90 717．14 中粒砂岩 1．50 755．叭 细粒砂岩
3．01 720．15 砂质泥岩 5．24 760．25 泥岩
通过以上分析可知，对赵固二矿煤层隐伏露头
区域开采影响较大的为新近系底层砂砾石含水层。
在13152钻孔位置砂砾含水层厚度较大(厚度大于
10m)且底部缺失黏土层，富水性待进一步探测。
其他为底部分布着稳定的较大厚度黏土层或者薄砂
砾层(厚度小于10m)区域，根据《建筑物、水
体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》
(以下简称“三下采煤规程”)，需留设防砂安全
煤岩柱
3 大采高工作面覆岩破坏高度预计
大采高综采相对于分层综采的开采强度增大，
覆岩破坏高度也将增大。其中覆岩垮落带和导水裂
缝带(以下简称“两带”)发育高度，将直接决
定水体下采煤的安全性和可靠性，准确合理预测覆
岩破坏高度是合理留设安全煤岩柱的前提，是保证
矿井水体下安全采煤的关键。
3．1 “两带”高度的实测
赵固二矿目前未进行“两带”高度的实测，
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而同属赵固矿区且与赵固二矿地质、水文地质和采
矿条件类似的赵固一矿以及其他矿井的“两带”
高度实测数据，对赵固二矿的“两带”发育高度
预计具有直接的借鉴意义。
3．1．1 赵固一矿“两带” 高度实测
根据已有资料和现场条件，赵固一矿在11011
工作面布置“两带”观测钻孔SD一01和SD一02。
钻孔位置见图1，工程量完成情况见表2。
图1 “两带” 观测钻孔位置示意
表2 工程量完成情况
见基揭露测井终孔岩芯 ．T． 岩石
／
深
m ／m
深
度 厚度 ／m度 (。零) 率／％ 挈样／盖组
SD一01 519．84 516．80 3．04 一 一 76．2 5 1
SD一02 547．35 517．10 30．25 543．90 1 一 一 一
通过观测计算得到垮落带高度为13．1 m，按平
均采高3．40m，垮采比为3．85。预测导水裂缝带
的高度大于29．2m，则裂采比大于8．59 E41。
3．1．2 其他矿井“两带” 高度实测
与赵固二矿地质条件相似的兖州兴隆庄矿、大
屯孔庄矿和姚桥矿工作面开采同样受到松散砂砾含
水层的威胁。为防止回采期间工作面发生突水，合
理留设安全煤岩柱，对“两带” 覆岩破坏高度进
行了实测，其大采高开采中导水裂缝带发育高度及
裂采比见表3。
表3 类似地质条件矿井综放和大采高开采裂采比
3．2 覆岩破坏高度数值模拟
基于FLAC 软件，根据赵固二矿11020工作
面地质条件建立数值模型，通过综合分析相关地质
资料，将研究区内岩层按岩性和完整性划分为泥
岩、砂质泥岩、中粒砂岩、顶板黏土、二 煤和灰
岩6个地质互组岩层，由上至下划分为17层，岩
层及厚度见表4。赵固二矿煤层为近水平煤层，工
作面采用走向长壁布置。为了计算方便对模型进行
了简化，用施加应力的方法来代替上覆部分岩层，
模型长600m，宽180m (工作面斜长)，高229m。
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总第118期 煤矿 开 采 2014年第3期
根据不同开采方法对覆岩破坏的不同影响，以及工
作面采煤设备的参数，选择以下开采方案：
方案一 基岩柱厚度较大的区域，一次采全
高，工作面产量高，易实现高产稳产。采高为
6．77m (最大煤厚)、6．16m (平均煤厚)、5．0m
(最小采高)3种情况。
方案二基岩厚度薄的区域，限厚开采，只采
顶分层，尽可能回收煤炭资源，同时降低覆岩破坏
高度，顶分层采高3．50m。
4．2 安全煤岩柱留设
