维普资讯 http://www.cqvip.com 矿业快报 Ｓｅｒｉａｌ Ｎｏ．４７１ ＥＸＰＲＥＳＳ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ 总第４７１期 Ｊｕｌｙ．２００８ ０Ｆ ＭＩＮＩＮＧ ＩＮＤＵＳＴＲＹ ２００８年７月第７期 基于工程地质勘探的防水煤岩柱留设预计 孙萌 张改玲 （浙江煤炭地质局勘探二队） （中国矿业大学资源与地球科学学院） 摘要：叙述了基于工程地质勘察的防水（砂）煤岩柱留设预计的基本原理和方法。在对研究 区工程地质类型、水文地质结构分析和覆岩破坏高度计算的基础上，确定了防砂煤岩柱的留设尺 寸，实践证明了预计方法和留设尺寸的合理性。 关键词：工程地质勘察；水下采煤；防水（砂）煤岩柱 中图分类号：ＴＹＤ７４２ ．１ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１ｏ０９＿５６８３（２００８）０７４）０８５－０３ １概述 学地预计分层开采科学合理的防水煤岩柱，解放呆 在水体下（包括地表水体和含水层下）采煤时， 滞煤炭资源，采用近年来发展起来的基于工程地质 为保护环境、地表设施、水体和保证安全开采，需留 水文地质勘察的防水煤岩柱预计方法 ，开展了 设大量防水（防砂）煤柱。我国水体下压煤量巨大， ３煤层开采防水（防砂）煤岩柱留设研究工作。工程 仅苏鲁豫皖煤矿留设的松散层防水（防砂）煤柱就 地质勘察研究的具体任务有： 有５Ｏ亿ｔ多。矿井生产初期一般都避开水体下开 （１）查明开采煤层上覆岩土体的岩性、岩相、成 采的问题，为了最大限度地提高资源回收率，许多矿 因、厚度变化等。 井都开展了对上部水平的“水下”压煤的开采，但是 （２）基本查明岩体结构特征，节理、裂隙和断层 由于靠近松散层的煤层上覆基岩厚度较小（一般在 的分布规律、密度等。 ０—６０ｍ），工作面面临着突水、涌砂的威胁，因此合 （３）基本查明原岩应力状态。 理留设防水（防砂）煤柱具有重大意义 】。 （４）查明上覆岩土体工程地质岩组的物理性 采用基于工程地质勘察的防水（防砂）煤柱留 质、水理性质和力学性质，分析其工程地质特征。 设预计方法，对杨庄煤矿３煤层防水（防砂）煤柱留 （５）查明上覆岩土体各含水层的分布埋藏条 设进行预计。这种方法的基本思路是：在工程地质 件、含水空间发育程度、水位、水质、渗透性、富水性 勘探工作的基础上，研究开采煤层上覆岩（土）层 及其变化、隔水层的隔水性能极其厚度变化；基本查 （组）的工程地质特征，获得大量岩土物理、水理和 明地表水体、直接充水含水层与间接充水含水层三 力学性质的试验数据；对３煤层开采上覆岩（土）层 者之间的水力联系；地下水的补给、径流和排泄条 （组）的水文地质结构进行研究和评价，采用数值方 件。 法计算覆岩破坏高度，进而确定防水（防砂）煤岩柱 （６）进行工程地质综合评价，开采覆岩破坏高 的类型和高度。 度计算，预计留设防水（防砂）煤岩柱的高度。 ２工程地质勘察任务和勘探工程布置 ２．２勘探工程布置 ２．１工程地质勘察任务 勘探区应至少布置２～４条勘探线，分别沿地层 山东省兖州杨庄煤矿，矿区内赋存的３煤层，面 走向和倾向布置，每条勘探线不少于２～３个钻孑Ｌ。 积约２．２ｋｍ 。含煤地层倾角平缓，煤层厚７．６～ 钻孑Ｌ设计应包括地质、水文地质、工程地质和钻探四 ９．２ｍ，地质储量约１ ６８６．５万ｔ，煤系上覆第四系含 部分；其中工程地质设计的主要内容有：采样深度及 水松散层厚１８２．２～１９６．２ｍ，３煤层上覆基岩厚０～ 层位、取芯直径及取样要求、野外试验项目等。