傅先杰

((國投新集能源股份有限公司,安徽 淮南 232001))

國投新集公司新集二礦屬地表水體、新生界沖積松散層水體和全國少有的推覆構(gòu)造產(chǎn)生的推覆構(gòu)造含水體下采煤。各煤層淺部均按規(guī)定留設(shè)80m防水煤柱，壓煤5237萬噸。防水煤柱留設(shè)在許多情況下研究得較多，如賈劍青等研究的急傾斜工作面情況下防水煤柱留設(shè)[1]，尹尚先教授研究的陷落柱情況下防水煤柱留設(shè)[2]，施龍青等研究的采場底板斷層情況下防水煤柱留設(shè)[3]等等。 然而推覆構(gòu)造含水體下采煤方面的研究工作較少，除了合肥煤炭設(shè)計研究院劉建華、汪大發(fā)[4]和國投新集公司劉厚富、方運買、張五兵[5、6]做過些許研究外，該領(lǐng)域存在很大空白。因此，在推覆構(gòu)造含水體下合理縮小防水煤柱開采，多回收煤炭資源，延長礦井服務(wù)年限是一個重要課題[7、8]。

1 煤層覆巖水文及工程地質(zhì)條件研究

1.1 井田地質(zhì)

井田位于淮南復(fù)向斜穎鳳區(qū)阜鳳逆沖斷層為主體的迭瓦狀推覆構(gòu)造中段，推覆構(gòu)造發(fā)育有阜鳳下夾片斷層、F02等分支斷層，構(gòu)造線方向近東西(見圖1)。

圖1 井田構(gòu)造示意圖

推覆構(gòu)造將外來老地層推覆于原地系統(tǒng)之上，形成縱向上四套式地層結(jié)構(gòu)。淺部為新生界流砂沖積層。中部為外來老地層的推覆構(gòu)造含水體，其中，F(xiàn)02斷層以南為下元古界片麻巖和奧陶系、石炭一二疊系地層，含灰?guī)r；F02斷層以北為寒武系地層，主要為灰?guī)r。深部為原地二疊系煤系地層。底部為原地太原群灰?guī)r及其以下地層等?？刹擅簩?4層，總厚35.37 m，主采煤層自上而下有13-1、11-2、8、6-1、1煤層。

1.2 制約各煤層縮小防水煤柱開采的含水層

覆巖中，對11-2煤及其以下煤層縮小防水煤柱開采有直接影響的含水層有：推覆構(gòu)造含水體下元古界片麻巖裂隙承壓含水層、下夾片灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層和推覆構(gòu)造帶及其分支夾片斷層。

對13-1煤層縮小防水煤柱開采有直接影響的含水層有：推覆構(gòu)造含水體下元古界片麻巖裂隙承壓含水層、體寒武系灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層和推覆構(gòu)造帶及其分支夾片斷層(見圖2)。

圖2 井田傾向地質(zhì)剖面和推覆構(gòu)造含水體含水層示意圖

1.3 開采覆巖水文及工程地質(zhì)條件

1.3.1 推覆構(gòu)造含水體下元古界片麻巖裂隙承壓含水層

該層由花崗片麻巖、角閃片麻巖及混合片麻巖組成，沿走向覆蓋于F02斷層以南下夾片地層之上，最大厚度475.52 m，揭露漏水鉆孔5個，漏水率占15%，漏失量均小于10 m3/h，漏水點均處于中上部，其他層位無出水點，故中上部富水性強而下部富水性弱。

該片麻巖裂隙承壓含水層的淺部風(fēng)化帶巖石松散破碎，強度低；中部完整帶巖石致密堅硬，強度高；底部破碎帶受構(gòu)造影響，巖石完整性差，強度低。

研究表明，推覆構(gòu)造含水體下元古界片麻巖地層下部水文地質(zhì)及工程地質(zhì)條件為縮小防水煤柱開采有利條件。

1.3.2 推覆構(gòu)造含水體下夾片灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層

該層位于阜鳳逆沖斷層、推覆構(gòu)造含水體下元古界片麻巖下，呈細長帶狀透鏡體順走向直接疊覆于11-2煤及以下煤層露頭之上。由石炭～二疊系、奧陶系砂巖、泥巖、煤層、灰?guī)r組成，厚為0～183 m。其中灰?guī)r占34%，分布于下夾片地層中上部，為主要含水層，巖溶發(fā)育，富水性強．而底部富水性弱。

