水体下综放开采的安全煤岩柱留设方法研究.doc

网络出版时间与地址: 2011 11 15 15: 02; www. cnki. net / kcms / detail /11. 2402. TD. 20111115. 1502. 007. html编者按水灾是煤矿主要灾害之一，据调查，我国受采空积水区、底板承压含水层、顶板松散层含水层等各类水体威胁的煤矿占一半以上，矿井防治水工作 形 势 严 峻。2010 年发生重特大突水事故 7 起，死亡多人。因此做好煤矿防治水工作对矿井的安全生产和资源利用具有重要作用。基于此，本期特开辟矿井 防治水专题，报道了有关防治水工作中取得的先进科技成果和研究中提出的新见解，供同仁界探讨，以推进 我国煤矿防治水科技进步。水体下综放开采的安全煤岩柱留设方法研究许延春，刘世奇( 中国矿业大学 ( 北京) 资源与安全工程学院，北京 100083)摘 要: 为了合理留设水体下特厚煤层综放开采的安全煤岩柱，根据实测资料回归得出了适用于综放开采工作面中硬、软弱覆岩条件下的 “两带” 高度的计算公式，提出了水体下综放开采安全煤 岩柱保护层的 “有效隔水厚度法” 和 “最小安全厚度法” 的留设方法，分别提出防砂安全煤岩柱、 中等富水性水体和强富水性水体防水安全煤岩柱保护层的留设值。在此基础上，完成了水体下综放 开采条件下中硬、软弱覆岩的安全煤岩柱的留设方法。关键词: 综放开采; 安全煤岩柱; 留设方法; 富水性中图分类号:文献标志码:文章编号: 0253 2336( 2011) 11 0001 04TD823. 83AStudy on Method to Set Safety Coal and Rock Pillar for Fully MechanizedTop Coal Caving Mining Under Water BodyXU Yan-chun，LIU Shi-qi( School of Resources and Safety Engineering，China University of Mining and Technology ( Beijing) ，Beijing 100083，China)Abstract: In order to rationally leave the safety coal and rock pillars under the water body for the fully mechanized top coal caving mining in the ultra thick seam，based on the calculation formula of the two zone heights suitable for the fully mechanized top coal caving mining face under the middle hard and soft weak overburden strata regressively obtained with the site measure information，the left method of the effective water insulated thickness method and the min safety thickness method were provided to the safety coal and rock pillar pro- tective layer for the fully mechanized top coal caving mining under water body The left value of the sand prevention safety coal and rock pillar and water prevention safety coal and rock pillar protective layer under the middle watery water body and rich watery water body was individually provided Based on the basis，the