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浅埋煤层顶板突水溃砂防治工程及开采安全性研究

文档作者：汪晓静解礼科张建文档来源： 1．山东煤矿机电装备安全检测中心 2．山东公信安全评价有限公司		点击数：	更新时间： 2022年11月19日
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煤矿现代化 2015-r第4期 总第127期
浅埋煤层顶板突水溃砂防治工程及开采安全性研究
汪晓静 ，解礼科 ，张建：
(1．山东煤矿机电装备安全检测中心，山东枣庄2771~；2．山东公信安全评价有限公司，山东枣庄277100)
摘要通过地面综合电法和井下水文地质钻探手段基本查清了4202工作面顶板基岩厚度、富水异
常区、基岩风氧化带厚度及其富水性、导水构造及其富水性，计算出防水安全岩柱厚度和防砂安全岩
柱厚度。最终确定工作面的停采线不应超过f6断层，并留足该断层防水煤柱。但在回采过程中要加强
顸板涌水的观测，并制定相应的对策措施，为工作面的安全回采提供技术支持。
关键词 浅埋煤层；突水溃砂；安全岩柱
中图分类号：TD745．2 文献标志码：B 文章编号：1009—0797(2015)04—0074—03
溃砂是指近松散层采掘时含砂量较高的水砂混
合流体溃人井下工作面，并造成财产损失或人员伤亡
的一种矿井地质灾害。矿井突水溃砂灾害主要是由于
浅埋深、薄基岩、上覆含水层的富水性和采动覆岩的
破坏形式等因素决定的。矿井突水溃砂事故对煤矿正
常生产的影响非常大，常造成泥沙淤塞T作面和巷
道，掩埋机械设备，清理恢复极为困难，造成严重的经
济损失。内蒙古石场湾煤矿4202回采工作面面临着
顶板突水溃砂的潜在威胁，突水溃砂灾害已成为影响
该矿安全生产和正常回采的关键问题之一，严重影响
着煤炭资源的回收率、产量和效益。因此，针对石场湾
煤矿4202工作面顶板突水溃砂可行性开采的研究，
已成为该矿发展亟需解决的重要难题之一。
1 4202工作面水文地质条件
1．1 地质条件
石场湾煤矿设计生产能力0．3Mda，主采4-2煤
层，平均厚度2．8m，顶板岩性为中、细粒砂岩或泥质
粉砂岩，局部埋藏较浅的地段，岩石受风化影响其强
度较低；底板以粉砂质泥岩、泥岩为主。4—2煤层埋深
35．9 69．1lm，顶板基岩厚度只有1．9～54．28m，风氧
化带厚8m(依据井田内地质资料提供的煤层风化深
度)，风积沙厚约10m，属于浅埋煤层。4202回采工作
面位于井田的北部，工作面标高+1217．43一+1227．
39m，工作面东西走向长840m，南北宽150m。根据工
作面的巷道揭露，断层不发育，共揭露7条小断层，
落差在0．5—3m之间。
1．2 水文地质条件
4-2煤层顶板含水层主要有第四系孔隙潜水含
水层和煤层顶板砂岩含水层。第四系孔隙潜水含水
层以风积砂、冲洪积物、砂砾石层为主，富水性弱，局
部为中等，为开采4—2煤层的间接充水含水层。煤层
顶板砂岩含水层以砂质泥岩和砂岩为主，单位涌水
量q=0．002Us·m，富水性弱，为开采4—2煤层的直
· 74 ·
接充水含水层。4202工作面距离北部边界的河床较
近，由于大气降水的补给以及矿井排水，致使河床附
近的沙层处于饱和富水状态。
2 4202工作面水文地质勘探与分析
石场湾煤矿采用地面综合电法探测和井下水文
地质钻探等手段对工作面的水文地质条件进行综合
探查，确定4—2煤层顶板埋深、基岩的厚度及其富水
性和分布情况、基岩风氧化带厚度及其富水性、导水
构造及其富水性。
2．1 地面综合电法探测
地面综合电法勘探的主要目的是分析4202工
作面范围内的水文地质分布规律，并对基岩富水区
进行预测、预报，可以作为煤矿水文地质分析和井下
探放水设计的依据。电法勘探的结果：
(1)4202工作面顶板富水性分布不均匀。
(2)4202工作面局部存在异常区，并对含水性强
弱及上下含水层可能存在的联系进行了定性分析。
(3)地表松散层及基岩上部富水区分布较多，大
多呈水平层状分布，相互之间水力联系不密切，部分
地段存在与下部地层连通的可能性。
(4)测区西部4—2煤顶板埋深较浅(32～57m)，
而在靠近河床处无低阻异常区显示(其特别说明因
为埋藏较浅瞬变电磁对浅部地层的低阻体反映不太
清晰)，需要对这一区域进行井下钻探，验证其顶板
富水性。
图1 4202工作面综合电法探测成果图
煤矿现代化 2015年第4期 总第127期
2．2 井下水文地质钻探
为了保证4202工作面安全开采，验证地面综合
电法探测圈定的异常区富水性，石场湾煤矿利用井
下钻探的方法对工作面顶板异常区岩层富水性、基
岩厚度等水文参数进行探查。现场勘查钻孔布置在
4202运煤巷、轨道巷巷道内，共设计钻孔个数12个，
累计孔深720m，钻孔布置参见图2。
A／厂 ! 』＼j l／ ⋯ r
