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高承压含水层上煤层安全开采技术探讨

文档作者：尹会永魏久传郭建斌朱鲁施龙青王以勤文档来源： 1．山东省沉积成矿作用与沉积矿产重点实验室 2．山东科技大学 3．山东珑山矿业有限公司		点击数：	更新时间： 2021年09月10日
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第2O卷第11期
2011年n 月
中 国 矿 业
CHINA M INING M AGAZINE
Vo1．2O．No．11
NOV． 2O11
高承压含水层上煤层安全开采技术探讨
尹会永 ，魏久传 。，郭建斌 ，朱 鲁 ，施龙青 ，王以勤。
(1．山东省沉积成矿作用与沉积矿产重点实验室，山东青岛266510；2．山东科技大学
地质科学与工程学院，山东青岛266510；3．山东珑山矿业有限公司，山东淄博255200)
摘要：为了保证高承压含水层上1O煤的安全开采，指出采用条带开采方法采煤，并采取水害综合
防治措施。首先分析矿井地质、水文地质条件，认为正常开采条件下底板注浆、疏水降压可行性较差，
选择条带开采力‘法；然后，根据相关“规程”，以“下三带” 理论为指导，综合考虑隔水层真实厚度、
底板破坏深度、阻水带厚度、岩体损伤等困素， 计算不同开采深度下条带开采宽度和煤柱留设宽度； 最
后，提出进行探查底板含水层水文地质条件、留设断层煤柱、进⋯ 步完善排水系统等综合防治水措施，
增强矿井综合抗水灾害能力。研究结果可指导该矿井高承压含水层上1O煤的安全开采。
关键词：高承压水；条带开采；下三带；开采宽度；煤柱宽度
中图分类号：TD82 文献标识码：B 文章编号：1004—4051(2O11)11—0074—04
Discussion of safe mining technique above high confined aquifers
YIN Hui yong 一，WEI Jiu—cbuan ，GUO Jian bin ～ ，ZHU Lu ～，SHI Long—qing ，W ANG Yi—qin。
(1．Shandong Provincial Key Laboratory of Depositional Mineralization and Sedimentary Minerals，Qingdao 266510，
2．College of Geological Science and Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266510，
3．Shandong Longshan Mining Ltd．，Zibo 255200，China)
Abstract：For exploiting the tenth coalbed safely above high confined aquifers，this paper put forward
tO the strip partial mining and adopted comprehensive measures to control water disasters．Firstly，based on
the analysis of the geological and the hydr。geologica1 condition，grouting method and dewatering depression
were not feasible under the normal mining and strip～partial mining was put forward．Secondly，according to
the rules，with the guidance of“down three zones’’theory the paper calculated the mine width under and
coal pillar width in different depth based on the thickness of aquifuge and safe aquifuge depth and permeable
failure depth in the eoalbed floor and damage of rockmass．Lastly，the coalmine should adopt comprehensive
