采空区积水下急倾斜厚煤层水平分层综放开采安全性分析

贾立明 张玉军

(1.吉林省煤业集团有限公司，吉林 长春130100；2.天地科技股份有限公司，北京 100013)

采空区积水下急倾斜厚煤层水平分层综放开采安全性分析

贾立明1张玉军2

(1.吉林省煤业集团有限公司，吉林 长春130100；2.天地科技股份有限公司，北京 100013)

第四系沙砾含水层及采空区积水是梅河矿区急倾斜特厚煤层残采区综放安全复采的主要威胁，也是亟待解决的重要问题。以三井5109区为研究区域，在对采空区积水瞬变电磁探测和对急倾斜特厚煤层水平分层覆岩破坏高度预计的基础上，对F4断层留设了足够的隔水煤柱，并针对岩层移动规律，求算出工作面采动影响波及到的采空区积水区的范围，评价结果认为：在回采前要确保采空区积水降至+172 m标高以下方能保证安全开采。

采空区积水 急倾斜 水平分层 综放开采

急倾斜特厚煤层综采放顶煤是近年来兴起的厚煤层机械化开采的新采煤方法，由于特厚急倾斜煤层水平分层开采强度大，且受反复开采扰动影响，致使覆岩破坏非常严重。梅河煤矿历经40余年的开采，目前呈煤炭资源枯竭状态，已基本进入残采期。矿井先后采用水砂充填采煤方法、巷柱式采煤方法、金属网假顶采煤方法，自1989年开始采用水平分层综放采煤方法。多年来的煤炭开采使得矿井遗留大量的煤柱和小块段煤量，同时由于开采煤层为急倾斜煤层，开采分层数多，地点集中，对采空区内的垮落泥、砂岩产生反复采动扰动影响。第四系沙砾含水层、顶板采空区积水是梅河矿区急倾斜特厚煤层残采区综放安全复采的主要威胁，也是亟待解决的重要问题。

1 研究区概况

梅河煤矿三井历经30余年的开采，目前已基本进入残采期。5109-9工作面位于井田东翼-10 m水平，上方是5109区1-8层旧采迹，西部为0507区17层旧采迹；距离该区南侧170 m为原七井采空区，与三井以F4断层为界，现已报废封闭。梅河七井多年的开采形成大量采空区积水，且对F4断层产生了一定的活化影响，5109-9工作面开采将受到上述采空区积水的影响。工作面设计走向长度220 m，倾斜长度40 m，面积约8 800 m2，停采线拟定于距离补3剖面线上95-3-4号钻孔以东6.3 m位置处，煤层厚度13.2 m，运输顺槽标高-10.2～-36.3 m，回风顺槽标高-9.4～-27.5 m，走向长壁综采放顶煤采法。本区对应地表标高为+360.1～+367.7 m。 5109-9工作面布置图和剖面图见图1和图2所示。

图1 5109-9工作面位置

图2 5109工作面剖面

2 采空区积水瞬变电磁探测分析

2.1 探测范围及工作量

由于5109-9工作面与七井采空区以F4断层为界，为了查清采空区积水影响边界，在地表采用瞬变电磁对5109-9工作面上覆采空区积水区域进行了探测。测线为北西至南东方向，按照基本线距20 m，点距20 m的网度布置工作量，共完成坐标点176个，检测点10个。瞬变电磁法测线平面布置见图3。

图3 瞬变电磁法测线平面布置

2.2 物探成果分析

根据探测结果，反演了视电阻率等值线剖面图和不同标高的平面图。图4所示是5线视电阻率等值线剖面图。5线剖面与6线地质剖面线基本平行且相邻较近，从剖面图上看，在+250 m以上为相对高阻层，+130～+250 m为相对低阻层，在测线方向0～60 m，+130～+200 m范围内视电阻率值最低，结合采矿资料分析，认为该区域的低阻异常为积水采空区的反映，F4断层在该区域也表现为低阻，推测F4断层受开采活动影响，在该范围内有一定的含水性。在测线方向120～200 m，+130～+200 m范围内视电阻率值也比较低，结合地质与采矿资料，分析认为该区域的低阻异常为地层的反映。在视电阻率等值线剖面中，在+130 m以下范围，地层表现为相对高阻。图5为+180 m水平物探成果平面图，从平面图中可以看出，在七井的矿界以南，2测线至11测线的范围内，视电阻率值为相对低阻，推测该区域为积水采空区，从平面图中，也可以看出F4断层也有一定的含水性。

图4 5线视电阻率等值线剖面(单位：Ω·m)

探测结果表明：在勘探区域内+130～+250 m为相对低阻层，在测线方向0～80 m，+130～+170 m范围内视电阻率值最低，结合采矿资料分析，认为该区域的低阻异常为积水采空区的反映，F4断层在该区域也表现为低阻，推测F4断层受开采活动影响，在该范围内有一定的含水性。从平面范围分析，在七井的矿界以南，2测线至11测线的范围内，视电阻率值为相对低阻，推测该区域为积水采空区。

图5 +180水平物探成果平面(单位：Ω·m)