通过对比类似矿井“两带” 高度实测和数值
模拟结果可看出，两者的垮采比和裂采比相接近。
采用垮采比3．85，裂采比13．5和经验公式预计赵
固二矿覆岩破坏垮落带高度，并选取较大值。
由于大采高综采一次采全厚，采出煤厚较大，
采用综放开采条件下保护层留设和评价的“最小
安全厚度法”，保护层部分由风化带构成岩性较
软，取大采高开采保护层厚度为2．8A (A为采
高) j。只采顶分层时，安全起见，防砂安全煤岩
柱保护层厚度取3A，防水安全煤岩柱保护层厚度
取6A 。
最小防砂安全煤岩柱厚度为垮落带高度与保护
层厚度之和，最小防砂安全煤岩柱厚度计算结果见
表6。
表6 最小防砂安全煤岩柱厚度
为保证开采安全，取各开采方法较大防砂安全
煤岩柱和防水安全煤岩柱厚度。由表6可看出，留
设防砂安全煤岩柱区域中，在基岩柱厚度大于54m
区域采用大采高(采高6．77m)一次采全高；在
42～54m区域采用大采高(采高5m)一次采全
高；在30～42m区域只开采顶分层(采高3．5m)；
根据矿井实际情况小于30m的区域不予开采。
●
●
●
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·◆ IIII,● ,11,◆ ,11i,．e -fill,● ,l
如果13152钻孔附近区域经探测表明达到中等
富水性，则按防水安全煤岩柱留设，防水安全煤岩
柱厚度为导水裂缝带高度与保护层厚度之和。
13 152钻孑L的基岩柱厚度=煤层埋深一松散层厚度=
740．41—680．8=59．61(ITI) (参见表1)，取导水
裂缝带高度为13．5A，保护层厚度取6A，则防水安
全煤岩柱厚度H h=13．5A+6A=19．5A≤59．61FI1，
计算得出安全采高为3．05m。由13152钻孔资料可
知二 煤厚度为6．05m，则在13152钻孔附近区域
需限厚开采，采高最大为3m。
5 结论
(1)通过对比分析类似地质条件矿井“两带”
高度现场实测和数值模拟结果，选取实测数据垮采
比3．85，裂采比13．5预计赵固二矿露头区覆岩破
坏“两带”高度，并与综放开采“两带”高度经
验公式预计进行比较，选取较大值。采用合理的方
法选取保护层的厚度，最终确定了防砂和防水安全
煤岩柱的高度。
(2)通过对安全煤岩柱的分析研究，得出基
岩较薄的区域可实现只采上分层，解放出大量的浅
部煤炭资源，提高采出率；基岩较厚的区域可变分
层开采为一次采全厚大采高开采，使得开采强度增
加，采煤成本降低，有利于矿井实现高产高效安全
开采。
[参考文献]
[1]刘涛．厚煤层大采高综采技术现状[J]．煤炭工程，2002，
34 (2)：4—8．
[2]申宝宏，孔庆军．综放工作面覆岩破坏规律的观测研
究[J]．煤田地质与勘探，2000，28(5)：42-44．
[3]国家煤炭工业局．建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设
与压煤开采规程[S]．北京：煤炭工业出版社，2000．
[4]许延春，李振华，贾安立．深厚松散层薄基岩条件下覆岩破
坏高度实测分析[J]．煤炭科学技术，2010，38(7)．
[5]许延春，李俊成，刘世奇，等．综放开采覆岩“两带” 高度
的计算公式及适用性分析[J]．煤矿开采，2011，16 (2)：
4-7．
[6]武强，赵苏启，董书宁，等．煤矿防治水手册[s]．北
京：煤炭工业出版社，2013．
[7]许延春．综放开采防水煤岩柱保护层的有效隔水厚度留设方
法[J]．煤炭学报，2005，30 (3)：305-308．
[责任编辑：张玉军]
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