厚松散冲积层下防水煤柱的留设方法

1、.厚松散冲积层下防水煤柱的留设方法第2期2010年6月水力采煤与管道运输HYDRAULICCOAL1VIINING&PIPELINETRANSP0RTAT10NNo.2Jun.20l0厚松散冲积层下防水煤柱的留设方法安秀清(开滦钱家营矿业公司,河北唐山063301)摘要:为了合理确定厚冲积层下开采时防水煤岩柱的高度,以开滦钱家营矿业公司八采区287l西工作面为例,对松散冲积层厚度与防水安全煤岩柱高度的关系进行了综合分析,定义了"松散含水层透水系数"的概念,提出了厚松散层条件下的防水安全煤岩柱留设方法.该方法的应用使287l西工作面防水煤柱降低约13.0m,实

2、现了煤柱的合理留设.关键词:冲积层煤柱导水裂隙带中图分类号:TD823.83文献标识码:B文章编号:10060898(2010)020067030前言钱家营矿业公司地层结构显着特点是第四纪松散冲积层厚度大,例如在八采区松散层的厚度达到460m以上.钱家营矿区的松散冲积层可以划分为4个含水层和4个隔水层,其中含水层往往是细砂层或者是粗砂层,含水丰富.而隔水层是粘土层或亚粘土层,平面分布不够稳定,有的区域缺失.冲积层底部为第四含水层,对浅部煤层的安全开采构成威胁,必须留设防水安全煤岩柱.在建筑物,水体,铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程("三下采煤规程")和煤矿测量规程中,对

3、防水安全煤岩柱的留设尺寸有着明确规定.开滦矿区针对矿区自身的特点,结合矿井水文地质规程于1989年制定了开滦矿务局矿井水文地质及防止水工作细则("细则"),多年来开滦矿区一直按该细则留设含水冲积层下采煤的防水安全煤岩柱.在留设含水冲积层下采煤的防水安全煤岩柱问题上,该细则与"三下采煤规程"的主要差别是:"细则"中提出"松散层底部粘土层厚度小于累计采厚和无粘土层,当冲积层厚度大于200m时,冲积层厚度每增加10m,保护层的厚度Hb要增加1m抗水压厚度".在厚冲积层条件下,与"三下采煤规程"相比,开

4、滦矿区的"细则"偏于安全与保守.对钱家营矿业公司这种巨厚冲积层的矿井,就要多留设大量的防水安全煤岩柱,致使煤炭资源损失严重.如何更科学合理地留设防水安全煤岩柱,在既保障开采安全的条件下,又不造成煤炭资源的浪费,这就提出"厚松散冲积层下防水煤柱留设方法"的问题,该问题初步研究工作具体落实为钱家营矿业公司八采区2871西综采工作面开采上限的确定.12871西综采工作面地质条件2871西综采工作面位于八采区西翼,开采7层煤,工作面煤层埋深544663m.工作面走向长平均1650m,倾斜长208m,煤层平均厚度4m,地质储量约192.2万t.在2871西综采面开

5、切眼端上顺槽处,与冲积层防水煤柱相邻.该冲积层防水煤柱是按照细则划定的,防水煤柱高度在切眼上口处为88ITI.工作面顶板为砂岩裂隙含水层,上覆煤5不可采,煤5顶板含水层含水丰富,目前水位一441nl,对煤7顶板水补给充分,工作面所承受煤5顶板含水层最大水压1.98MPa,煤5顶板含水层水是该工作面主要充水水源.2工作面覆岩导水裂隙带高度观测采用井下仰斜钻孔实测的方法,选用2871西邻近工作面1672东作为导高观测点.1672东综采面覆岩导水裂隙带上界面为5煤层底板.实测结果1672东综采面导水裂隙带高度H,i=39.77m一40m.该观测剖面处煤层采厚为2.83.2m,平均采厚为3.0m,所以

6、导水裂隙带高度是采厚的13.3倍.3松散冲积层厚度与防水安全煤岩柱高度的关系3.1防水安全煤岩柱的地层结构力学模型672010年6月水力采煤与管道运输第2期力学模型如图1所示.松散冲积层为"四含三隔"结构,厚度为h.,四含水头高度为h.煤层为缓倾斜,导水裂隙带高度为H¨保护层厚度为H,防水安全煤岩柱高度为H.图1防水安全煤岩柱地层结构力学模型3.2防水安全煤岩柱阻隔水性能影响因素对于图2所示的地层结构力学模型,当煤层倾角较小时,则煤柱长度很大.例如钱家营矿业公司八采区的条件,煤层倾角l4.一21.,则所留设的煤柱长度L是岩柱高度H的3.42倍,若取H=56m,则L

7、=191.52m.所以煤柱具有良好的稳定性,不可能失效成为突水通道.那么,对于图2所示的模型,冲积含水层的涌水途径就只有导水裂隙带.导水裂隙带是否会成为涌水途径,则完全取决于基岩保护层(厚度为H)的阻隔水能力.3.3松散层厚度与防水安全煤岩柱高度的关系首先,根据图3所示的模型,防水安全煤岩柱的阻隔水能力仅与基岩保护层厚度H有关,与其它因素,如松散层的总厚度无关.其次,在"三下开采规程"中的附录六,近水体采煤的安全煤岩柱设计方法,给出的导水裂隙带高度H预计公式和保护层厚度H计算公式,Hi和H也仅考虑覆岩岩性的强弱,煤层的开采厚度以及松散冲积层底部是否有隔水层,所以,在&quo