下夾片為推覆構(gòu)造裹帶體，軟弱結(jié)構(gòu)面多，強度低，為軟弱類覆巖。

研究表明，推覆構(gòu)造含水體下夾片地層下部水文地質(zhì)及工程地質(zhì)條件為縮小防水煤柱開采有利條件。

1.3.3 推覆構(gòu)造帶及其分支夾片斷層

推覆構(gòu)造帶即阜鳳逆沖斷層及分支夾片斷層，為擠壓性質(zhì)，由砂巖、泥巖、煤屑受擠壓經(jīng)泥質(zhì)膠結(jié)而成。富水性弱，自然條件下呈壓性閉合狀態(tài)，導(dǎo)水性差；巖石破碎，完整性差；在煤層露頭控制程度差，直接影響防水煤柱留設(shè)。

研究表明，推覆構(gòu)造帶及其分支夾片斷層在自然狀態(tài)下的水文地質(zhì)及工程地質(zhì)條件為縮小防水煤柱開采有利條件。

1.3.4 推覆構(gòu)造含水體寒武系灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層

綜合研究井田19個揭露推覆構(gòu)造含水體寒武系地層的勘探孔資料和井上、下鉆探及水文地質(zhì)試驗成果，對比淮南區(qū)域寒武系地層取得了技術(shù)成果。

1) 推覆構(gòu)造含水體寒武系地層埋深42.2～939.6 m、厚14.8～843 m，位于F02斷層以北與阜鳳逆沖斷層之間13-1煤之上，剖面上呈Y型分布，底界面為阜鳳逆沖斷層，上覆新生界松散層，下伏煤系地層。

2) 地層走向近東西，傾向北，傾角80～90°，主要為灰?guī)r、砂泥巖,砂巖次之。以寒武系下統(tǒng)為主、中統(tǒng)次之，即F10斷層以南13-1煤上覆為寒武系下統(tǒng)的綜紅色砂泥巖夾數(shù)層灰?guī)r的鏝頭組和上部為白云質(zhì)灰?guī)r、中部為白云質(zhì)灰?guī)r與泥灰?guī)r互層、下部為砂質(zhì)灰?guī)r的猴家山組，富水性相對比較弱。而寒武系地層中相對富水強的中統(tǒng)張夏組分布在F10斷層以北。

3) 溶隙為主，溶洞及溶孔次之，巖溶及漏水分布在風(fēng)化帶，其下次之。q=0.0006～0.981 L/(s·m)，平面及垂向分布不均，受層組制約。

4) 寒武系地下水沿走向逕流暢通，沿傾向及向底有聯(lián)系但滯后，僅東部為給水邊界，其余為隔水邊界。

研究表明，F(xiàn)10斷層以南13-1煤上覆推覆構(gòu)造含水體寒武系地層水文地質(zhì)及工程地質(zhì)條件為縮小防水煤柱開采有利條件。

1.4 覆巖破壞研究

1.4.1 研究的條件和方法

井田內(nèi)-500 m水平以上，開采煤層傾角一般為10°、局部增大至15°，煤厚3.5 m。觀測結(jié)果表明，綜采一次采全高3.5 m、月推進120 m時工作面老頂來壓步距一般為5～30 m。

最大導(dǎo)水裂隙帶高度是評價防水煤巖柱安全質(zhì)量的重要參數(shù)。在研究煤層覆巖水文、工程地質(zhì)條件及大量巖體物理力學(xué)試驗的基礎(chǔ)上，確定地質(zhì)模型。采用相似材料模擬和數(shù)值模擬二種方法研究覆巖破壞規(guī)律。

1.4.2 相似材料模擬研究覆巖破壞規(guī)律

結(jié)合理論分析計算及礦井調(diào)查資料給定參數(shù)，建立計算模型，用大型非線性ADINA程序進行相似材料模擬此種開采水文地質(zhì)及工程地質(zhì)條件下綜采一次采全高、開采中厚煤層的彈塑有限元分析，從而揭示采后覆巖內(nèi)部應(yīng)力變形、破壞的規(guī)律性：

