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1、五沟煤矿1021工作面“四含”防砂煤岩柱合理留设李建（皖北煤电集团公司五沟煤矿，安徽 淮北 ）摘要：结合南一采区缩小防水煤柱开采工程实践，重点研究了第四含水层的成分、结构、水理性质、厚度变化规律、富水性特征；对基岩风化带的阻隔水特性、上覆岩层的结构特征建立了数学模型和物理模型，通过计算机数值计算、物理模拟、对比分析等对含水层下1021综采工作面开采覆岩破坏移动演化特征和安全开采可行性开展了全面分析研究。通过计算，提高回采上限50 米，安全回采原四含防水煤柱85.2万吨。创经济效益18914.4万元。关键词：防砂煤柱 开采上限 冒落带1 矿井概况五沟煤矿隶属于皖北煤电集团公司，位于安徽省淮北市濉
2、溪县境内，属临涣矿区，设计生产能力60万吨/年，井田面积21.6km2。目前回采二叠系山西组10煤层，平均煤厚3.86m。由于主采煤层上方覆盖273m左右的厚松散含水层，特别是其底部20.130.15m，平均22.1m厚的第四系砂、砾石含水层，覆盖在煤层露头之上，对煤系地层进行间接渗透补给，给浅部煤层的安全开采构成了一定的威胁。矿井初步设计时，设计开采上限为-330m水平，留设80100m的防水煤岩柱，压煤3664.4万t。为进一步积累10煤“三下采煤”经验，采出大量呆滞煤量，延长矿井服务年限。需对1021工作面薄基岩区提高开采上限进行试验研究，合理确定防砂煤柱高度，提高安全开采上限。2 工作
3、面地质及水文地质2.1 工作面地质情况1021工作面位于南二采区的东翼，为南二采区首采面，原设计上限标高为-330m，现设计上限标高为-280m，工作面走向长1260m，倾斜宽171m，面积m2，机巷标高为-280m-315.7m，风巷标高为-280m-341.8m，煤厚2.494.20m，平均3.60m，平均倾角10，工作面工业储量128.5万吨，可采储量109.3万吨。采用走向长壁，顶板自然垮落法大采高综合机械化开采。1021工作面直接顶为泥岩，厚010.05m，老顶为细、粉砂岩厚6.8511.9m，直接底为细、粉砂岩。工作面位于孙瓦房背斜北翼，孙瓦房背斜为五沟向斜次一级褶曲。巷道在掘进过
4、程中实际揭露断层11条，其中机巷6条，风巷4条，切眼1条；逆断层2条，正断层9条，落差在0.8m5m。2.2 水文地质条件工作面主要充水水源为10煤层上覆的新生界松散第四含水层、顶板砂岩裂隙含水层和底板灰岩含水层，具体特征如下：2.2.1 第四含水层特征南二采区1021工作面浅部第四含水砂层厚度为9.9521.30m，详见表1；根据邻近的1021-1孔揭露，“四含”含水砂层，岩性复杂，由砾石、砂砾、粘土砾石、粗砂为主、长石云母次之的细砂、中细砂、粉沙和粘土质砂组成，中夹04层粘土及亚粘土；局部地段钙质富集，砂粒呈胶结岩状。表1 南二采区1021工作面浅部钻孔资料统计一览表钻孔四含厚度（m）三隔
5、厚度（m)基岩面标高（m）强风化厚度（m）煤层底板标高（m）28-1410.60 73.90 -242.70 8.35 -298.20 J3-414.35 70.20 -245.74 22.87 -317.99 J3-29.95 71.00 -244.01 13.46 -287.64 1021-121.30 61.63 -245.93 8.28 -280.90 四含中夹有的薄层粘性土层，分布不稳定，常呈透镜状犬牙交错地穿插在砂层中。单位涌水量q=0.0040.022L/s.m，k=0.0030.31m/d。按照水文地质参数、四含砂层的结构特征及“四含”颗粒组成情况，比照煤矿防治水规定，南二采区
6、四含砂层应为弱含水层，且其迳流、补给、排泄条件不畅。2.2.2 顶板砂岩裂隙含水层南二采区浅部煤层顶板岩性，主要由砂质泥岩、泥岩和粉砂岩、细砂岩、中粗砂岩组成，该含水层在南一采区赋存厚度04m。由于接近新生界底界面，风化裂隙多被充填，富水性较弱，补给来源有限，对南二采区浅部1021工作面的安全开采影响较小。 2.2.3 断层的富水性特征工作面内构造较简单，外段靠近风巷有F6正断层，走向北东，倾向北西,倾角70，H=020m，属于压扭性断层。从地面钻孔资料以及井下巷道揭露情况来看，F6断层为不导水断层，对1021工作面开采影响较小。2.2.4水体采动等级根据南一采区工作面浅部开采区域三隔、四含的
7、分布规律、含、隔水特性，按照水体的类型、流态、规模、赋存条件，依照“三下”采煤规程，水体采动等级的划分，确定南二采区东翼的1021工作面上覆松散含水层中的第四含水层应属类水体，可以进行留设防砂煤岩柱设计，允许导水裂隙带顶点波及第四含水层，但不允许冒落带顶点波及第四含水层。3 工程地质特征根据五沟煤矿建井地质报告和五沟煤矿南一采区含水层下开采可行性研究的研究结果：10煤层顶板强风化基岩层中的RQD值一般在050左右，风化带岩组的抗压强度为0.3117.03MPa，细砂岩和粉砂岩多为泥质胶结，砂岩和泥岩中的粘土矿物主要为高岭石和伊利石；风化的砂岩、粉砂岩和泥岩，裂隙不太发育；风化岩石中的长石基本全
