摘要：本文依据五沟煤矿大量的钻探资料及现场试验数据，分析了含水层下大采高缩小防护煤柱综采工作面的工程地质特征。根据相关规程及相似模拟实验对综采工作面开采后导水裂缝带、冒落带高度的计算分析,得出五沟煤矿1012综采面缩小防水煤柱开采在技术上是可行性。

　　关键字：防水煤柱;导水裂缝带;冒落带;含水松散层

　　概况

　　五沟煤矿于2008年10月28日矿井建成投产，井田面积21.6508km2。该矿主采二叠系下石盒子组及山西组72#、81#、82#、10#煤层，平均煤厚分别为1.80m、2.53m、2.50m和3.86m;五沟煤矿为隐伏式煤田，煤系地层上部有巨厚的松散层,松散层厚度262.36～287.05m，平均厚273.4m。南一采区位于井田的中部，主采煤层为10煤，平均倾角8°。主采煤层上方覆盖273m左右的厚松散含水层，特别是其底部有20.1～30.15，平均22.1m厚的第四系第四砂、砾石含水层，覆盖在开采煤层露头之上，对煤系地层进行间接渗透补给，给浅部煤层的安全开采构成了一定的威胁。

　　2 地质及水文地质条件

　　2.1地质概况

　　1012综放面为二叠系下统山西组10煤层阶段，工作面走向长1188m，倾斜宽68～210m，平均厚度4.9m，平均倾角10°，工业储量105.5万吨，可采储量100.2万吨，其中，上提部位可采储量11.7万吨。该面采用走向长壁后退式大采高综采开采厚含水松散层下薄基岩浅埋煤层的采煤法，这在整个临涣矿区尚属首例。

　　2.2水文地质条件

　　与1012综放面提高上限有关的主要含水层为10煤层上覆的新生界松散含水层、顶板砂岩裂隙含水层和底板灰岩含水层。 新生界松散层含隔水性特征 南一采区1012工作面上覆新生界松散层厚度为262.36～287.05m，平均

　　厚273.4m，由浅往深逐渐增厚，由四周向中部逐渐增厚;其中，位于南一采区中深部30-8钻孔揭露的松散层最大厚度为287.05 m。整个采区范围内的松散层，自上而下划分为4个含水层组和3个隔水层组。松散层沉积基本特征和含水性见表1-1所示。 表1-1五沟煤矿第四系松散层结构特征 含 水 层

　　(组、段)名称 厚度(m) 水文地质参数 含隔水性 水 质 类 型 q(l/s.m) K(m/d) 一含 27.40～33.30 0.1-0.4821 3.09 中-强 HCO3-Na.Mg 一隔 12.2 Ip=17.8～22.2 粘土 二含 3.00～25.30 0.1-3.00 0.92-10.95 中-强 HCO3.SO4-Na.Ca

　　HCO3-Na.Ca

　　二隔 4.50～31.20 Ip=18～24 隔水 三含 22.30～65.06 0.546～0.274 0.513-5.47 中等-强 SO4.HCO3-Na.Ca

　　HCO3.SO4-Na.Ca

　　三隔 48.3～82.54 Ip=11～28 隔水良好 四含 6.12～35.85 0.0042～0.2266 0.004523～0.9241 弱-中等 SO4.HCO3-Na

　　HCO3.Cl-Na.Ca

由表可知，一含、二含和三含的含水量比较丰富，补给也较为充分，但由于三隔可塑性好，膨胀性强，厚度大，分布稳定，隔水性良好，因此，对1012工作面浅部煤层安全开采影响较小。