要做 ６０ｍ。按兖州矿区３煤层分层开采设计留设的防水 好钻孑Ｌ编录（尤其是岩土层的观察描述）、采样工作 煤柱为６１～８８ｍ，本区将无多大开采价值。为了科 和现场点荷载试验、声波测井、地应力测量和抽水试 ＋基金项目：国家自然科学基金资助项目（４０７７２１９２： 验等工作。采样应在取芯后立即进行，包装、蜡封后 ４０３７２１２３）；教育部新世纪优秀人才支持计划项目（ＮＣＥＴ－０４－０４８６） 及时送往实验室，对土和岩石的物理性质、水理性质 孙葫（１９５４一），女，助理工程师，３２１０１７浙江省金华市。 和力学性质指标试验。 ８５ 维普资讯 http://www.cqvip.com 总第４７１期 矿业快报 ２００８年７月第７期 杨庄煤矿３ 煤区共进行了５个科研钻孑Ｌ的专 门工程地质勘探（见图１），采取土样１５０个，岩样 ３６１个，煤样２Ｏ个，抽水试验计５层次，水质分析样 ６个。对研究区进行了三维地震勘探，较为准确地 控制了基岩面的起伏变化和地质构造形态。研究区 煤系整体构造形态为一倾向东的单斜构造，地层有 起伏形成一宽缓的向斜和一宽缓的背斜，揭露较大 断层有１Ｏ条，皆为正断层。 Ｆ／一＇／／，Ｑ／／，．＂＂ｒ－＂－＂ｉｓ － Ｉ 烈 ２０４８３２００ ２０４８４００ ２０４８４８００ 图１ 杨庄煤矿３。煤区勘探钻孔布置 ３工程地质图 工程地质工作的成果反映在以下图件上，以便 分析、计算使用。 ３．１工程地质钻孔柱状图 将每一钻孔所进行的工程地质工作全部反映在 此图上。一般包括：岩性柱状及岩性描述、取样位 置、工程地质观察和试验资料、工程地质类型划分、 水文地质成果、测井成果等物理力学性质指标。 ３．２工程地质综合柱状图 在综合钻孔编录、现场测试及实验的基础上编 制，其内容包括：岩组柱状及岩组岩性描述、岩土微 观综合鉴定、岩土物理力学性质试验指标、水文地质 成果等。 ３．３工程地质剖面图 以地质剖面为基础，以岩组划分为主要内容，着 重反映沿勘探线工程地质条件的变化。包括工程地 质岩组、各岩组的物理力学性质、风化带界限、地下 水位、岩层渗透性等。 ３．４其它基础图 Ｒ６ 包括松散层岩性对比图、松散层等厚线图、基岩 面等高线图、可采煤层上覆基岩等厚线图及水文地 质柱状图、剖面图等。 ４工程地质综合评价 ４．１工程地质类型 煤层开采上覆岩、土层可按其成因类型、岩性岩 相、成因条件与厚度变化、结构特征以及物理力学特 征等组合，进行工程地质岩（土）层单元的划分，是 取得各岩土层大量物理力学性质参数、进行弹塑性 有限元计算的基础，也是防水煤岩柱预计的重要依 据。杨庄煤矿３煤开采覆岩划分为９个工程地质类 型（见表１）、厚松散层划分为６个工程地质层组。 表１ ３ 煤区覆岩主要工程地质类型 ４．２水文地质结构 水文地质结构研究中应重点研究底部含水层及 其上下隔水层、基岩风化带、直接顶板基岩含水层的 特性，分析它们之间和与其它含水层间的水力联系， 评价其对矿井充水的影响。杨庄煤矿厚松散层划分 为上、中、下三组，上组厚度为５４．２５—７１．５０ｍ，中组 厚度为３８．５５—５６．３５ｍ，下组厚度为６３．８５— ８０．７０ｍ。中组是全区稳定的隔水层，阻隔了上组和 下组的水力联系。３ 煤区底部含水层中粘粒含量为 １１％一３０％，单位涌水量远小于０．１ Ｌ／（ｓ・ｍ），渗 透系数远小于ｌｍ／ｄ，属弱含水层。基岩风化带单位 涌水量０．０１６８—０．０４５８９１．／（ｓ・ｍ），渗透系数为 ０．０６３９４—０．３７４５ｍ／ｄ，为弱含水层或微弱含水层。 ３ 煤层顶板砂岩单位涌水量０．