3 急倾斜特厚煤层水平分层工作面开采覆岩破坏高度预计

对于急倾斜特厚煤层,由于其煤层厚度大，水平分层开采方法比较特殊,开采后的岩移特征与地表移动规律与急倾斜薄及中厚煤层开采存在着较大的差异。综采放顶煤是将全煤厚一次就采放出来的一种高产高效采煤方法，与厚煤层分层开采相比，其开采强度大大增加，生产成本明显降低，开采效率和经济效益显著提高。但是，由于综放开采的一次开采厚度明显大于厚煤层分层开采时(主要为)一分层的开采厚度，其采动影响的剧烈程度、覆岩破坏高度以及覆岩破坏的发育规律也与分层开采情况有着明显不同。覆岩破坏范围的最大高度与开采厚度的关系最为密切。一般随着采厚增大， 破坏高度也相应增加。薄煤层单层开采或中厚及厚煤层初次开采时的覆岩破坏高度与采厚呈线性关系， 即随着采厚增加， 破坏高度将按线性比例增加。重复开采时，覆岩破坏范围的最大高度一般会受到明显抑制，其冒高、裂高累计采厚比一般会明显减小。

辽源矿区梅河三井于上世纪90年代初曾在1107区和2101～2103区对综放覆岩破坏高度进行过观测研究，观测结果如表1所示。由实测结果可知，工作面多个分层开采时，裂高采厚比为5.48～7.06，随着分层数增加，裂高与累计采厚比基本介于1.75～2.07。

因此，根据上述实测结果，可预计5109区工作面各分层开采时的导水裂缝带发育高度。当5109工作面第一分层开采时，上覆顶板未受采动影响，此时导水裂缝带高度可按照裂采比8倍选取比较合理；当5109-9工作面开采时，上覆顶板大部分区域已经经过8个分层开采采动影响，岩石力学性能及其完整性条件已有所降低，已开采完毕的8个分层所形成的导水裂缝带高度，在5109-9工作面开采的采动影响下，裂缝带发育高度会有所增加，但增加幅度不会太大，因此9个分层全部开采完毕后导水裂缝带高度可按照2倍裂高累计采厚比选取。

表1 覆岩导水裂缝带高度实测结果

图6所示是5109区各个分层开采后覆岩破坏形态及导水裂缝带发育最大高度分布示意图。梅河三井分层开采厚度为13.2 m，由此可计算得到当5109-9工作面开采后，5109区9个分层全部开采后导水裂缝带发育最大高度为237.6 m，根据补3勘探线剖面可知，5109-9工作面回采最高标高为-20.5 m，5109区开采后覆岩破坏最大发育高度上限标高为+230.3 m。

图6 5109区开采导水裂缝带发育高度

4 采空区积水对5109-9工作面开采的影响分析

4.1 采空区积水区断层煤柱留设

5109区与七井采空区以断层为界，根据瞬变电磁探测结果可知，在+250 m标高以上为相对高阻层，+130～+250 m为相对低阻层，也就是说在+130～+250 m标高之间为主要的采空区积水区。而由导水裂缝带发育高度预计结果可知，按照5109区9个分层全部开采完毕后，导水裂缝带最大发育高度上限标高为+230.3 m，高于目前采空区水位标高。因此，根据《煤矿防治水规定》，当最高导水裂缝带上限高于含水层顶面时，防隔水煤岩柱可按照图7留设。

图7 煤层与导水断层接触时防隔水煤(岩)柱留设

其计算公式为

式中，L煤柱留设的宽度，m；Ha断层安全防隔水煤岩柱的宽度，m；HL为最大导水裂缝带高度，5109区开采后预计导水裂缝带最大高度为237.6 m；θ为断层倾角，(°)，依据断层产状资料，取60°；δ为岩层塌陷角，(°)，依据《建筑物、水体、铁路及其他主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中相关实测数据，安全起见，取73°；M为断层上盘含水层层面高出下盘煤层底板的高度，m，在这里取199.5m。

其中断层安全防隔水煤岩柱的宽度Ha应根据矿井实际观测资料来确定，即通过总结本矿区在断层附近开采时发生突水和安全开采的地质、水文地质资料，计算突水系数的安全临界线。Ha值也可以按下列公式计算：

Ha=p/Ts+10,

式中，p为防隔水煤岩柱所承受的静水压力，MPa；在这里取2。Ts为临界突水系数，MPa/m，取临界突水系数Ts为0.06；10为保护层厚度，一般取10m。

最终计算得到留设的断层防隔水煤岩柱的最小尺寸为178.8m。而根据剖面图可知，5109-9工作面溜子道顺槽与断层的水平间距为250m，满足留设断层煤柱的要求。

4.2 5109-9工作面采动影响分析

综合5109-9煤层的赋存条件、采矿条件和岩层移动角，可以求算出采动影响波及到的采空区积水区的范围，进而可进行针对性的探放水治理，实现疏降后安全开采。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》，水平煤层在中硬覆岩条件下上山方向的边界角一般为55°～60°，移动角一般为70°～75°。表2所示是国内部分矿井急倾斜厚煤层开采实测参数，由实测角量参数可看出特厚急倾斜煤层水平分层开采顶板边界角、移动角都偏小。辽源矿务局也曾于70—80年代在梅河一井、三井、平岗南小井、保安一井进行过地表岩移观测，移动角介于54°～68°之间。