1) 13-1煤及其以下煤層開采覆巖富水性弱、軟弱一中硬覆巖類型，為縮小防水煤柱、提高開采上限開采提供可行性條件。

2) 最大導(dǎo)水裂隙帶高度一般分布于開采邊界附近的支撐應(yīng)力較大位置，走向及傾向均呈兩端高、中間低的“馬鞍”型。

3) 冒落帶高度為采厚的2～5倍，最大導(dǎo)水裂隙帶高度為采厚的8～15倍。

1.4.3 數(shù)值模擬法研究覆巖破壞規(guī)律

根據(jù)本井田回采觀測，工作面老頂來壓步距一般為5～30 m。因此，本研究采用數(shù)值模擬法，計算出煤層傾角10°、來壓步距為30 m時煤層頂板中應(yīng)力差分布規(guī)律見圖3，煤層傾角15°、來壓步距為30 m時煤層頂板中應(yīng)力差分布規(guī)律見圖4。從圖中可以看出：

圖3 煤層傾角10°空頂距30 m應(yīng)力差等值線

圖4 煤層傾角15°空頂距30 m應(yīng)力差等值線

1) 采厚3.5 m、煤層傾角10°、老頂來壓步距30 m時，導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育高度為41.3 m；采厚3.5 m、煤層傾角15°、老頂來壓步距30 m時，導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育高度為43.7 m。

2) 煤層傾角小于30°時，導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育高度隨煤層傾角增大而增大的趨勢并不明顯；來壓步距超過30 m后，其對導(dǎo)水裂隙發(fā)育影響也不顯著。

二種方法研究成果表明：煤層傾角小于30°，綜采一次采全高3.5 m、月推進120 m時，開采產(chǎn)生的最大導(dǎo)水裂隙帶高度不超過45 m。

2 開采實踐

2.1 縮小防水煤柱依據(jù)

根據(jù)研究成果，縮小防水煤柱依據(jù)為：

1) 覆巖推覆構(gòu)造含水體片麻巖、下夾片地層底部和F10斷層以南寒武系地層為弱含水層，可作為防水巖柱對待，允許最大導(dǎo)水裂隙帶高度進入其底部。

2) 根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》和井下超前探水成果，縮小防水煤柱時，工作面按Ⅱ水體采動等級留設(shè)防水煤巖柱和保護層，即防水煤巖柱不小于65 m。確保最大裂高波及不到覆巖下夾片上部灰?guī)r含水層和片麻巖、寒武系灰?guī)r地層中上部富水的含水層。

2.2 防水煤柱留設(shè)及試采實踐

實踐證明，縮小防水煤柱時留設(shè)的防水煤巖柱留設(shè)安全可靠，工作面回采時涌水量為20～98 m3/h，防排水措施得力，開采成功。已安全成功回采縮小防水煤柱工作面16個，在80 m防水煤柱內(nèi)回收煤炭資源393.7萬噸。其中，13-1煤層3個工作面，回收防水煤柱煤炭資源86.3萬噸；11-2煤層4個面，回收防水煤柱資源136.5萬噸；8煤層6個面，回收防水煤柱資源85.5萬噸；6-1煤層3個面，回收防水煤柱資源84.8萬噸。具體見表1。

表1 縮小防水煤柱開采的工作面

3 結(jié)論

通過對開采有影響的推覆構(gòu)造含水體覆巖水文、工程地質(zhì)條件及開采覆巖破壞進行研究和預(yù)測，對推覆構(gòu)造條件下合理留設(shè)防水煤柱問題進行探討，得到了以下幾點認識：

1) 推覆構(gòu)造產(chǎn)生的推覆構(gòu)造含水體含水層下部為弱含水層，可作為防水巖柱使用，縮小防水煤柱開采。并為類似開采條件下縮小防水煤柱開采積累了理論和實踐經(jīng)驗。

2) 推覆構(gòu)造帶受開采影響而可能活化導(dǎo)水，開采布置應(yīng)盡可能避開覆巖破壞影響到阜鳳逆沖斷層與F02斷層分叉區(qū)。同時在推覆構(gòu)造帶與原地基巖間產(chǎn)生“離層”，可能會產(chǎn)生礦壓沖擊危害，需加強觀測研究和防治。

3) 推覆構(gòu)造含水體底部可能存在裂隙帶，縮小防水煤柱時要綜合各種因素。

4) 通過推覆構(gòu)造含水體下縮小防水煤柱開采實踐，《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中防水煤巖柱留設(shè)的理論、計算公式和參數(shù)有待進一步認識。

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