left method of the coal and rock pillars under the middle hard and soft weak overburden strata water body was completed for the fully mechanized top coal caving miningKey words: fully mechanized top coal caving mining; safety coal and rock pillar; setting method; watery( 岩) 柱 ( 防水、防砂或者防塌煤岩柱) 1。建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规 程 ( 以下简称 三下采煤规程) 中明确给出了 适用于水体下普采、综采以及特厚煤层分层开采的煤矿防治水规定 第一百零二条规定: 在河流、湖泊、水库和海域等地面水体下采煤，应当 留足防隔水煤 ( 岩) 柱。在松散含水层下开采时， 应当按照水体采动等级留设不同类型的防隔水煤收稿日期:2011 07 05;责任编辑: 曾康生基金项目: 国家重点基础研究发展计划 ( 973 计划) 资助项目 ( 2007CB209402) ; 2010 年国家安监总局关键安全科技项目 ( 10 019)安全煤岩柱尺寸的留设方法2，但没有给出适用于水体下综放开采的安全煤岩柱尺寸的留设方法。 目前兖州、淮南和潞安等矿区总结了适用于自身矿 区的经验公式，但尚未形成全国的综放开采水体安 全煤岩柱的留设方 法。 根据课题实测和收集的 “两带” 实测资料，数理统计回归得出了适用于综 放开采工作面中硬、软弱覆岩条件下的垮落带和导 水裂 缝 带 ( 简 称 “两 带”) 高度计算的经验公 式3，提出了综放开采保护层厚度 “最小安全厚度 法” 和 “有效隔水厚度法” 的确定方法。在此基 础上，完成了综放开采条件下中硬、软弱覆岩的水 体安全煤岩柱的留设方法，可适用我国大多数矿 区。此方法对我国综放开采水体安全煤岩柱的合理 留设具有指导意义和实用价值。目的是允许导水裂缝带波及松散弱含水层或已疏降的松散强含水层，但不允许垮落带接近松散层底 部。因此，防砂安全煤岩柱垂高 Hs 应大于或等于 垮落带的最大高度 Hm 加上保护层厚度 Hb ，即 Hs Hm + Hb 。3)防塌煤 ( 岩) 柱。留设防塌安全煤岩柱的目的是不仅允许导水裂缝带波及原黏性土隔水层或已疏干的松散含水层，同时允许垮落带接近松散层底部。因此，防塌安全煤岩柱垂高 H 应等于或接t近于垮落带的最大高度 Hm ，即 Ht Hm 。综放开采 “两带” 高度计算公式由前面可见水体下采煤安全煤岩柱的留设主要 取决于 “两带” ( 导水裂缝带、垮落带) 高度和保 护层 厚 度。 对于特厚煤层分层开采工作面覆岩 “两带” 高度计算公式已经回归总结，并将经验公 式写进了 三下采煤规程。而综放开采工作面 “两带” 高度计算公式还没有代表性的经验公式， 实测和理论分析结果均表明，由于采高的增大，综 放开采或一次采全高工作面的 “两带” 高度都比 分层开采的明显增大。通过结合科研课题实测成果和文献资料，收集 了国内 30 余个综放开采工作面覆岩 “两带” 高度 实测值 ( 表 1 和表 2) 3 18。2综放开采防隔水煤 (岩) 柱留设方法三下采煤规程 附录六中给出了水体下采 煤的安全煤岩柱的留设方法。1) 采煤防水安全煤岩柱。留设防水安全煤岩 柱的原则是保证开采产生的导水裂缝带不波及到水 体。因此，安全煤岩柱垂高 Hsh 应大于或等于导水 裂缝带的最大高度 Hli 加上保护层厚度 Hb ，即Hsh Hli + Hb 。12)防砂安全煤岩柱。留设防砂安全煤岩柱的表 1综放开采中硬覆岩顶板 “两带” 高度统计数据矿名观测工作面采高 / m倾角 / ( )采深 / mHli / mHm / m数据来源文献下沟矿下沟矿 孔庄矿 南屯矿 南屯矿 下石节煤矿 张集煤矿 张集煤矿 谢桥煤矿 鲍店煤矿济宁三号煤矿 济宁三号煤矿 济宁三号煤矿 济宁三号煤矿 兴隆庄煤矿 兴隆庄煤矿 兴隆庄煤矿 某矿 3 号煤层 杨村煤矿 朱仙庄矿课题课题345677789991011881213课题ZF2801ZF280163 上1093 上01213、214121212211221130313011301130143 下034320530613013018659. 