００９１ ０．０１２ Ｌ／（ｓ・ｍ），为弱含水层。按照“三下”采煤规程规 定 应该留设防砂煤岩柱开采。 ４．３防砂煤岩柱留设预计 通过建立工程地质概化模型，计算不同开采条 件的覆岩破坏高度，在此基础上预计防水（防砂）煤 岩柱的高度。对杨庄煤矿分层开采计算上覆岩土层 破坏带高度，北部采区一、二分层开采垮落带的高度 分别为６．２ｍ、ｌ２．３ｍ，南部采区一、二分层开采冒落 带的高度分别为６．９ｍ、１５．１ｍ。根据“三下”采煤规 维普资讯 http://www.cqvip.com
孙 萌 张改玲：基于工程地质勘探的防水煤岩柱留设预计 ２００８年７月第７期 程¨ 有关分层开采留设防砂煤岩柱要求，北部采区 第一分层开采防砂煤岩柱为ｌ２．８ｍ，第二分层开采 防砂煤岩柱为１８．９ｍ，南部采区第一分层开采防砂 煤岩柱为１６。５ｍ，第二分层开采防砂煤岩柱为 ２４．７ｍ。 北京：科学出版社，２００６：３００～３０４． ［５］ 隋旺华，蔡光桃，董青红．近松散层采煤覆岩采动裂缝水砂突 涌临界水力坡度实验［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００７，２６ （１０）：２０８４～２０９１、 【６］Ｓｕｉ Ｗａｎｓｈｕａ，Ｙａｎｇ Ｓｉｇｕａｎｇ ａｎｄ ｃｔ ａｌ、Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｌｌａｒｓ ｕｎｄｅｒ ｗａｔｅｒ—ｂｅａｒｉｎｇ ｓｔｒａｔａ ｏｆ ｍｉｎｉｎｇ ｔｈｉｃｋ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｕｓｉｎｇ ｆｕｌｌｙ ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄ ｓｕｂ—ｌｅｖｅｌ ｃａｖｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｉｎ Ｔａｉｐｉｎｇ ｃｏａｌｍｉｎｅ，Ｓｈａｎ— ５结语 按照以上留设的防砂煤柱尺寸已经获得实际开 采的验证。至今，已成功地在９３０１、９３０２、９３０５、 ｄｏｎｇ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｃｈｉｎａ．Ｐｒｏｃ．ｏｆ ｔｈｅ ２ｎｄ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ ＮＤＲＭ，Ｒｉｎｔｏｎ Ｐｒｅｓｓ，ＵＳＡ：４８７～４９０． ［７］ 狄乾生，隋旺华，黄山民．开采岩层移动工程地质研究［Ｍ］．北 京：中国建筑工业出版社，１９９２． ９３００、９３１ １、９３１２等工作面实现了安全开采，成功采 出煤炭１２２万ｔ。不仅缓解了生产接续的紧张局面， ［８］ 隋旺华．开采沉陷土体变形工程地质研究［Ｍ］．徐州：中国矿 业大学出版社，１９９９． 而且为该矿带来了巨大的经济效益。也为基于工程 地质勘察的防水（防砂）煤岩柱留设预计方法增添 了新的经验。 参考文献： ［９］ＳＵＩ Ｗａｎｇｈｕａ，ＤＩ Ｑｉａｎｓｈｅｎｇ，ＳＨＥＮ Ｗｅｎ，ｅｔ ８．１．Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｎｄａ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｉｃｋ ｓｏｉｌ ｍａｓｓ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｄｕｅ ｔｏ ｍｉｎｉｎｇ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ［Ｃ］／／．