羲
图2 4202工作面钻孔布置平面图
根据已施工的1 1个钻孔资料分析(4号钻孔不
再施工)，有5个钻孔无水，6个钻孔有水。其中5号、
9号、10号钻孔的出水量较大并且5号钻孔有突水
溃砂现象出现，水量5．4～40m3~，水压0．22～
0．3MPa，说明靠近河床处的4—2煤层顶板的富水性
相对较强，且存在突水溃砂的危险性。钻孔揭露的基
岩厚度1．9～54．28m，风积砂、黄泥的厚度1．42～
25．5m。各施工钻孔基岩厚度及出水情况见表l。
表1 各施工钻孔基岩厚度及出水情况表
⋯孔号 钻 (m) 盆钻 进垂深(m)带翁厚(化m ) 基器(m) 度 ⋯一 水⋯压
3 4202工作面顶板突水溃砂可能性分析
经探查4202工作面煤层顶板基岩厚度1．9—
54．28m，顶板靠近“风氧化带”，部分基岩上覆为强风化
的褐、黄色砂岩与泥岩，该段范围内伴有淋水，水量约
13m ／h。由于煤层顶板靠近强风化带，上覆松散层厚度
较大，并且上覆潜水长期渗透、浸蚀，使该段煤层顶板
强度大大降低。在工作面推进过程中遇到断层、导水
裂隙等通道时，4—2煤层顶板砂体可能会在水头压力
的作用下沿通道进入工作面，特别是工作面外段靠近
北部边界河床一侧开采有突水溃砂的危险。因此，为
了实现4202工作面的安全回采，需要对工作面煤层
顶板突水溃砂的可能性进行分析。
3．1 防水安全岩柱计算
留设防水安全岩柱的目的是不允许导水裂缝带波
及水体。根据4202工作面顶板岩石属软弱岩层的条件
和“三下”采煤规程规定，可按软弱岩层选取计算公式，
防水安全岩柱( )应大于或等于导水裂缝带(H )加上
保护层厚度(Hh)。导水裂缝带高度计算公式：
Hli= ±4
式中：H，i为导水裂缝带高度，m；ΣM为累计采厚，m。
保护层厚度计算公式：
H 5A
煤层一次采全高2．8m时，经计算H i=24．47m，
H =14m，防水安全岩柱厚度取39m。
3．2 防砂安全岩柱计算
留设防砂安全岩柱的目的是允许导水裂缝带将
波及松散弱含水层或已疏降的强含水层，但不允许
垮落带接近松散层底部，防止水砂溃入井巷。根据
4202工作面顶板岩石属软弱岩层的条件和“三下”
采煤规程规定，可按软弱岩层选取计算公式，防砂安
全岩柱(H )应大于或等于垮落带(H )加上保护层厚
度(H )。垮落带高度计算公式：
u 一100ΣM ．1<
“
式中：H 为垮落带高度，m；ΣM为累计采厚，m。
煤层一次采全高2．8m时，经计算Hm=7．2m，
H =14m，防砂安全岩柱厚度取22m。
3．3 顶板突水溃砂可能性分析
根据4202工作面已施工钻孑L揭露的基岩厚度
与防砂安全岩柱厚度、防水安全岩柱厚度对比分析
知，5、9、10、1l、12号钻孔基岩厚度小于39m，不满足
防水安全岩柱厚度要求；5、9、10、12号钻孔基岩厚度
小于22m，不满足防砂安全岩柱厚度要求。钻孔基岩
厚度与防水、防砂安全岩柱对比参见表2。
表2 钻孑L基岩厚度与防水、防砂安全岩柱对比表
· 75 ·
煤矿现代化 2015年第4期 总第127期
根据井下钻孑L资料，11号钻孑L以里防水安全岩
柱厚度符合规定，具备安全生产条件，煤层顶板发生
突水溃砂的可能性不大。虽然1 1号钻孔防水安全岩
柱的厚度不符合规定，但是其防砂安全岩柱的厚度
符合规定，并且考虑到顶板含水层富水性微弱、不均
匀，应在6—8号钻孔之间往工作面方向再补l一2个
钻孔，查明11号钻孔两侧基岩厚度，在保证防水安
全岩柱厚度符合规定后，方可继续向外推采。考虑到
小断层、导水裂隙等因素的影响，4202工作面停采线
不应超过f6断层，并留足该断层防水煤柱。若补打的
钻孔有水，工作面停采线位置还得往里，要确保回采
区域的基岩厚度满足防水安全岩柱要求。
由图2可以看出5、9、10、12号钻孔靠近河床，
这4个钻孔不仅防砂安全岩柱厚度不足，并且出水
量相对较大，若4202工作面回采到12号钻孔以外
时发生顶板突水溃砂的可能性较大。
4 结论
(1)利用地面综合电法和井下水文地质钻探基
本查清了工作面的富水区域和基岩厚度，可以作为
制定防治水方案的依据。
(2)在采高2．8m的条件下，工作面防水安全岩
柱厚度不小于39m，防砂安全岩柱厚度不小于22m。
(3)4202工作面在划定的停采线以内正常回采时
发生顶板突水溃砂的可能性不大，但在回采过程中要
加强顶板涌水的观测，并制定相应的对策措施。
参考文献
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作者简介：
汪晓静(1981一)，河北唐山，女，硕士研究生，2008年毕业
于中国矿业大学水文及水资源专业，主要从事水文地质与工
程地质方面的研究。 (收稿日期：2015—7—3)
Control engineering and Research on safety mining of Shallow coal seam