measures tO control water disasters such as exploring the hydrogeological condition of the aquifers under the
coalbed and remaining coal pillar for faults and improving the drainage system． The results will guide the
eoal mine exploit the tenth eoalhed ．~afely above high confined aquiferg．
Key words： high confined aquifer； strip～partial mining； down three zones； mine width； coal
pillar width
奥陶纪灰岩是华北型煤田含煤地层的基底，
煤层开采过程中， 煤层底板奥灰含水层突水事故
时有发生。因此， 受底板承压水威胁煤层的安全
收稿日期：2011—03—17
基金项目：山东省沉积成矿作用与沉积矿产重点实验室开放课题
资助(编号：DMSM201012)； 国家自然科学基金资助(编号：
41072212)； 国家自然科学基金重点项目资助(编号：51034003)；
长江学者和创新团队发展计划资助； 中国煤炭]一业协会2009年度
科学技术指导性计划项目资助(编号：MTKJ2009—290)
作者简介；尹会永(1979 )，男，汉族，河北衡水人，博士，讲
师， 主要从事矿业地质及水文地质教学与科研工作。
开采问题， 一直是许多学者研究的热点。现已形
成了较多的理论及方法， 如“突水系数法”l】J、“下
三带” 理论l2j、 “下四带” 理论[3]、 “关键层”
(KS)理论 ]、薄板结构理论l5]、“零位破坏” 与
“原位张裂”理论l6]、基于GIS的多源信息复合 ]
等方法，对承压水上煤层开采起到了良好的指导
作用。也有许多学者针对煤矿的具体水文地质条
件， 提出具体的防治措施[8 。但有些理论被现
场工作人员使用起来很不方便， 且煤矿防治水工
作事关重大， 导致现场人员对某些理论不敢轻易
m
．
三 m
第11期 尹会永，等：高承压含水层上煤层安全开采技术探讨 75
采纳，也对一些新理论在现场的应用起到一定的
限制作用。当前，现场工作人员还是主要以国家、
煤炭管理部门颁发的规程、规定为主要依据，制
定相应防治水方案、技术。
目前，随着北方东部地区的煤矿开采时间的
加长， 浅部所剩煤炭储量越来越少，越来越多的
矿井进入深部开采。煤层底板奥灰含水层水压随
着开采深度的增加而增加，水压已达到近12MPa，
其对矿井的威胁性也随之加大。如何寻找高承压
水上煤层开采技术并为现场工作人员提供方便、
简单、实用的指导，也是目前科技工作者的主要
任务之一。
山东省淄博煤田山东珑山矿业公司已开采多
年，主要开采太原组1O煤。因浅部10煤基本回采
完毕，今后矿井将要开采矿井北部的一890m水平
的1O煤区域， 此区域奥灰水压高， 最大达到l1．5
MPa，而且水文地质条件较为复杂。如何减少底板
奥灰突水概率，研究深部开采水害防治措施， 保
障深部高承压水上lO煤的安全开采，是珑山矿业
公司面临的主要任务。本文针对珑山矿业公司的
地质、水文地质条件， 以实用为目的，结合“下
三带” 防治水理论，提出深部10煤承压水上安全
开采技术，指导矿井安全生产。
l 矿井概况
山东珑山矿业有限公司位于山东淄博市博山
区夏家庄镇，地形南高北低， 地形标高为+165～
4-250m。矿井生产能力为30万t／a，开采标高
十70～ 一900m 。
矿井含煤地层为石炭系上统太原组和二迭系下
统山西组，可采煤层为石炭系太原组7、9、10煤，
目前主要开采1O煤。井田内发育大、中型断层，构
造复杂程度属于中等复杂程度。主要含水层为第四
系潜水含水层、基岩风化带、山西组砂岩含水层、
太原组薄层石灰岩及砂岩、本溪组徐家庄灰岩、奥
陶系灰岩岩溶裂隙含水层，其中对10煤开采有影响
含水层为底板徐、奥灰岩溶含水层。
2 井田深部水文地质条件
井田深部区域指10煤底板标高为一650～
一900m范围，面积约2．5kin 。地面标高4-177～
+252m，10煤开采深度达到800～1152m。目前，
矿井已施工130皮带下山、130轨道下山至一890m
深度，并形成排水系统。
该研究区内共发育3条规模较大的正断层， 已
由多个工作面、巷道控制， 控制程度较高。另外，
在巷道掘进、工作面开采过程中， 也发现较多的
小断层，落差在0～3m左右。研究区一900m标高
岩浆岩较发育， 东部在41号、47号钻孔、三节西
一上山、下山处也揭露岩浆岩发育。该区10煤较
