浅谈冲积层下近距离煤层开采可采性研究

李根明

开滦能源化工股份有限公司 范各庄矿业分公司 河北唐山 063100

摘要：

范各庄矿属水文地质条件复杂型矿井，主要充水水源为煤系砂岩裂隙水、岩溶裂隙水和冲积层孔隙水。在开采露头区附近煤层时，冲积层底部含水层是影响工作面开采的主要充水水源，由于冲积层底部含水层富水性强，开采露头区附近煤层时，必须留设防水安全煤岩柱。

根据矿井开采规划，范各庄矿拟对毕各庄风井煤柱区的12煤进行开采。毕各庄风井煤柱区东部为煤层露头区，依据现有勘探资料和以往开采揭露情况，毕各庄风井煤柱区第四系冲积层底部砾石含水层为强富水性含水层，开采过程中若冲积层防水煤岩柱留设不合理，底部砾石层水将直接进入工作面，威胁矿井安全生产。为科学合理的设计第四系冲积层防水煤岩柱，实现毕各庄风井煤柱区12煤的安全回采，对毕各庄风井煤柱区12煤层冲积层防水煤柱进行设计。又由于设计区域距离冲积层较近，在工作面规划施工中，对地面设立沉降观测站，对沉降情况进行观测。

关键词：复杂性 冲积层 防水煤柱 煤层露头 沉降站 安全生产

1 引言

范各庄矿勘探和开发揭示出的地层自下而上有：奥陶系、石炭系、二叠系、第四系，井田均为第四系冲积层所覆盖。冲积层主要由粘土层、砂层及卵砾石层组成，中上部多粘土及砂质粘土层，下部多粗砂及卵砾石层，与下伏地层呈角度不整合接触。冲积层厚度变化较大，厚度约54~424m，由北往南逐渐增厚。在范各庄矿区域厚度沿东西向变化较小，南北向变化较大；而在毕各庄区域基岩面出现近南北向的山沟和山脊，冲积层厚度在两个方向上变化均较大。

冲积层底部卵砾石层比较发育，局部厚度可达33.5m。在井田内的大部分区域，卵砾石层直接沉积于基岩面之上。底砾层是煤系地层上部的重要承压含水层，是煤系地层中含水层的补给水源。

为了有效回收煤炭资源，延长矿井寿命，对井田内边角煤、煤柱等进行开采论证研究。设计开采区域距离冲积层较近，不但要对冲积层防水煤柱严格留设，而且对地面沉降情况进行密切观测，确保安全生产及提前制定地面沉降治理措施。

2 设计区域冲积层水文情况

2.1 含水层

冲积层厚度由北往南逐渐增大，在此区域冲积层厚度为229m，含水层组由上部1个潜水含水层和下部3个承压含水层组成，即：浅部潜水含水层，其中等富水性；上部砂岩含水层，为中等富水性含水层；中部卵石层含水层，为强富水性含水层；底部卵砾石含水层，为强富水性含水层。

2.2 隔水层

冲积层分为上、中、下部三个隔水层。上部砂质粘土及粘土隔水层，介于第四系冲积层含水层内潜水层和上部砂岩含水层之间，埋藏深度为32m，厚11.7m。中部砂质粘土及粘土隔水层，介于第四系冲积层含水层内上部砂层含水层和中部砂层含水层之间，埋藏深度为130m，厚11m。下部砂质粘土及粘土隔水层，介于第四系冲积层含水层内中部砂层含水层和下部砂层含水层之间，埋藏深度227m，厚8m。

2.3充水通道

（1）导水裂缝带

导水裂缝带是指冒落带以上出现的大量切层、离层和裂缝发育带。该带一般由下而上裂缝和离层程度由强到弱，但是当顶板岩性及其组合变化复杂时，也会出现不均匀发育的特点。导水裂缝带是矿井涌水的主要通道，具有较强的导水性。

（2）断裂带

范各庄矿井田煤系地层下部以奥陶系石灰岩为基底，上部有巨厚冲积层覆盖。井田南北两翼均为向斜构造，中间为单斜构造，有良好的储水条件，地下水极易沿岩层的孔隙、裂隙集中而达到饱和，其结果使所有含水层均为承压状态。

3设计区域及周边开采现状

设计区域上方的5煤、7煤、9煤、11煤层或不可采、或为冲积层防水煤柱，均未有过采掘工程，仅7煤、9煤于设计区域周边上方进行了部分开采。各煤层开采对照见（图1）

图1 各煤层开采对照图

4设计区域煤层赋存

设计区域位于范各庄矿一水平南四采区南部、南五采区东部的毕各庄风井煤柱区，其位置及范围见(图2)。

图2 设计区域范围及位置图

12煤层赋存标高在-210~-370m，埋深235~395m，煤层结构简单，煤厚3.7m~7.0m，煤层倾角7~13°，属缓倾斜煤层，12、12下煤层在风井煤柱区形成合区。此区域设计为分层开采，首采下分层。

5设计区域覆岩岩性结构

在东部露头区附近煤层埋深浅、基岩变化大、分布不完整，设计区域深部12煤层上覆基岩为12煤层顶板至5煤层顶板风化带基岩段，浅部为12煤层顶板至11煤层顶板风化带基岩段。毕各庄风井煤柱区12煤层覆岩结构具有以砂岩类岩层为主、砂岩泥岩交互沉积的特点。

5.1覆岩力学性能

覆岩的破坏高度与覆岩的岩性及力学结构特征有密切的关系。刚性、脆性岩层容易产生裂缝。塑性、韧性岩层则不易产生裂缝。刚塑搭配、薄厚搭配的岩层．其防水和抗裂性都较好。因此，不同力学结构类型的顶板和覆岩，其破坏性的最大高度是不同的。因此，覆岩力学性能是影响覆岩破坏高度的重要因素，参考设计区域周边各煤层顶底板岩性及强度，计算求得设计区域12煤顶板覆岩的综合强度为46.88MPa。

