卜萬奎

（菏澤學(xué)院，山東省菏澤市，274015）

潘謝礦區(qū)Ⅰ、Ⅱ型水體下防水煤巖柱留設(shè)探討＊

卜萬奎

（菏澤學(xué)院，山東省菏澤市，274015）

在研究淮南礦區(qū)煤田地質(zhì)勘探工程的基礎(chǔ)上，查明了巨厚松散層的水文工程地質(zhì)條件，通過對(duì)比分析潘謝礦區(qū)巨厚松散層的巖性組合，將謝橋含水層的紅層劃分為隔水層；提出了在I、II型水體下存在下滲帶的觀點(diǎn)，分析了壓架出水原因和防范技術(shù)措施，為確定潘謝礦區(qū)回采上限提供了科學(xué)依據(jù)。

巨厚松散層 紅層 下滲帶 煤巖柱留設(shè) 潘謝礦區(qū)

淮南礦區(qū)內(nèi)第四系松散層厚169～437m，為巨厚松散強(qiáng)含水層，下部含水組直接與基巖面接觸，局部為薄黏土層，富水性強(qiáng)、水量大。為保證安全開采，該礦區(qū)根據(jù)淮河南岸老區(qū)急（緩）傾斜煤層開采經(jīng)驗(yàn)，強(qiáng)制要求各煤礦在開采設(shè)計(jì)時(shí)留設(shè)80m防水煤巖柱，造成近6億t煤炭資源無法開采。因此，為提高礦區(qū)回采率，迫切需要對(duì)該礦區(qū)內(nèi)防水煤巖柱留設(shè)的問題進(jìn)行研究。

本文在大量試驗(yàn)和開采的基礎(chǔ)上，依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要巷道煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》對(duì)潘謝礦區(qū)水體進(jìn)行了劃分和分析，以期為潘謝礦區(qū)提高開采上限提供參考。

1 水文地質(zhì)條件特征

1.1 潘集礦區(qū)新生界松散含（隔）水層賦存特征

淮南煤田潘集礦區(qū)自新生界以來一直處于構(gòu)造沉降帶，形成了較厚的松散沉積物。該沉積物受古地形、沉降差異和新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的控制，土性復(fù)雜。根據(jù)巖性組合特征及區(qū)域?qū)Ρ纫?guī)律，謝橋礦區(qū)由上至下劃分為上部含水組、上部隔水組、中部含水組、中部隔水組和底部“紅層”，根據(jù)沉積物特征和賦水狀況，潘集礦區(qū)內(nèi)新生界含水層可分為下、中、上三個(gè)含水層（組）和上、中兩個(gè)區(qū)域隔水層（組），見表1，其中下部含水層（組）是當(dāng)前潘集礦區(qū)礦井開采的直接充水含水層，該層（組）沉積厚度分布、巖性組合、富水性等條件直接影響著礦區(qū)淺部煤層的開采。

1.2 謝橋礦區(qū)新生界松散含（隔）水層賦存特征

謝橋礦區(qū)松散層厚度194.10～485.64m，平均厚度363.26m；總體呈南薄北厚的趨勢(shì)。南部古地形起伏明顯，根據(jù)沉積規(guī)律和區(qū)域?qū)Ρ?，以及《謝橋井田煤系上覆第三系“紅層”隔水性評(píng)價(jià)補(bǔ)勘驗(yàn)證報(bào)告》重新對(duì)以往的劃分作了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，可大致分為上部含水層（組）、上部隔水層（組）、中部含水層（組）、中部隔水層（組）及底部“紅層”5部分，如表2所示。

表1 潘集礦區(qū)第四系含水組特征

表2 謝橋礦區(qū)第四系含水組特征

1.3 潘謝礦區(qū)新生界含、隔水層對(duì)比

淮南礦區(qū)松散層覆蓋面積近532.51km2，可劃分為潘集背斜區(qū)、謝橋背斜區(qū)兩個(gè)水文地質(zhì)單元。由于潘謝礦區(qū)煤田勘探過程中對(duì)巨厚新生界松散層勘探程度較低，特別是下部含水層的分布范圍及其對(duì)壓煤開采的影響程度的條件不清，淮南礦業(yè)集團(tuán)先后對(duì)礦區(qū)潘集背斜、謝橋背斜兩個(gè)水文地質(zhì)單元的總體水文地質(zhì)條件進(jìn)行補(bǔ)充勘探，對(duì)比巨厚松散層沉積規(guī)律，含、隔水層組賦存特征及富水性，并對(duì)謝橋井田下部隔水層、潘集背斜區(qū)下部含水層進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比和深入研究，已經(jīng)查明新生界上部含水層、上部隔水層、中部含水層、中部隔水層在潘謝礦區(qū)全境穩(wěn)定分布，但由于沉積環(huán)境變化，潘集背斜區(qū)中隔以下分布的是下部含、隔水層組，其中可分為下部含水層1、下部含水層2、下部含水層3和下部隔水層1、下部隔水層2、下部隔水層3分層；在謝橋背斜區(qū)，下含沉積缺失，中隔和下伏第三系（紅層）隔水層合二為一，形成巨厚隔水層分布區(qū)，故對(duì)松散層壓煤而言，潘謝礦區(qū)可分為潘集背斜區(qū)（潘一、二、三和潘北井田）和謝橋背斜區(qū)（謝橋、張集井田）兩個(gè)水文地質(zhì)單元。