8、t;三下采煤规程"中导水裂隙带高度和保护层H这两个参数的大小也是与松散层的总厚度无关的.另一方面,当松散层很厚时,松散层的最下部含水层段的水压一般就会较大,但是,该水头高度的大小取决于水位高度,与松散层的总厚度并无直接关系.所以,不应该根据松散层的总厚度,加大防68水安全煤岩柱的高度.而是应该根据松散含水层的水头高度h值,适当加大保护层的厚度.3.4厚松散层条件下的防水安全煤岩柱留设方法3.4.1松散含水层透水影响因素缓倾斜煤层条件下,松散含水层透水途径不会是层面方向的上部煤柱,而是上覆岩层的导水裂隙带或断裂破碎带.松散含水层是否透水,与松散层的总厚度并无直接关系,而与含水层的水头压

9、力有关.基于上述认识,厚松散层条件下的防水安全煤岩柱留设,除了按"三下采煤规程"留设保护层厚度外,还应进一步计算保护层厚度与含水层水头压力的比值,根据该比值大小,考虑是否加大和如何加大保护层的厚度.3.4.2松散含水层透水系数对厚松散冲积层,含水层水压较大时,类似于底板灰岩承压水上采煤时的突水系数,定义"松散含水层透水系数"的概念,即松散含水层水压P与保护层厚度h之比称为松散含水层透水系数:Ts=P/h6(1)式中:为松散含水层透水系数,MPa/m;P为松散含水层水压,MPa;h为保护层厚度,m.3.4.3根据松散含水层透水系数检验保护层厚度与底板灰岩承

10、压水上开采一样,松散含水层下开采,也应该存在安全开采的临界透水系数Tso,当Ts<Tso时,开采是安全的,当TsTso时,则存在透水危险.即:Ts=P/h6<Tso(2)现在,尚没有松散层临界透水系数的统计值.但可借鉴底板突水系数的临界值.暂时取Tso=0.1MPa/m.3.4.4高水压时加大保护层厚度的计算方法当TsTso时,应该加大保护层厚度hb.但是,现在尚没有根据松散含水层的水压大小,增加保护层厚度的计算方法,而在"三下采煤规程"中,就没有考虑需要根据松散含水层的水压大小增加保护层厚度.所以,在这里只能进行初步探讨.如果按线性比例加大保护

11、层的厚度,则水压户增大,保护层厚度h成线性增加.计算水压超限值P:2010年6月安秀清:厚松散冲积层下防水煤柱的留设方法第2期P=P一1'so?h(3)计算应增加的保护层厚度Ah:t=(P/0)丁(4)计算保护层总厚度h:h6=h6+Ah6(5)由公式(3)(5)求出的,就是在松散含水层水压超限时,应该留设的保护层厚度.42871西综采工作面开采上限的确定4.1煤柱厚度计算依据根据"三下采煤规程",留设防水安全煤岩柱的目的是不允许导水裂缝带波及水体.其垂高(H)应大于或等于导水裂缝带的最大高度(日)加上保护层厚度(H),如图2.HsH+Hb6图2防水安全煤柱设计图4

12、.22871西综采工作面导水裂隙带高度4.2.1根据矿井水文地质规程预计导水裂隙带高度根据钻孔柱状和岩石力学参数测试成果,八采区七煤层顶板覆岩属于中硬岩层,按采厚M=4.0m,根据矿井水文地质规程中相应公式计算得:=6:一±5.640±5.6(m)164036.×.+.一'一.,.(7)4.2.2根据观测预计导水裂隙带高度2871西综采工作面与1672东综采工作面相距很近,处于同一组上山的两侧,开采的同是7层煤,覆岩地质条件十分接近,所以,可以应用1672东综采工作面的导水裂隙带高度观测成果.2871西综采工作面的采厚为4.0m,所以其导水裂隙带高度预计为

13、:H,=13.3×4.0=53.2(m)(8)4.3保护层厚度的选取2871西综采工作面累计采高M=4.0m,工作面覆岩的松散层底部粘性土层分布不均匀,按"底隔粘土层厚度小于累计采厚",留设防水安全煤岩柱,根据"三下采煤规程"有关公式,则保护层厚度为:H6=4/n=4×4.0/1=l6(m)(9)式中:为累计采厚,m;n为分层层数.4.4保护层厚度验算矿井松散层第四含水层水位hw:一44m,水头高度为417.1m,相当于水压4.2MPa.第四含水层透水系数Ts=P/h=4.2/160.2625lVlPa/m.'.Ts>Tso=0.1MPa/m第四含水层水压超限值P=PTso?h6=4.20.1×16=2.6MPa一1应增加的保护层厚度九=(P/0)=1(2.6/0.1)5.Im最终保护层厚度H=16+5.1=21.1m4.5防水安全煤岩柱的垂高"+H6=