表2 急倾斜厚煤层开采地表实测沉陷数据

因此，参照类似地质采矿条件下的采动影响观测资料，结合梅河矿生产经验，由于5109-9工作面内错，顶板受5109区上覆8个分层开采扰动较小，所以选取5109-9工作面开采顶板方向移动角为54°较为合理，而其他8个分层开采顶板方向移动角取50°，以补3勘探线为例，5109-9工作面开采和5109区1～8分层开采影响范围如图8所示。由影响范围可知，5109区开采后采动影响局部都波及到了采空区积水区，其中最低标高+172 m以上均属于岩层移动范围之内。因此，在回采前要确保采空区积水降至+172 m标高以下方能保证安全开采。

图8 5109-9工作面采动影响范围(单位:m)

5 5109-9工作面采空区积水下安全开采评价

(1)原七井采空区积水是5109-9工作面开采的主要充水含水层，采空区积水位于+130～+250 m标高范围内，断层受开采活动影响，在该范围内有一定的含水性。

(2)从导水裂缝带发育高度角度考虑，梅河三井按照分层开采厚度为13.2 m计算，预计9个分层全部开采后导水裂缝带发育高度为237.6 m，导水裂缝带发育高度上限标高为+230.3m，在垂直方向上导水裂缝带发育高度已经进入到采空区积水标高范围，但是没有波及到采空区积水范围底界。同时，为了使得裂缝带边界顶点不波及到采空区积水范围，断层防隔水煤岩柱的最小尺寸为178.8 m，5109-9工作面溜子道顺槽与断层的水平间距为250 m，满足留设断层煤柱的要求。5109-9工作面按照设计采放高度13.2 m开采是可行的。

(3)从工作面开采岩层移动范围考虑， 5109-9工作面开采后采动影响局部波及到了采空区积水区，标高+172 m以上属于岩层移动范围之内。因此，在回采前要确保采空区积水降至+172 m标高以下方能保证安全开采。

(4)在开采5109-9工作面时，为防止采区出现突水、溃泥砂事故，首先要对采空区积水井上下采前钻孔进行疏放，其次要严格控制采放高度、防止发生抽冒。

[1] 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[M].北京：煤炭工业出版社，2000. State Coal Industry Bureau.Building，Water Body，Railroad and Main Mine Lane Coal Pillar with Pressure Mining Engineering[M].Beijing：China Coal Industry Publishing House,2000.

[2] 煤炭科学研究总院北京开采研究所.煤矿地表移动与覆岩破坏规律及应用[M].北京：煤炭工业出版社，1983. Beijing Mining Institute of China Coal Research Institute.The Application and Law for Ground Surface Movement and Overburden Failure in Coal Mine[M].Beijing：China Coal Industry Publishing House,1983.

[3] 张玉军，李英辉，殷志刚，等.梅河矿区砂砾含水层下残采综放工作面防溃泥突水技术及实践[J].煤矿开采，2013,18(5)：76-79. Zhang Yujun，Li Yinhui，Yin Zhigang，et al.Research and practice of residual caving working face mud burst water inrush prevention technology in Meihe Coal Mine[J].Coal Mining Technology，2013,18(5)：76-79.

[4] 张玉军，张华兴，陈佩佩.覆岩及采动岩体裂隙场分布特征的可视化探测[J].煤炭学报，2008(11):1216-1219. Zhang Yujun，Zhang Huaxing，Chen Peipei.Visual exploration of fissure field of overburden and rock[J].Journal of China Coal Cociety,2008(11):1216-1219.

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(责任编辑 石海林)

Safety Analysis of Steeply Inclined Thick Coal Seam with Fully Mechanized Top Coal Caving Mining under Goaf Water

Jia Liming1Zhang Yujun2

(1.JilinCoalIndustryGroupCo.，Ltd.，Changchun130100，China;2.TiandiScience&TechnologyCo.，Ltd.，Beijing100013，China)

Quaternary gravel aquifer and the goaf water are the main threat of safety mining of steeply inclined thick coal seam with fully mechanized top coal caving mining in Meihe mining area.It is an important problem to be solved.Taking Mitsui 5109 zone as the research area，based on the transient electromagnetic sounding and the goaf water of and the failure height prediction on horizontal overburden of the steeply inclined thick coal seam，abundant coal pillars for the water barrier at F4 fault are set.In the light of the strata movement law，it is calculated that the mining influence in working face spread to the goaf water area.The evaluation shows that:before mining，the elevation of goaf water just declined to +172 m can ensure the safety mining.

Goaf water，Steeply inclined，Horizontal layering，Fully mechanized top coal caving

2015-02-22

贾立明(1962—)，男，高级工程师。

TD823

A

1001-1250(2015)-04-097-05