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水庫下壓煤開采安全性分析

文檔作者：方文會劉義新文檔來源： 1．煤炭工業(yè)鄭州設(shè)計研究院股份有限公司 2．煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 3．北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心			點擊數(shù)：
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第!期
2015年2月
礦 山 測 量
MINE SURVEYING
NO．1
Feb．2O15
doi：10．3969／j．issn．1001—358X．2015．ul·22
水庫下壓煤開采安全性分析木
方文會 。劉義新 t
(1．煤炭工業(yè)鄭州設(shè)計研究院股份有限公司，鄭州450007；
2．煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；3．北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京 100013)
摘要：水庫下壓煤開采必須對開采的安全性進行分析 文中以某水庫壓煤區(qū)域為研究對象，根據(jù)礦
井地質(zhì)采礦條件和水體情況，分析了壓煤區(qū)域覆巖結(jié)構(gòu)特性；利用綜放開采導(dǎo)水裂縫帶計算公式求
得了水庫下覆巖破壞最大發(fā)育高度；同時結(jié)合國內(nèi)外類似條件下已有的成功實例，綜合分析了水庫
下壓煤綜放開采的安全性。結(jié)果表明水庫下壓煤開采是安全的。
關(guān)鍵詞：水庫下采煤；導(dǎo)水裂縫帶；綜放開采
中圖分類號：TD823．83 文獻標識碼：B 文章編號：1001—358X(2015)01—0066—02
煤層地下開采引起上覆巖層及地表移動、變形
及破壞‘，會對采動影響范圍內(nèi)的水體產(chǎn)生一定程度
的影響，嚴重時會導(dǎo)致水砂潰人井下，威脅礦井安全
生產(chǎn)；甚至造成淹井，給礦井帶來嚴重的經(jīng)濟損失和
不良的社會效益。因此，進行水庫下壓煤開采，采前
必須對水庫下壓煤開采的安全性進行分析，以便采
取相應(yīng)的安全技術(shù)措施，從而確保煤礦安全生產(chǎn)和
水庫安全使用。本文以某煤礦水庫壓煤為研究對
象，根據(jù)煤礦和水庫的實際情況，進行了覆巖結(jié)構(gòu)特
征分析及導(dǎo)水裂縫帶高度計算，并結(jié)合國內(nèi)外已有
成功實例，對水庫下壓煤綜放開采的安全性進行了
綜合分析。研究對于確保煤礦安全生產(chǎn)，提高煤炭
采出率，增加礦井服務(wù)年限，保證水庫的安全運行等
都具有重要的現(xiàn)實意義。
1 煤礦地質(zhì)采礦條件及水庫概況
1．1 煤礦地質(zhì)采礦條件
河南省某煤礦為井工煤礦，井田東西長14 km，
南北寬2～4 km，井田面積約33 km ，生產(chǎn)能力為
1．8 Mt／a，采用主斜井、副立井兩個水平上下山開
拓，綜采放頂煤開采，全部垮落法管理頂板。本井田
地處低山丘陵區(qū)，地表主要水體為水庫。 ．
井田出露地層由老至新有：寒武系上統(tǒng)崮山組、
長山組，奧陶系中統(tǒng)馬家溝組，石炭系上統(tǒng)本溪組、
太原組，二疊系下統(tǒng)山西組和下石盒子組，以及上統(tǒng)
上石盒子組和石千峰組，三疊系下統(tǒng)，下第三系和第
四系。其中第四系厚度為0～28．20 m，平均7 m，由
基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51404139)。
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黏土、砂質(zhì)黏土及礫石組成。
井田含煤地層為上石炭統(tǒng)太原組、下二疊統(tǒng)山
西組和下石盒子組及上二疊統(tǒng)上石盒子組，劃分為9
個煤段，常見含煤21層，煤層總厚度11．72 m。其
中，山西組所含二．煤層為本井田主要可采煤層，平
均厚度約5．3 m。二 煤層結(jié)構(gòu)簡單，傾角較緩，直
接頂大部為中及細砂巖，局部為泥巖及炭質(zhì)泥巖偽
頂，且分布零散。煤層底板以泥巖為主，有炭質(zhì)泥巖
偽底。
井田地層整體上呈向北傾斜的單斜構(gòu)造，構(gòu)造
形跡以正斷層為主。水庫下方斷層不發(fā)育，僅有2
條落差小于5 m的斷層，再無其它大斷層。
井田內(nèi)共劃分為7個含水層、5個隔水層。主采
煤層二 煤層上方含水層分別為頂板砂巖含水層和
第四系含水層，富水性弱，且又有層厚分別約為
160 m和320 m 的泥巖及炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖隔水
層，厚度大，層位穩(wěn)定，為良好的隔水層。壓煤區(qū)水
文地質(zhì)條件簡單。
1．2 水庫概況
在井田的中部范圍內(nèi)有某水庫，為一小型水庫，
南北長約170 m，東西寬約27 m，匯水面積4．5 km ，
總庫容量1718萬m ，最大泄洪流量908 m ／s，最高
洪水位標高349．25 m，主要用于當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)灌溉。為
保護該水庫的正常使用，對水庫采取留設(shè)保護煤柱
的保護措施。根據(jù)文獻[1](簡稱“三下”采煤規(guī)程)
的有關(guān)規(guī)定，參考臨近的其它生產(chǎn)礦井巖層移動角，