2 水體類型分類

根據(jù)潘謝礦區(qū)下含水文地質(zhì)條件，對(duì)照《建筑物、水體、鐵路及主要巷道煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》水體采動(dòng)等級(jí)的分類，綜合分析認(rèn)為：潘一、潘三井應(yīng)屬于新生界松散含水砂層水體下Ⅰ類水體采動(dòng)等級(jí)類型，其煤層與頂板砂巖露頭一般均被厚層含水較為豐富的中等偏強(qiáng)松散含水層所直接覆蓋，煤層頂板砂巖弱裂隙含水層可接受上覆松散砂層富含水層定水頭補(bǔ)給，其淺部煤層采掘工作面充水的可能性較大；潘二、潘北井和謝橋的張集部分井田應(yīng)屬于新生界松散含水砂層水體下Ⅱ類水體采動(dòng)等級(jí)類型，其煤層與頂板砂巖露頭上覆新生界粘土隔水層或具有多層結(jié)構(gòu)的弱孔隙含水層，使煤層頂板砂巖露頭上覆粘土隔水層缺失為弱孔隙含水層，因該類孔隙含水層富水性弱，導(dǎo)水性差，下滲補(bǔ)給煤層頂板砂巖弱孔隙含水層的水量十分有限，并受到兩弱含水層的接觸面積及砂巖弱孔隙含水層的導(dǎo)水性的限制。因此，該種條件較潘一、三井田條件防水煤柱留設(shè)最佳高度可以進(jìn)一步提高。

由于近風(fēng)氧化帶防水煤柱頂板有下滲帶的存在，當(dāng)工作面采動(dòng)冒裂帶、離層帶與下滲帶溝通后，封存在下滲帶的地下水便成為“遲到”的充水水源，致使近風(fēng)氧化帶煤層綜采面會(huì)出現(xiàn)壓架出水現(xiàn)象，這是一種不常見、但危害性較大的事故，是潘集礦區(qū)近風(fēng)氧化帶煤層綜采面的一種新的、特殊的水害模式。所以在重點(diǎn)查明和分析新生界下部含水層巖性組合結(jié)構(gòu)、厚度、埋深、富水性以及煤層、頂板砂巖露頭與新生界下部含水層的接觸關(guān)系的基礎(chǔ)上，必須開展煤層回采中壓架出水的研究，才能確定出潘謝礦區(qū)在Ⅰ、Ⅱ型水體下的防水煤巖柱尺寸。

3 Ⅰ、Ⅱ類水體下綜放開采壓架出水的研究

3.1 壓架出水原因

綜合分析壓架出水工作面的水文工程地質(zhì)條件、綜采支架載荷及工作面的布置等因素，認(rèn)為壓架出水是由多種原因造成的。

（1）高水頭壓力下產(chǎn)生下滲帶。由于出水工作面上覆承壓含水層的水頭壓力值最高達(dá)到4.4MPa，高承壓松散含水層水體在高水頭壓力的作用下，向煤系地層砂巖層間滲流，產(chǎn)生了“滲壓不滲流”與緩慢的滲流速度并存的現(xiàn)象，從而形成了深度為67m左右的下滲帶，這樣下滲帶水和下含水會(huì)對(duì)離層側(cè)向補(bǔ)給。

例如潘二礦12126工作面上方為天窗區(qū)，覆巖為砂巖直覆型，直接頂、老頂砂巖皆發(fā)育有約40m的下滲帶。

（2）下滲帶深度內(nèi)巖石工程力學(xué)性質(zhì)。在下滲帶深度之內(nèi)下含水與煤系地層的砂巖裂隙水產(chǎn)生了一定的水力聯(lián)系，由于高水壓下下滲帶的存在，使這個(gè)深度內(nèi)的巖石的含水量增大，導(dǎo)致近風(fēng)氧化帶巖石抗壓、抗拉等工程力學(xué)性質(zhì)降低。由于近風(fēng)氧化帶力學(xué)指標(biāo)巖石強(qiáng)度的降低，老頂初次來壓時(shí)，煤壁片幫，支架承受老頂壓力，支架走不動(dòng)。下含水壓力和頂板壓力全部作用在支架上。