5.2覆岩岩性类型

由于第四系底部部分区域存在粘土隔水层，粘土层厚度平均为7.39m。考虑到区域部分钻孔位置第四系底部有厚度粘土隔水层和基岩风化带存在，底粘和风化带岩性软弱，对采动裂缝发育有抑制作用。根据水体下采煤实践，第四系底部粘土层和基岩风化带可作为露头区基岩柱的组成部分，基岩风化带和底粘部分岩体强度已接近软岩条件，受底粘和基岩风化带影响，基岩柱整体强度显著降低，综合确定正常基岩段整体强度应在40MPa以内。参照“三下采煤”规范中煤层覆岩岩性分类，可综合确定设计区域12煤覆岩属于中硬型覆岩类型。

6防水煤柱留设

6.1导水裂隙带高度

从垂向来看，第四系冲积地层岩性变化大，由多层砂、砂土、砂层和粘土交互沉积组成，天然条件下，含水层之间垂向水力联系具有明显的区域差异性，设计区域底砾含水层上部赋存有粘土层，对底砾含水层与上部含水层之间水力联系有一定影响；在松散层底部粘土缺失的地段，底砾含水层与煤系砂岩含水层直接接触，水力联系密切。总的来看，第四系底部砾石含水层富水性较强，补给丰富，在生产期间应加以防范。

第四系底部粘土在水体下采煤、特别是露头煤柱的开采实践中起着重要作用，由于粘性土松软、具有可塑性的特性，不仅可以有效抑制导水裂缝带向上发育，而且可以有效阻止上部含水层向工作面直接充水，因此，底部黏土层赋存情况是设计防水煤岩柱必须考虑的。

根据本矿开采条件，规划对风井煤柱区进行分层综采，首分层设计采厚4.0m、二分层设计采厚2.5m，累计采厚6.5m。12煤层分两层开采后的导水裂缝带高度如下：

（1）首分层开采4.0m后，导水裂缝带高度为50.0m；

（2）二分层开采2.5m后，累计开采厚度6.5m，导水裂缝带高度为60.99m。

6.2防水安全煤岩柱高度见(表1)

表1毕各庄风井煤柱区防水安全煤岩柱高度（m）

分层	分层采厚	累计采厚	导水裂隙带高度	保护层厚度	防水安全 煤岩柱高度
首分层	4.0	4.0	68.0	24.0	92.0
二分层	2.5	6.5	78.0	19.5	97.5

根据上表范矿12煤层各分层开采防水安全煤岩柱高度如下：

（1）首分层开采4.0m后，防水安全煤岩柱高度为92.0m；

（2）二分层开采2.5m后，累计开采厚度6.5m，防水安全煤岩柱高度为97.5m。

根据计算的防水煤岩柱高度，结合12煤层底部等高线、基岩面等高线，综合划定了各分层开采后的冲积层防水煤岩柱线见（图3）。

图3防水煤柱线布置图

7区域变形观测

研究井下开采和地表沉降之间的关系，了解该区域地表移动变形规律，检验范各庄矿原有岩移参数在该区域的适用性。

7.1 沉降观测站设计

（1）观测点制作与埋设

观测点采用混凝土预制件。规格：上部100mm×100mm，下部200mm×200mm，高500mm，用直径不小于18mm的钢筋做成L型，顶端上面刻成十字槽，将钢筋用混凝土浇筑在中间，钢筋漏出混凝土面2～5mm，观测点埋设要求坑底土面夯实，埋设后预制件顶端出漏地面30～50mm。见（图3）。

图3 观测点制作及埋设样式

（2）观测线布设要求

观测线布设主要依托现场道路，走向观测线尽量与设计工作面走向一致，倾向观测线尽量与设计工作面倾向一致。观测线控制点应设计在工作面波及范围线外，观测线一端也应设计到波及范围线外100m。

（3）观测线设计

设计1条走向观测线和2条倾向观测线。点间距30m；上述距离在实际埋点中可能存在一定偏差，将偏差控制在3m以内见（图4）.

图4观测站布设图

7.2观测周期

（1）初始期前导线测量应至少进行两次，以两次观测成果的平均值作为初始成果；

（2）下沉活跃期（即每月下沉值大于50mm）应进行不少于四次的全面观测；

（3）当六个月内累积下沉值不超过30mm时，应进行最后两次全面观测，取平均值作为最终成果。

8.结论

本文对毕各庄风井煤柱区覆岩结构类型、第四系底部含隔水层分布情况进行了充分分析。根据本矿第四系冲积层防水煤岩柱留设经验，以及设计区域12煤层赋存条件、覆岩类型及第四系底部含隔水层情况，对设计区域防水煤岩柱进行了设计。开采过程中严格按照设计采厚及冲击层防水煤柱线进行开采，地表观测详实记录井下回采位置、煤层厚度、采高、地质和水文地质情况等。每次观测都检查地表、建筑物是否出现裂缝或毁损，发现问题及时填图注记，并形成台账资料。通过对该区域煤柱的研究、分析、开采，对以后井田内其他区域冲击层煤柱的挖潜和安全回采具有借鉴意义。

参考文献

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[2] 白庆辉，巨厚冲积层下开采防治水研究[J]，能源技术与管理，2015（003）： 01-02

[3] 黄万朋，松散冲击层下提高煤层群开采上限研究[J].煤炭工程 2015（5）：.01-02。

作者简介

李根明（1970-）男，汉族，河北唐山人，矿山地质技师，本科，研究方向为矿山地质，Tel:[phone],Email:[e-mail]。

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