Roof W ater inrush and sand inrush
Wang Xiaojing
Abstract：To find out the thickness and abnormal water zone of roof rock、the thickness and watery of weathered bedrock、Water conducting
structure of 4202 face by Ground resistivity and Mine hydrogeological drilling，calculating Safety rock pillar of Waterproof and sandproof．To
make sure face Stop line Should not exceed f6 fault，and keep enough fault Waterproof coal pillar．W e should strengthen the observation of roof
water In the process of mining，an d formulating corresponding countermeasures to provide technical support for the safety of coal mining work—
ingface．
Keywords：Shallow coal seam；Water inrush and sand inrush；Safety rock pillar
(上接第73页)
湖南：中南大学资源与安全工程学院，2013．
【41熊俊杰，景国勋，王小俊．煤矿百万吨死亡率影响因素的
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f5】刘香兰，董桂刚，朱纪明．灰色关联分析在煤矿伤亡事故
统计分析中的应用fJ1．煤炭工程，2012，(2)：66—68．
[6】刘思峰，党耀国，方志耕，等．灰色系统理论及其应用(第
五版)【M]．北京：科学出版社，2010
作者简介
陈卓(1989一)，女，河南省新郑市梨河镇陈庄村，河南理工
大学，硕士研究生，研究方向：矿山灾害预防与控制。
(收稿日期：2015—6—18)
Gray Correlation Analysis to Human Factors of Fire&amp;amp; Explosion Accident in Coal M ine
CHEN Zhuo ．NIU Guo qing 。
f1．School of Safety Science＆Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China；
2．State Key Laboratory Cuhivation Base for Gas Geology and Gas Control，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China)
Abstract：Human factors have a special position in the safety production of coal mine．In order to analyze the human factors’effect to coal
mine fire&amp;amp;explosion accident，the number of fire&amp;amp;explosion accident of Yongna mining area was selected as reference sequence and human
factors as comparison sequences，then gray correlation analysis was used．The results show that corelation between fire&amp;amp;explosion accident
and the proportion of technical personnel is the biggest，and technical staf is bigger than others on correlations for fire&amp;amp;explosion accident．
Key words：coal mine；fire＆explosion accident；human factors；gray correlation analysis
· 76 ·

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