潘三礦1412（3）工作面，與其他壓架出水面的水體類型、支架載荷類似，而且水壓高達(dá)5.3MPa，但卻沒有發(fā)生壓架出水。究其原因，主要是由于該工作面頂板覆巖中直接頂和老頂皆為砂質(zhì)泥巖和粉砂巖，不發(fā)育下滲帶，因而采動(dòng)中控頂區(qū)頂板的水文工程地質(zhì)條件變化不大，由于沒有下滲帶水的參與及其導(dǎo)致的水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件惡化，因而，開采中未發(fā)生壓架出水。

（3）綜采選用的支架支撐阻力小，導(dǎo)致控頂區(qū)下沉量大。由于選用的支架支撐阻力小，控頂區(qū)上方出現(xiàn)離層和豎向裂隙，一方面使上覆砂巖裂隙含水體及下滲帶含水體溝通；另一方面控頂區(qū)產(chǎn)生的離層結(jié)構(gòu)面對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)、滲透特性及水力耦合過程起控制作用，頂板砂巖中的水體在這樣的控制作用下也就會(huì)出現(xiàn)沿控頂區(qū)離層層面出水的情況。

（4）初次來壓控頂區(qū)頂板下沉量大。分析潘一礦1402（3）工作面，當(dāng)工作面礦山壓力顯現(xiàn)劇烈時(shí)，煤壁前方頂板壓力大，頂板下沉速度快，即煤體垂直位移速度大，煤壁片幫嚴(yán)重，造成頂板無支護(hù)面積的增大，頂板產(chǎn)生離層、位移、脫落，直至大范圍漏頂。另一方面由于煤壁抗壓強(qiáng)度小，煤壁下沉，一端巖梁的重量大部分靠支架承擔(dān)，支架最大支撐阻力小，支架下沉，造成壓架，頂板下沉量加大，形成頂板離層。

（5）高承壓水作用下頂板下沉。在高承壓水直接覆蓋條件下，近風(fēng)氧化帶以下至60m煤柱受到滲水的影響，煤抗壓強(qiáng)度降低，當(dāng)老頂初次來壓時(shí)，由于煤壁片幫，老頂作用力全部作用在支架上，由于支架的初撐力小，造成支架被壓，不能移動(dòng)，立柱穿底，卸壓閥全部打開，造成頂板下沉產(chǎn)生離層。這樣離層積水和下含水就會(huì)通過導(dǎo)水離層進(jìn)入控頂區(qū)。

（6）隨著壓架時(shí)間延長(zhǎng)，離層空間增大，水平向與下滲帶內(nèi)的底含水溝通，形成控頂區(qū)離層帶積水，并進(jìn)一步軟化頂板，下層量繼續(xù)增加而發(fā)育垂向裂隙，并與離層溝通，從而發(fā)生控頂區(qū)涌水。

總的來說，巨厚松散層下淺部煤層開采工作面受不同工程地質(zhì)水文條件（包括頂板巖性組合、軟弱堅(jiān)硬、含隔水層空間組合、是否發(fā)育下滲帶等）、頂板控頂區(qū)與不同采礦工程條件（主要為采厚、支撐阻力、采煤方法）的相互作用，是回采工作面出現(xiàn)壓架出水的根本原因。

3.2 壓架出水防范措施

（1）依據(jù)頂板分類法及經(jīng)驗(yàn)類比法對(duì)含水體下工作面開采的支架合理選型。當(dāng)在Ⅰ類水體下進(jìn)行綜采時(shí)，為防止壓架出水事故的發(fā)生，選用初撐力較大的支撐掩護(hù)式支架。

（2）在有條件的情況下，注漿加固煤壁，使煤壁強(qiáng)度增大，提高煤壁支撐力。

（3）加快工作面開采速度，盡量做到工作面連續(xù)均勻推采，以緩解工作面控頂區(qū)上覆巖層破壞發(fā)育速度。

（4）加強(qiáng)頂板離層變形監(jiān)測(cè)和工作面礦壓監(jiān)測(cè)，以及出水點(diǎn)的水位、水量和水質(zhì)的監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握頂板離層、工作面礦壓和出水的變化規(guī)律，同時(shí)要保證排水系統(tǒng)暢通。