Ｒ、Ｏｌｉｖｅｒｉａ，Ｌ．Ｅ．Ｒｏｄｆｉｇｕｅｓ，Ａ．Ｇ．Ｃｏｅｌｈｏ ａｎｄ Ａ．Ｐ． Ｃｕｎｈａ．Ｐｒｏｃ．ｏｆ ７ｔｈ ｌｎｔ。Ｃｏｎｇｒｅｓｓ ＩＡＥＧ．Ｒｏｔｔｅｒｄａｍ：Ａ．Ａ． Ｂａｌｋｅｍａ，１９９４：２６９９—２７０６． ［１］刘天泉．露头煤柱优化设计理论与技术［Ｍ］．北京：煤炭工业 出版社．１９９８． ［１０］ 隋旺华，狄乾生．开采沉陷土体变形与孔隙水压相互作用研 究进展［Ｊ］．工程地质学报，１９９９，７（４）：３０３—３０９． ［１１］ 隋旺华，董青红，狄乾生．工程地质模型在防水煤岩柱研究中 的应用．中国矿业大学学报，１９９９，２８（５）：４１７～４２０． ［２］ 于进广，陈风祥，汪永茂等．中等含水层下留设防砂煤柱的安 全开采机理［Ｊ］．淮南工业学院学报，２００１，２１（２）：１５～１７． ［３］许传峰，王思栋，纪宪江等．柴里煤矿留设１２ｍ煤柱开采上限 ［１２］ 国家煤炭工业局制定．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． 研究［Ｊ］．河北建筑科技学院学报，２００１，１８（２）：６８～７０． 展望［Ｃ］／／编委会．第二届全国岩土与工程学术大会论文集． ［４］ 隋旺华，费芳草．松散含水层下采煤水砂突涌防治研究现状与 （收稿日期２ｏｏ８—Ｄ４—２１） （上接第８１页）中，真正有突出危险的区域仅占 １０％～３０％（不同煤层的突出危险程度存在较大差 表４按ｑ￣＞５ｌＭｍｉｎ时钻孔瓦斯涌出初速度 指标可靠性评价结果 （％） 异）。以“二率”（预测突出准确率、预测突出危险带 准确率）为检验准则确定出该敏感指标的临界值。 可以准确评价突出预测指标的可靠性，科学合理地 确定突出敏感指标及其临界值 Ｊ。为了保证工作 面安全生产，预测突出准确率应达到１００％。预测 突出危险带准确率受矿井生产区域部署的影响较 ５结论 通过对大平煤矿煤巷掘进工作面突出预测指标 的比较，确定了钻孑Ｌ瓦斯涌出初速度ｑ要比钻屑量 Ｓ敏感，综合分析打钻过程中发生喷孑Ｌ现象与发生 瓦斯动力现象所测量的钻孑Ｌ瓦斯涌出初速度ｑ，确 大，难以给出具体指标，根据真正突出危险区带仅占 突出煤层面积的５％～１０％这一规律，预测突出危 险带准确率一般应＞１０％～２０％。 由于在研究期间，大平煤矿所有试验工作面未 发生１次瓦斯动力现象，预测指标可靠性评价只能 依据预测钻孑Ｌ施工过程中的动力显现。 定大平煤矿临界指标ｑ值取０．５符合实际情况，在 实践过程中起安全性也得到了证实，掘进速度得到 明显提高。 参考文献： 预测突出准确率、预测危险带百分率２个指标 分析评价钻孑Ｌ瓦斯涌出初速度ｑ的可靠性，见表４。 由表４可看出按ｑ≥５１Ｍｍｉｎ判断，钻孔瓦斯涌 ［１］ 中华人民共和国煤炭工业部．防治煤和瓦斯突出细则［Ｍ］．北 京：煤炭工业出版社，２００５． 出初速度ｑ值预测突出准确率为ｌｏｏ％，预测危险 带百分率为４７．６２％～８４．４９％；由此可见，临界值 取０．５时，无论是预测突出准确率还是预测突出危 ［２］ 于不凡．王佑安．煤矿瓦斯灾害防治及利用手册［Ｍ］．北京：煤 炭工业出版社，２０００． ［３］ 赵旭生，董银生，岳超平．煤与瓦斯突出预测敏惑指标及临界 值的确定方法［Ｊ］．矿业安全与环保，２００７，３４（３）． 险带准确率都比较符合要求。 （收稿日期２００８－０３—１３） ８７