909. 905. 295. 775. 6516. 003. 904. 505. 008. 706. 306. 306. 306. 678. 007. 106. 366. 506. 4013. 4322252 812 194 8 近水平 近水平 缓斜4 150 100 100 100 1186 136 132 615316 347316 34783约 400352 517445 515445 515445 515445 515300 40026369 130480111. 81125. 8161. 0070. 7067. 5049. 0557. 4573. 2871. 0066. 5668. 6066. 5086. 8074. 4072. 9083. 9062. 00130. 7825. 0028. 0062. 4321. 7036. 8034. 0055. 57表 2综放开采软弱覆岩顶板 “两带” 高度统计数据Hli / mHm / m矿名观测工作面采高 / m倾角 / ( )采深 / m数据来源文献多伦协鑫矿多伦协鑫矿 王庄煤矿 王庄煤矿 北皂煤矿 谢桥煤矿 谢桥煤矿 谢桥煤矿 潘一煤矿 任楼矿 白庄煤矿 阳泉五矿 新集一矿 新集一矿 济宁三号煤矿1703 11703 162066206121211211122262272 12750782031303130310349. 589. 095. 205. 703. 604. 004. 806. 005. 804. 704. 906. 607. 765. 733. 70772 52 53 缓斜 缓斜 缓斜 近水平17880 10302312297295230355 399117117112. 00111. 0030. 0044. 9654. 7967. 8865. 2556. 0063. 6083. 9460. 6942. 2854. 0051. 0019. 3535. 7021. 00 30. 00课题课题14143777715161718189采用数理统计回归分析的方法，得出了适用于综放开采工作面中硬、软弱覆岩条件下的 “两带” 高度计算的经验公式 ( 表 3) ，并且进行了适用性 分析19。由于坚硬覆岩类型的实测资料较少，不 符合数理回归分析的样本要求，未获得公式，考虑 到我国华北和东北型煤田绝大数值为中硬和软弱覆 岩，因此计算公式仍然有较好的代表性和实用性。表 3 “两带” 高度的经验公式度的留设方法在 矿井防治水规定 和 三下采煤规程 中尚无规定。如果参照 三下采煤规程中适用于普采、分层综采的保护层厚度的留设方法，当煤层厚度为 10 m 时，保护层厚度取 H=b4M，则综放开采，Hb = 40 m，如果分 4 个分层开采，则 Hb = 10 m。这对于缓倾斜特厚煤层水体下 压滞煤量的影响巨大。保护层的功能主要有 2 方面: 一是当预测的 “两带” 高度偏小时，通过保护层厚度进行补偿， 以确保 “两带” 不波及到水体; 二是保护层要有 良好的隔水性，以确保将水体与采煤工作面隔开， 防止水灾事故的发生。鉴于以上问题，有必要提出 适用于综放开采的保护层厚度留设方法。3. 1 最小安全厚度法文中表 3 归纳出的中硬、软弱覆岩综放开采 “两带” 高度计算公式，在适用性分析中，有负误 差的情况，即 “两带” 高度的计算值小于实测值， 为确保 “两带” 不波及水体，按最大负误差的折 算采高 + 安全增量。其中安全增量对弱和中等富水 性含水层取 2 倍采高，对强富水性含水层取 3 倍采 高。公式为 Hb = Mw + Ma ，其中: Mw 为折算采高;Ma 为安全增量。计算结果见表 4。由表 4 可见，防砂安全煤岩 柱的保护层厚度为 2. 1M 2. 8M; 中等富水性水体 的防水煤岩柱的保护层厚度为 2. 7M 3. 0M; 强富覆岩类型计算公式与实测值误差率 / %负误差折算采高 100 M 中硬Hm = 0. 49M + 19. 12 4. 71 1. 55 58. 99 0. 08M 100 M 软弱Hm = 1. 