稳定，厚度约为1．5m， 除深部被火成岩局部侵蚀
和局部变薄外， 全区大部分可采， 可采系数77 。
影响1O煤开采的主要含水层， 主要为徐家庄
灰岩和奥陶系灰岩。徐灰在研究区的浅部有两层，
厚度从10 II1左右由深部向浅部逐渐减小。深部徐
灰只有一层， 厚度较小， 水量较小， 水压较大，
钻孔未发现涌、漏水现象， 富水性较差。奥灰在
研究区内富水性不均一，水压高，井下钻孔均出
现奥灰涌水现象，水量25．5～90m。／h， 是威胁1O
煤安全开采的最主要含水层。奥灰水位标高为
4-84～4-167m，高程相差较大。根据钻孔资料可
知， 奥灰在顶面以下20m范围内富水性较弱，是
深部开采的有利条件。
1O煤与奥灰的间距在研究区内为76．76～
119．76m， 平均92．36m， 向深部逐渐增加。岩性
主要为黏土页岩、砂质页岩、细砂岩、砂质黏土、
灰岩、杂色页岩、煤层等组成。
研究区突水系数为(0．1136~0．1437)MPa／m，
均大于正常地段的临界突水系数，存在奥灰突水
危险。因此，需要选择合适安全开采技术，实现
高承压含水层上10煤的安全开采。
3 高承压水上10煤安全开采技术分析
3．1 底板注浆改造可行性分析
煤层底板注浆防治水技术是对煤层与有突水
危险的含水层之问可注岩层进行注浆，增加其阻
隔水性能，达到承压水上安全开采的目的。因此，
此技术前提：一是需要有可注岩层，二是岩层稳
定且具有一定的厚度。研究区10煤与奥灰含水之
问发育一层厚度较薄的徐家庄灰岩，为岩溶含水
层，但该灰岩厚度变化较大，厚度为3．5～0．6m。
因此，其稳定性不符合注浆要求。另外，其富水
性较差，表明此区域徐灰岩溶发育程度较低， 溶
隙发育较差，容浆性能较差。由此可见， “中间
层” — — 徐灰的可注性较差。而且， 在章丘、淄
博等地也未有成熟的煤层底板注浆改造含水层的
经验。因此，该研究区内10煤底板不具备注浆改
造的可行性。
3．2 疏水降压可行性分析
疏水降压是对威胁矿井安全生产的主要充水
含水层水， 通过专门的工程和技术措施在人工受
控的条件下进行超前预疏干或疏降水压， 进而减
少或消除其在矿井建设和生产过程中对矿井安全
中国矿业 第2O卷
的威胁_】 。影响10煤开采的主要含水层为徐灰和
奥灰，其中最主要的为奥灰含水层，奥灰涌水量
较大，水压高，水位较稳定，而且奥灰厚约800m，
属岩溶裂隙含水层， 含水性强， 为煤系各含水层
最大补给来源，具有区域联系性，不是封闭的水
文地质单元， 以动储量为主。因此， 该井田不具
有疏水降压的可行性。
3．3 改革采煤方法
通过以上分析，正常回采方法在深部区域煤
层开采适用性不强， 因此，需改革采煤方法， 实
现1O煤的安全开采。通过改革采煤方法，达到减
小底板破坏深度的目的。长壁工作面充填开采，
成本太高，对本矿井不宜采用。可通过降低工作
面开采宽度的方法达到目的，而且淄博煤田其他
矿井也有条带开采成功的经验， 为克服煤层底板
徐、奥灰水害提供了宝贵的经验和数据。因此，
在深部区域开采时，首选条带开采方法。
4 高承压含水层上煤层安全开采技术一条带开采
技术
以往条带开采方法的研究主要集中力学分析、
矿山压力、数值模拟研究等方面，本文以煤层底
板防治水“下三带” 理论为指导， 对不同开采深
度下的煤层底板破坏深度、底板阻水带厚度进行
研究，探讨条带开采宽度，为现场技术人员提供
一种简便、实用的计算方法。
研究表明， 煤层底板破坏深度与工作面开采
宽度关系较大[ ]，可利用条带开采方法减少煤层
底板破坏深度， 增加煤层与奥灰含水层问隔水层
的有效厚度。条带开采是在开采范围内，沿一定
的方向划分条带， 采出一条， 保留一条， 相间
排列。
4．1 开采宽度计算
根据“规程” 】列提供经验公式计算底板破坏深
度， 即：
h1—0．0085H+ 0．1665d+ 0．1079L一4．3579 (1)
式中：h 为采场底板破坏深度，m；H 为采深，取
值范围为9O0～ 1150m； 为10煤倾角，取12。；L
为条带开采宽度，rn。
根据式(1)，计算不同条带开采宽度情况下
的底板破坏深度。
根据薄板理论口 ， 底板岩层阻水带厚度的计
算公式为：
+ 2A (P — rh )S 一y
AS1 (2)
式中： 为底板阻水带厚度，m；h 为采场底板破
坏深度， m； )，为底板岩层评价容重， 取
0．026MN／m。；P为作用于该区底部的水压，取值
范围为9．0M～11．5MPa；S 为底板岩体抗拉强度，
一般取岩石抗压强度的0．15倍，MPa；
1 9 r 2
A 一—_—_== 兰兰=-—． (3)
L；f~／L 4-3L 一L 1