图1-1 四含长观孔水3、水4、水7、30-8水位动态变化曲线 由“四含”动态水位变化特征(图1-1)可以看出：工作面开采后，工作面周边“四含”长观孔“四含”水位基本没有发生明显的变化，表明采动裂隙尚未波及到“四含”，而新近施工的水7孔四含水位下降较大，表明：四含的富水性较弱，且水平渗透补给能力不强。 图1-2四含水砂层等厚线图 根据南一采区浅部钻孔资料所作的松散层底部第四含水砂层等厚线图(图1-2)可知，该含水层厚度，在南一采区1012工作面的厚度变化范围为20.1～30.15m;根据邻近的1016-1、1016-2揭露，“四含”含水砂层，岩性复杂，由砾石、砂砾、粘土砾石、粗砂为主、长石云母次之的细砂、中细砂、粉沙和粘土质砂组成，中夹0～4层粘土及亚粘土;局部地段钙质富集，砂粒呈胶结岩状。四含中夹有的薄层粘性土层，分布不稳定，常呈透镜状犬牙交错地穿插在砂层中。单位涌水量q=0.0209～0.2266L/s.m，k=0.0667～0.9241m/d。按照水文地质参数、四含砂层的结构特征及“四含”颗粒组成情况，比照《三下采煤规程》，南一采区第四含水砂层应为弱～中等含水层，且其迳流、补给、排泄条件不畅。 顶板砂岩裂隙含水层 南一采区浅部煤层顶板岩性较为简单，主要由砂质泥岩、泥岩和粉砂岩、细砂岩、中粗砂岩组成，据1016工作面的开采实践和1016工作面两带高度探测孔揭露资料表明，由于接近新生界底界面，风化裂隙多被充填，富水性较弱，补给来源有限，对南一采区浅部工作面的安全开采影响较小;南一采区浅部煤层上方老顶30m处有一层4.0～5.0m的中粗砂岩，原生裂隙不太发育，应以静储量为主，1016工作面的开采实践表明，对1012等工作面浅部煤层的安全开采影响不大。 断层的富水性特征 1012工作面内构造较简单，北端有F14系列正断层，走向北东，倾向北西,倾角700，H=10～280m，根据J1-7孔对F14断层破碎带抽水试验，q=0.006122L/s.m，k=0.01021m/d，为富水性较弱的断层，且留设有相应的断层防水煤柱，因此对1012工作面的安全开采影响较小。

　　2.3水体采动等级

　　根据南一采区1016工作面浅部开采区域三隔、四含的分布规律、含、隔水特性，按照水体的类型、流态、规模、赋存条件，依照“三下”采煤规程，水体采动等级的划分，确定南一采区西翼的1012工作面上覆松散含水层中的第四含水层应属Ⅰ类水体，应进行留设防水煤岩柱设计，不允许导水裂隙带顶点波及第四含水层。

　　3 导水高度预计

　　3.1按“三下”采煤规程留设 冒落带高度的预计 根据补5和1016-1采前水文检查孔的岩体力学性能实验测试资料，结合与其邻近的童亭煤矿32采区的试验研究结果可知，故主采煤层浅部覆岩属于软弱～中硬型。因此，选用软弱～中硬类型的覆岩计算公式进行“两带”高度预计，预计参数及条件为南一采区内，10煤层重新界定部位最大采厚为4.8m。

　　Ⅰ覆岩按软弱计算时，

　　Hm=100∑M/(6.2∑M+32)±1.5

　　经计算Hm=9.27m

　　Ⅱ 覆岩按中硬计算时，

　　Hm=100∑M/(4.7∑M+19)±2.2

　　经计算Hm=13.75m

　　式中：Hm为冒落带高度，m;M为煤层开采厚度(取4.8m)。 保护层计算 按“三下”采煤《规程》规定，南一采区1012工作面可按“松散层底部无粘性土隔水层”的情况选取，工作面覆岩岩性为软弱～中硬类型时，

　　Hb=2A～3A，即：

　　覆岩为中硬时：Hb=3A=3×4.8=14.4m

　　覆岩为软弱时：Hb=2A=2×4.8=9.6m 防砂煤岩柱垂高计算 Ⅰ 按软弱覆岩计算：

　　Hsb=Hmi+Hb=9.6+9.27=18.87m

　　Ⅱ 按中硬覆岩计算：

　　Hsb=Hmi+Hb=13.75+14.4=28.15m 导水裂缝带高度预计 按所选定的综采液压支架最大采高4.8m预计，

　　Ⅰ覆岩按软弱计算时，

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