19M + 28. 57 4. 76 13. 38 22. 06 0. 83M 100 M 中硬Hli = 0. 26M + 6. 88 11. 49 7. 73 24. 14 0. 97M 100 M 软弱Hli = 0. 33M + 10. 81 6. 99 5. 20 48. 01 0. 68M注: M 为采高; 适用于综放开采，采放高度小于 12 m。对以上公式的适用性分析表明: 经验公式计算结果与实测值接近，一般大于实测值，出现正误差 大是由于个别实测值偏小; 有出现负误差情况，但 误差量不大，考虑需留设 n 倍采高的保护层厚度， 计算结果的适用性、安全性较好。3综放开采保护层厚度留设方法目前水体下综放开采的安全煤岩柱中保护层厚水性水体的防水煤岩柱的保护层厚度为:3. 7M 4. 0M。有效隔水总厚度，m; B 为安全系数。B 的选取方法: 对于采矿、地质较好，允许含水体可能向工作 面小型充水 ( 涌水量小于 60 m3 / h) ，可考虑 B =表 4 最小安全厚度法计算保护层厚度折算采高 Mw安全增量 Ma保护层厚度 Hb安全煤岩柱类型含水层富水性公式负误差率 / %1;一般情况下，建议取 B = 2; 对于含水层水头高、富水性强、地质构造复杂等不利条件，则可取B = 3 或 4。中等强 7. 73 7. 730. 97M0. 97M2M3M3. 0M4. 0M中等覆岩防水结论4中等强 5. 20 5. 200. 68M0. 68M2M3M2. 7M3. 7M软弱覆岩防水在根据实测资料回归获得综放开采 “两带”高度计算公式的基础性，依据保护层的功能和计算 公式的负误差，提出了保护层的 “最小安全厚度 法” 留设方法，结合前期提出的 “有效隔水厚度 法”，形成了综放开采条件下保护层的留设方法， 进而 计 算 出: 防砂安全煤岩柱的保护层厚度为 2. 1M 2. 8M; 中等富水性水体的防水煤岩柱的保中等覆岩防砂软弱覆岩防砂弱弱 1. 55 13. 380. 08M0. 83M2M2M2. 1M2. 8M“有效隔水厚度” 法20煤层覆岩中不同岩层的隔水性是有差异的，一 般认为黏土特别是液性指数小于 0. 25 的硬塑坚硬 状态黏土，隔水性好和流动性差。其他岩层，例如 泥岩、页岩、砂质泥岩、泥质砂岩和粉砂岩 ( 部 分) 的隔水性较黏土有不同程度的减弱; 而粉砂 岩 ( 部分) 、细、中、粗砂岩、砾岩和石灰岩等为 含水层或导水层。将隔水能力最强的黏土层作为典 型的标准隔水层，可取隔水性评价系数 Ri 为 1，对 于泥岩等其他隔水层则可按等价隔水能力向标准隔 水层进行折算，求出各岩层的有效隔水厚度 Myi = Mi Ri ，其中: Mi 为第 i 层隔水层总厚度，m。基于岩体强度参数指标，并根据对岩性隔水性的经验认识，建议各类岩石的隔水性评价系数 R，见表 5。3. 2护层厚度为:2. 7M 3M;强富水性水体的防水煤岩柱的保护层厚度为: 3. 7M 4M。根据 三下采煤规程 中水体安全煤岩柱留设方法，形成了适 用于水体下综放开采的安全煤岩柱留设方法。参考文献:1国家安全生产监督管理总局 . 煤矿防治水规定 S 北京:煤炭工业出版社，2009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 S 北京: 煤炭工业出版社，2000 陈佩佩，刘鸿泉，张刚艳 . 海下综放开采防水安全煤柱厚 度的确定 J 煤炭学报，2009，34 ( 7) : 875 880234张文泉，刘伟韬，高延法，等 . 南屯矿 63 10 面综采放顶上煤开采覆岩移动变形破坏特征研究 J 山东矿业学院学表 5各类岩石的隔水性评价系数报，1996，4 ( 12) :24 28单向抗压强度 / MPa5狄利娟，张国信，谢业良，等 . 南屯煤矿九采区覆岩采动破坏特征 EH4 探测研究 J 山东煤炭科技，2005 ( 1 ) :44 45王兆丰，李青松，杨利平，等 . 下石节矿综放工作面上覆 岩层位移冒落带高度确定的研究 J 煤，2007，15 ( 1 ) :1 3胡 戈，李文平，程 伟，等 . 淮南煤田综放开采导水裂岩性岩石R砂质页岩、粉砂岩( 部分)硬质黏土岩60 5050 4040 3030 2020 100. 