8、部高岭土化，岩石的抗变形破坏能力增强，塑性增大，岩石的自身承载能力降低，而且基岩层中原有构造裂隙、风化裂隙，在上覆厚松散层的自重力作用下被逐渐压实，丧失了储导水作用，使得基岩风化带富水性变弱，原来可储导水的强风化带岩层和构造裂隙带变成了隔水层和隔水体；在煤层采动过程中，由于强风化带的自身强度低，具有一定的可塑性，所以强风化带可以抑制导水裂隙带高度的发育。依据“三下”采煤规程规定，南二采区浅部10煤层顶板覆岩类型属于软弱中硬覆岩类型。4 基岩面控制程度地面采用三维地震勘探，对构造和基岩面有较好的控制，矿井中部和南部平缓。工作面及周围300m范围内有10个钻孔，钻孔间距150250m。对构造和基岩
9、面有较好的控制，没有明显的冲积沟。从表1中可以看出，开采区域范围内基岩面起伏不大，其中开切眼附近地势较高，四含厚度较薄，往中深部均逐渐变低，厚度逐渐加大，最高点标高-242.7m，最低点标高-245.9m，高差3.2m左右，控制程度较好，其它特殊地形存在的可能性极小。5 冒高预计及防水煤岩柱高度5.1 按“三下”采煤规程留设冒落带高度的预计，根据补5孔和1021-1采前水文检查孔的岩体力学性能实验测试资料，主采煤层浅部覆岩属于软弱中硬型。因此，选用软弱中硬类型的覆岩计算公式进行“两带”高度预计，预计参数及条件为1021工作面最大采厚4.2m。最大采厚时冒落带高度为：保护层计算，按“三下”采煤规
10、程规定，南二采区1021工作面可按“松散层底部无粘性土隔水层”的情况选取，工作面覆岩岩性为软弱中硬类型情况时，Hb=2A3A，即覆岩为中硬时：Hb=3A=34.2=12.6m覆岩为软弱时：Hb=2A=24.2=8.4m防砂煤岩柱垂高计算 按软弱覆岩计算：Hsb=Hmi+Hb=8.74+8.4=17.14m 按中硬覆岩计算：Hsb=Hmi+Hb=13.04+12.6=25.64m5.2 按“相似材料模拟实验”成果留设依据五沟煤矿含水层下开采煤岩柱合理留设研究，综采工作面两带发育规律模拟成果如表2。由表2可知，最大冒落带高度为13.1m，保护层厚度按12.6m选取，由此确定南二采区需要留设的防砂安
11、全煤岩柱高度为：13.1+12.6= 25.7m表2 相似材料模拟实验成果表推进步距（m）24487296120144168192垮落角 /()6345536954575367来压步距 /m34121089.691210.2垮落带高度/m011.713.19.712.510.97.39.4裂隙带高度/m213.319.625.831.540.143.641.8离层高度 /m22328485570805.3 按“计算机数值计算”成果留设依据五沟煤矿含水层下开采煤岩柱合理留设研究，南一采区在采高为4.2m的条件下，综采工作面两带发育规律模拟成果如表3：表3 计算机数值计算成果表计算模型冒高|m导高
12、|m导高位置走向模型14.636.5模型两端倾向模型18.441.6模型上部由此确定南二采区浅部工作面需要留设的安全保护煤岩柱高度为：18.4+12.6= 31.0m5.4 五沟煤矿实测成果资料留设为确保重新界定后的1021工作面的安全开采，缩小防护煤柱的1016、1017工作面开采后，在地面施工了三个两带高度孔，由表4可知，最大冒高采厚比为4.69倍。由此,确定的1021浅部工作面需要留设的防砂安全煤岩柱高度为:4.694.2+12.6=32.3m表4 五沟煤矿“两带”高度发育特征测试成果一览表孔号采厚（m）导水裂隙带高度（m）裂高采厚比冒落带高度（m）冒高采厚比1016-13.538.65
13、11.0416.404.691016-23.525.797.3713.153.761017-13.835.149.249.142.401021工作面切眼处，基岩面标高为-245.93m，按“三下”采煤规程计算的防砂安全煤岩柱最大为25.64m，由此计算其上限标高为-271.57m，为确保1021工作面开采安全稳妥进行，增大其安全系数，确定其开采上限标高为-280m水平。重新界定后的1021工作面安全煤岩柱厚度为34.1m，较“三下”采煤规程计算的最大煤岩柱多留设9.5m，较1016、1017面实测类比多留设1.8m。因此，开采是安全可行的。6开采实践及经济效益1021工作面初步设计回采上限-3
14、30米，实际回采上限-280米，提高回采上限50 米，是留设防砂煤柱开采的首个工作面。安全回采原四含防水煤柱85.2万吨，创经济效益18914.4万元。1021工作面合理留设防砂煤柱的成功实践，为进一步提高五沟煤矿回采上限积累了宝贵的经验，对类似条件的矿井具有广泛的参考价值。参考文献：1、秦忠诚，赵枝业，路光秋。 杨村煤矿薄基岩区提高综放面开采上限试验J. 煤炭科学技术.2008 (2)：19-222、国家安全生产监督管理总局、国家煤矿安全监察局，,煤矿防治水规定，北京：煤炭工业出版社，20093、金连生，牟金锁. 建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程北京：煤炭工业出版社，2000作者简介：李建（1966-），男，安徽宿州人，大学本科，采矿工程师，皖北煤电集团公司五沟煤矿矿长。Tel:0557-。差距大，市场体系不完善，缺乏集聚效应等问题，同时充分考虑到该地周围已形成成熟建材商圈的商业价值，因地制宜的进行家居建材广场的建设。通过合理布局、优化环境、提升服务，该项目必将切实发挥商业区在引导消费、拉动经济增长方面的作用，促进该县经济和社会又好又快发展。