式中：L为壁式工作面斜长，m；L 为沿推进方向
工作面老顶初次来压步距，取25m。
根据式(2)，计算不同工作面斜长、不同采
深(即水压)条件下所需底板岩层阻水带厚度。
因以往施工的钻孔中未发现奥灰存在导高现
象， 因此原始导高带高度为零。
开采宽度要综合考虑隔水层真实厚度(W)、
底板岩层阻水带厚度(h )和底板破坏深度
( )。在正常情况下， 只要满足
W > 矗 4- h (4)
则可以认为开采是安全的。
但考虑到煤层底板为损伤岩体，可增加一个
损伤系数，则式(4)变为：
(w × D)> h 4- h2 (5)
式中，D为岩体损伤系数，D一0．7；其余同前。
10煤至奥灰平均间距为92．36m， 根据式
(1)、式(2)、式(3)和式(5)确定不同采深条
件下采用的开采宽度，见表l。
表1 不同采深条件下10煤安全开采宽度
采深／m 900 950 1000 1050 1100 1150
开采标高／m 一650 —700 —750 —800 —850 —900
开采宽度／m 50 45 45 40 40 35
4．2 煤柱留设宽度计算
煤柱留设宽度的原则为，该留设宽度的煤柱
能承受的极限荷载比煤柱实际承受的荷载大，保
证煤柱的安全系数大于1。
对于条带开采，忽略煤柱两端的边缘效应_】 ，
煤柱能承受的极限荷载公式为：
Pl一47H (a一4．92M H × 10 ) (6)
式中：P 为煤柱承受的极限荷载值，N／m；a为
煤柱的留宽，ITI；g为上覆岩层的重力密度，
N／m；H 为采深，rn；M 为采厚，rn。
Wilson(1970)认为，上覆岩层的重量并非完
全由煤柱承担口 ， 冒落在采空区的岩石同样也承
担一部分上覆岩层的重量。采空区承担的载荷量
与采空区内各点顶板闭合量有关， 即采空区垂直
应力与距煤壁的距离成正比， 当该距离达到0．3H
时， 采空区垂直力恢复到原始荷载。
第11期 尹会永，等：高承压含水层上煤层安全开采技术探讨
P 一47EHa+ b(2H 一 )] (7)
式中，P 为煤柱承受的极限荷载值，N／m；b为
采出条带宽度，m；其余同前。
保证煤柱实际承受的荷载要小于极限荷载，
安全系数K≥1．6， 即
Pl≥ 1．6P 1 (8)
＆ ≥ (19．68M H × 10 + 1．66一 ) (9)
据式(9)可得不同采深、不同开采宽度条件
下煤柱的留设宽度，见表2。
表2 不问采深、采宽条件下煤柱的留设宽度
采深／m 900 950 1000 1050 1100 1150
开采宽度／m 50 45 45 40 40 35
煤柱留设宽度／m 43 41 42 39 40 37
5 高承压含水层上l0煤安全开采水害综合防治
措施
5．1 进一步探查1O煤底板水文地质条件
在采区和工作面开拓巷道形成后，要对每条
巷道进行底板水文地质条件探查。采用先进的物
探手段圈定徐、奥灰富水区域，探查徐、奥灰富
水程度，为探防水工作提供可靠依据；对隐伏构
造进行探查。对探测异常区进行打钻验证；对物
探无富水异常的区域，也要适当打钻探查煤层底
板隔水层厚度及其岩性组合情况。
5．2 留足断层防水煤柱
开采过程中，采取措施防止断层带突水，对
断层进行详细探查，探查其富水性、导水性。对
落差较大的断层(落差大于5m)，严格按规定计算
留设足够的防水煤柱，防止开采引起断裂构造重
新活动诱发突水；对采掘工程揭露的小断层(落
差小于5m)，如果发现有导水迹象，要计算留设足
够的防水煤柱。巷道穿越断层时，应采取有效支
护和防治水措施，避免断层出水或滞后出水。
5。3 进一步完善矿井排水系统
目前，矿井排水能力能满足目前排水需要。但
考虑到本矿井为受水威胁矿井，应进一步完善排水
系统，增强矿井抗灾能力。水泵、水管、闸阀、排
水用的配电设备和输电线路，应当经常检查和维护。
在每年雨季前，应当全面检修1次，并对全部工作
水泵和备用水泵进行1次联合排水试验，发现问题，
及时处理。水仓、沉淀池和水沟中的淤泥，应当及
时清理；每年雨季前，应当清理1次。
6 结论
山东珑山矿业公司深部1O煤开采，主要威胁
含水层为徐、奥灰含水层，其中奥灰富水性较强，
水压高，突水危险性大。正常开采条件下， 该矿
井不具备底板注浆、疏水降压条件， 通过改革采
煤方法一条带开采，可减少底板破坏深度，保证
底板隔水层的隔水性能。除此之外，还需要进行
探查底板含水层水文地质条件、留设断层保护煤
柱和进一步完善排水系统等综合防治水措施，增
强矿井综合抗水灾害能力，实现深部10煤高承压
含水层上安全开采。 -
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