4 潘謝礦區(qū)縮小防水煤巖柱工程實(shí)踐

4.1 Ⅰ類水體工程實(shí)踐

潘一礦1402（3）工作面上方基巖風(fēng)化帶厚約10～22m。工作面西部?jī)A向方向600m范圍內(nèi)13－1煤層直接被老頂砂巖覆蓋，自西向東留設(shè)66～73m的防水煤巖柱，自下而上依次為：細(xì)砂巖、粘土巖及砂質(zhì)粘土巖、中細(xì)砂巖、泥質(zhì)砂巖和粘土巖。該工作面共發(fā)生4次突水。其中，第一次突水是由于新生界下部含水組水通過煤系砂巖裂隙而進(jìn)入工作面，出水位于工作面第一次綜采壓架處，出水水量36m3/h，出水時(shí)間較長(zhǎng)，造成1402（3）工作面生產(chǎn)環(huán)境惡化、一度無法生產(chǎn)。后3次出水水量18～40m3/h，為頂板砂巖裂隙水，出水時(shí)間較短。綜合分析其工作面的壓架出水，是因?yàn)橄潞凰暂^強(qiáng)，又直接與基巖面接觸，加之近風(fēng)氧化帶裂隙較發(fā)育，使得下含水進(jìn)入近風(fēng)氧化帶，隨著近風(fēng)氧化帶含水量的增大，必然導(dǎo)致巖石強(qiáng)度降低，老頂初次來壓時(shí)，下含水頭壓力和頂板壓力全部作用在支架上，支架承受老頂壓力和下含水壓力等壓力的作用，支架走不動(dòng)而壓架。而當(dāng)工作面無法正常推進(jìn)時(shí)，下含水和離層、下滲帶水溝通，滲入工作面，致使工作面出水。從潘一礦1402（3）工作面充水壓架情況來看，在煤巖柱80m左右，用初撐力為4000kN的液壓支架在潘一礦進(jìn)行開采時(shí)，導(dǎo)通了導(dǎo)水裂隙帶，產(chǎn)生了壓架出水，因此，初撐力為4000kN的液壓支架無法實(shí)現(xiàn)綜采。經(jīng)實(shí)踐研究，改用德國(guó)的W S1.7－2.1/4.5型兩柱式掩護(hù)液壓支架，其初撐力為4908kN，額定工作阻力6708kN，同時(shí)，根據(jù)導(dǎo)水裂隙帶的高度，將防水煤柱的高度由80m縮小為56m，取得開采成功。

4.2 Ⅱ類水體工程實(shí)踐

潘二礦井田內(nèi)基巖及煤系地層均隱伏在新生界巨厚松散層下，松散層總厚為139.41～347.26m，并可分為上、中、下3個(gè)含水層和兩個(gè)隔水層，下部含水層厚0～77.64m，是礦井直接充水含水層，底部松散含水層水壓值2～2.78MPa，礦井設(shè)計(jì)中暫留80m的防水煤巖柱。該采區(qū)處在天窗區(qū)。頂板為風(fēng)化中粒砂巖，在試采中出現(xiàn)頂板砂巖裂隙水與下部松散含水層相連通，16018回采工作面出現(xiàn)淋水，穩(wěn)定水量為5～8m3/h。分析其充水原因是因?yàn)樵诠ぷ髅鎰偼七M(jìn)時(shí)，頂板砂巖裂隙水與下部松散含水層相連通，即溝通了下滲帶，下含水便通過通道在工作面產(chǎn)生了壓架出水。后改用高檔分層普采或炮采，由此縮短了導(dǎo)水裂隙帶的高度，并根據(jù)導(dǎo)水裂隙帶高度、下滲帶的高度、高檔分層普采或炮采工作面條件，將防水煤巖柱縮小為42m，使得開采獲得成功。

5 結(jié)論

通過對(duì)潘謝礦區(qū)水文地質(zhì)條件的研究，得出：

（1）在Ⅱ類水體下存在下滲帶；

（2）Ⅱ類水體下將開采方式由綜采改為普采或炮采，Ⅰ類水體下綜采開采過程中提高支撐掩護(hù)支架工作阻力，可以縮短防水煤巖柱。

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Research on setting water－proof coal－rock pillar under water bodies of type I and II in Panxie Colliery

Bu Wankui
（Heze University，Heze，Shandong 274015，China）

Based on the research of exploration engineering for coalfield geology，the conditions of hydro－geology and engineering geology of super－thick loose bed are detected in Huainan Colliery.Through the comparative analysis of the lithological association of super－thick loose bed in Panxie colliery，the red bed in Xieqiao aquifer is classified as water－resisting layer.Then the view of the existence of downward infiltration zone under water－bodies of type I and II is proposed，and the causes and preventive technical measures of water outlet induced by support compression are also analyzed，which have provided scientific basis for determination of the upper extraction limit in Panxie colliery.

super－thick loose bed，red bed，downward infiltration zone，setting coal－rock pillar，Panxie Colliery

P641

A

中國(guó)博士后科學(xué)基金（20110491486）；菏澤學(xué)院科研基金（XY10BS04）

卜萬奎（1981－），男，博士，菏澤學(xué)院教師，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)土木工程專業(yè)博士后，現(xiàn)主要從事采動(dòng)巖體力學(xué)與工程方面的研究。

（責(zé)任編輯 張毅玲）