3R 0. 40. 4R 0. 66中硬各种页岩、致密泥灰岩、风化砂质泥岩0. 6R 0. 8软页岩、无烟煤、普通泥灰岩破碎页岩、风化泥岩、烟煤0. 8R 1. 07隙带发育规律研究 J 煤炭工程，2008 ( 5) :74 76软弱黏土101. 08尹增德，李 伟，王宗胜 . 兖州矿区放顶煤开采覆岩破坏规律探测研究 J 焦作工学院学报，1999，18 ( 7 ) : 235 238黄福昌，倪兴华 . 厚煤层综放开采沉陷控制与治理技术M 北京: 煤炭工业出版社，2007: 111 120陈 勇，王红胜，郭念波，等 厚煤层上行开采放顶煤技术 研究与应用 J 煤炭科学技术，2009，37 ( 6) : 9 13( 下转第 22 页)水体下采煤的经验和室内试验表明，液性指数小于 0. 25 的黏土层厚 3. 0 m，隔水性好。因此采 用 “有效隔水厚度法” 留设保护层厚度时，可根 据水体情况建议保护层最小有效隔水厚度为 3 m 的 倍数，即 My = 3B = Myi ，其中: My 为保护层内9102王世东，沈显华，牟 平 韩家湾煤矿浅埋煤层富水区下溃砂突水性预测 J 煤炭科学技术，2009，39 ( 1) : 92 95 刘 钦，孙亚军，徐智敏 改进型突水系数法在矿井底板 突水评价中的应用 J 煤炭科学技术，2011，39 ( 8 ) :107 109王计堂，王秀兰 突水系数法分析预测煤层底板突水危险 性的探讨 J 煤炭科学技术，2011，39 ( 7) : 106 112 王家臣，许延春，徐高明，等 矿井电剖面法探测工作面底 板破坏深度的应用 J 煤 炭 科 学 技 术，2010，38 ( 1 ) :97 100李振华，李见波，徐高明 五阳煤矿煤层底板突水评价及 防治技术 J 煤炭科学技术，2009，37 ( 3) : 97 99 任春辉，李文平，李忠凯，等 巨厚岩层下煤层顶板水突 水机理及防治技术 J 煤炭科学技术，2008，36 ( 5 ) :46 48巩文胜， 陈 忠 辉 平朔安太堡三号井工矿突水机理初探 J 煤炭科学技术，2009，37 ( 4) : 103 105李白英 预防矿井底板突水的 “下三带” 理论及其发展与 应用 J 山东矿业学院 学 报: 自 然 科 学 版，1999，18 ( 4) : 11 18杨绿刚 葛泉矿东井煤层底板突水注浆治理技术 J 煤 炭科学技术，2009，37 ( 6) : 110 112改为隔水层，则矿井的主要突水层为太原组 L2 、L3 灰岩和奥灰。采用上述评价方法计算突水系数，见表 2。表 2 L2 灰、L3 灰和奥灰突水系数 (6401 孔)34含水层水压 / MPa隔水层厚 / m突水系数 / ( MPam 1 )L2 、L3奥灰5. 85. 896. 54136. 550. 0600. 0425现对该含水层的充水性分析如下: 当 L8 灰被治 理 后， L2 灰 和 L3 灰含水层的突水系数为 0. 060 MPa / m 左右，为断层复杂条件下突水的临界 值，具有突水的可能性，因此矿井仍然需要作好防 治水工作。奥灰水的突水系数为 0. 042 MPa / m， 小于 0. 060 MPa / m 的临界突水系数，因此认为奥 灰水直接突入二1 煤工作面的可能性低。但要注意 防治断层、封闭不良钻孔和陷落柱等异常导水通道6。6789104结论檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶( 上接第 4 页)1)采用矿井直流电法底板的破坏深度进行了现场实测，分析了底板岩层的视电阻率变化规律，确定了底板破坏深度的极大值为 23. 48 m，且底板 破坏极大值位置与工作面煤壁水平距离为 12. 2 m。11于克君，骆 循，张兴民 . 煤层顶板 “两带” 高度的微地震监 测 技 术 J 煤 田 地 质 与 勘 探， 2002， 30 ( 1 ) :47 51陈荣华，白海波，冯梅梅 . 综放面覆岩导水裂隙带高度的122)利用承压水体上采煤平面相似模拟试验分确定 J 采 矿 与 安 全 工 程 学 报， 2006， 23220 223( 6 ) :析得出底板破坏周期步距为 15 25 m，裂隙发生在工作面煤壁后方 10 m 左右，并且按照大约 6