采用垂線法留設(shè)保護煤柱，計算得出水庫壓煤量為
8．418 Mt。為提高煤炭采出率，增加礦井服務(wù)年限，
第1期 方文會等：水庫下壓煤開采安全性分析’ 2015年2月
優(yōu)化礦井生產(chǎn)系統(tǒng)布置，有必要重新對水庫下壓煤
能否開采和開采的安全性進行論證。
2 水庫下壓煤開采安全性分析
2．1 覆巖結(jié)構(gòu)特征分析及破壞高度的預(yù)計
(1)覆巖結(jié)構(gòu)特征分析
水體下采煤主要考慮開采引起的覆巖中裂隙是
否波及地表水體，是否與地表水體發(fā)生水力聯(lián)
系¨ 。因此，水體下壓煤開采安全性分析首要關(guān)
注的是開采引起的覆巖破壞規(guī)律。覆巖破壞規(guī)律影
響因素繁多，如上覆巖層的物理力學(xué)性質(zhì)及結(jié)構(gòu)特
征、采煤方法、頂板管理方法、煤層傾角、采厚、開采
時間等。通常在煤層屬性和采煤方法相同的條件
下，覆巖巖性與覆巖破壞規(guī)律密切相關(guān)。堅硬頂板
條件下，覆巖破壞高度大，開采易波及水體，水體下
采煤安全性相對較低；軟弱頂板條件下，覆巖破壞高
度較小，開采不易波及水體，水體下采煤較為有利。
通過對該水庫附近區(qū)域鉆孔資料進行統(tǒng)計分
析，主采煤層二 煤層上方煤系地層主要以砂巖和泥
巖互層為主，砂巖所占的比例略大于泥巖所占的比
例，覆巖巖性判定為中硬巖性，并據(jù)此來計算覆巖破
壞高度。
(2)覆巖破壞高度的預(yù)計
覆巖破壞高度與許多地質(zhì)采礦條件有關(guān)，很難
給出統(tǒng)一的多元相關(guān)的表達式。目前確定覆巖破壞
高度的方法¨ 主要有實測法、模擬法、以及經(jīng)驗公
式法等。在沒有礦區(qū)實測資料時，主要采用經(jīng)驗公
式進行預(yù)計。目前主要根據(jù)覆巖巖性及煤層采厚，
采用“三下”采煤規(guī)程中給出的計算公式，可分別求
出垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶高度。但規(guī)程中的計算公式
適用于厚煤層分層長壁垮落法開采，單層采厚1～3
m，累計采厚小于15 m的情況下。
當(dāng)采用綜放一次采全高開采時，由于一次采出
厚度大，上覆巖層破壞發(fā)育高度比分層開采條件下
大，此時若繼續(xù)用“三下”采煤規(guī)程中的計算公式進
行計算顯然不妥，不滿足計算公式適用條件，計算結(jié)
果有偏差，直接影響對水體下采煤安全性的判斷。
目前，我國對綜放開采覆巖破壞和地表沉陷規(guī)律研
究取得了豐碩成果 。由于本礦無實測的導(dǎo)水裂
縫帶高度數(shù)據(jù)，故根據(jù)文獻[5]給出的中硬條件下導(dǎo)
水裂縫帶高度計算公式：H，；=20 M +10(式中：日。；為
導(dǎo)水裂縫帶高度，m；M 為采厚，m)，求得本礦二 煤
層綜放開采條件下導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育的最大高度為
116 m 。
為保證導(dǎo)水裂縫帶不波及水體，確保水體壓煤
開采安全可靠，需考慮保護層厚度，通常需留設(shè)(3～
5)A(A為采厚，m)的保護層厚度。二。煤層開采時，
按最大保護層厚度為5 A時計算保護層厚度為26．5
m，求得二，煤層開采時需要留設(shè)的安全煤巖柱厚度
為142．5 m。而水庫下二 煤層上覆巖層厚度約64：4
m，可見，二 煤層開采后導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育的最大高
度與水庫底界面有厚約501．5 m 的基巖層，導(dǎo)水裂
縫帶不會波及到水庫，且該基巖層中賦存有多層厚
度大隔水性好的泥巖層，不會形成礦井水災(zāi)通道，即
水庫壓煤開采不會引起水庫水體滲漏。因此，水庫
下壓覆的二 煤層進行綜放開采是安全的。
2．2 工程類比分析
水體下采煤在國內(nèi)外已積累了大量實例和豐富
經(jīng)驗。國外水體下采煤主要根據(jù)安全開采深度來判
定，安全開采深度多取采高倍數(shù) 。前蘇聯(lián)采高倍
數(shù)取值較大：大水庫下為200，北頓涅茨河下為150，
其它河流下為100；加拿大在海洋下開采的倍數(shù)為
100。我國在水體下開采厚煤層大于或等于5．0 m
的成功實例也較多 。本水庫壓煤區(qū)域采深采厚比
值為121，已大予前蘇聯(lián)大水庫下開采的安全深度倍
數(shù)取值。類比國內(nèi)外已有的實例，二。煤層在水庫下
進行綜放開采是安全的。
3 結(jié) 論
(1)覆巖結(jié)構(gòu)特性分析和導(dǎo)水裂縫帶高度計算
表明，二 煤層綜放開采條件下導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育的最
大高度為116 m，考慮5倍的最大保護層厚度，二 煤
層開采時需要留設(shè)的安全煤巖柱厚度為142．5 m，而
導(dǎo)水裂縫帶最大高度與水庫底界面有厚約501．5 Ill
的基巖層，導(dǎo)水裂縫帶不會波及到水庫，不會形成礦
井水災(zāi)通道。
(2)導(dǎo)水裂縫帶高度計算和國內(nèi)外成功經(jīng)驗類
比綜合表明，水庫下壓覆的二。。煤層進行綜放開采是
安全的。
參考文獻：
[1] 國家煤炭工業(yè)局．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[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，
2000． (下轉(zhuǎn)第85頁)
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