石梯子西沟煤矿防水煤岩柱留设分析

石梯子西沟煤矿防水煤岩柱留设分析

发表时间：2009-11-25T09:53:26.030Z 来源：《中小企业管理与科技》2009年7月上旬刊供稿作者：窦世文杜洪涛[导读] 在河沟下采煤的防水煤岩柱设计关系到矿井的安全生产和资源开发的合理性，需要在一定的理论指导下完成窦世文杜洪涛 (新疆煤炭设计研究院有限责任公司)

摘要：在河沟下采煤的防水煤岩柱设计关系到矿井的安全生产和资源开发的合理性，需要在一定的理论指导下完成。本文以石梯子西沟煤矿改扩建设计为例，通过分析覆岩破坏规律，分别计算各煤层开采后冒落带、导水裂隙带的最大高度和保护层高度，最终确定+1480m水平以上河沟下方必须留设防水煤岩柱，并采取必要的安全措施，为矿井改扩建设计提供了可靠的科学依据。关键词：防水煤岩柱冒落带导水裂隙带保护层安全措施中图分类号：TD823.8

0 引言

矿井水害事故是危及矿井安全生产的五大灾害之一，严重威胁矿井的安全生产。石梯子西沟煤矿井田范围内有两条河沟（呼图壁东沟和呼图壁西沟），每年5～11月有溪水流动，河沟底部距井田最上层煤层顶板间距为80m～370m之间，为矿井的开采带来了巨大安全隐患。在水体下采煤时必须采取适当防水措施，以保证开采过程中不发生灾害性透水事故，避免因矿井涌水量突然增大而严重地恶化井下工作环境。在处理水体下采煤问题时，主要考虑开采引起的覆岩中的裂隙是否互相连通以及互相连通的裂隙是否波及到水体。因此，分析覆岩破坏规律，特别是能够导水的冒落带和裂隙带的高度及其分布形态对防水煤岩柱设计至关重要[1]。

1 概况

1.1 矿井简介新疆准南煤田呼图壁县石梯子西沟煤矿始建于1996年6月，现生产能力90kt/a左右。采用主平硐、副立井、斜风井的开拓方式开采+1551m水平以上的煤层。目前+1551m水平以上只剩0.1Mt的储量，矿井急需向深部水平进行开拓。设计将原矿井主平硐扩建作为副平硐，在井田南部新建一立风井，在井田中部新建一主斜井，扩建后的设计生产能力为0.6Mt/a。

1.2 地层和地质构造井田内含煤地层为侏罗系中统西山窑组下段，受区域单斜构造，井田总体呈一向北缓倾斜的单斜构造，地层产状西缓东陡，井田范围内未发现有褶皱及断裂，属中等偏简单的构造类型。

井田内可采煤层4层（B1、B2、B3、B4）。其中B2、B3、B4煤层全区可采，为矿井主采煤层，平均可采总厚17.14m。煤层顶板和底板多为砂岩和泥岩。B2煤层与B3煤层平均间距11.07m，B3煤层与B4煤层平均间距5.11m，煤层倾角为8～14°[2]。

1.3 矿井水文地质情况石梯子西沟煤矿+1551m水平以上正常涌水量380m3/h，最大涌水量400m3/h，属涌水量较大的矿井。火烧区积水和河沟水是井田矿床充水的主要因素，火烧区主要分布在井田南部边界，由于季节性河流的补给，火烧区内蓄积了大量积水，对目前生产矿井影响较大。但由于煤层赋存倾角较小，在开采深部煤层时，只需留煤柱将火烧取积水隔离即可，必要时还可通过浅部已有工程对火烧区积水进行抽放。呼图壁东沟和呼图壁西沟贯穿整个井田，采煤过程中若形成大面积采空区，在陷落、冒落范围内有可能会出现暂时性地表洪流直接灌入矿井现象，将给矿井造成重大的损失。因此如何合理准确设计好防水煤岩柱，避免水灾事故的发生，确保开采的绝对安全是一项至关重要的工作[3]。

2 B2、B3、B4煤层防水煤岩柱分析

2.1 防水煤岩柱留设的总原则[4] ①防水煤岩柱留设必须做到科学合理、保证安全、提高资源利用率。②留设防水煤岩柱必须考虑地质构造、水文地质条件、煤层赋存、围岩物理力学性质、煤层组合等自然因素，还要与采煤方法、开采强度、支护形式等人为因素相适应。

③多煤层开采，各煤层的防水煤岩柱必须统一考虑，以免某一煤层开采破坏另一煤层的防水煤岩柱，致使防水煤岩柱失效。上、下两层煤的层间距小于下层煤开采后导水裂隙带最大高度时，则下层煤的防水煤柱应从上层煤防水煤柱下边界按岩层移动角向下推算，否则，两层煤防水煤柱应分别留设。④在同一地点有两种或两种以上煤柱时，所留设的煤柱必须满足各个煤柱要求。⑤煤柱计算公式参数选择尽量用本地区资料，如果没有可以参照其他相邻地区资料，但应适当加大安全系数。

2.2 冒落带、导水裂隙带高度的确定采煤方法和顶板管理方法对覆岩破坏性的影响最大，特别是顶板管理方法，它决定着覆岩破坏的基本特征和最大高度。本矿采用全部陷落法进行顶板管理，这种方法使覆岩破坏最为充分，对水体下采煤相对不利。 B2、B3和B4煤层平均厚度分别为6.57m、4.81m和5.33m，倾角均在8°～14°之间，为缓倾斜厚煤层。由于未测定冒落过程中顶板的下沉值

式中：Hm——冒落带最大高度（m）；M——煤层采厚（m）；K——冒落岩石碎胀系数，取1.3；α——煤层倾角，取12°；

将具体数值代入上式中，可得B2、B3和B4煤层的冒落带最大高度分别为22.4m、16.4 m、和18.2m。 B3煤层上距B4煤层垂直距离为2.58m～7.81m，平均为5.11m；B2煤层上距B3煤层垂直距离为0.36m～ 20.60m，平均为11.07m。B3和B4煤层的最小垂距小于回采B3煤层的冒落带高度，B2和B3煤层的最小垂距小于回采B2煤层的冒落带高度。故B4煤层的导水裂隙带最大高度按B4煤层厚度计算，B3煤层的导水裂隙带最大高度按B3和B4煤层的综合开采厚度计算，B2煤层的导水裂隙带最大高度按B2、B3和B4三层煤的综合开采厚度计算，取其中标高最高者作为三层煤的导水裂隙带最大高度[4]。

式中：M1——上煤层采厚（m）；M2——下煤层采厚（m）；h1-2——上、下煤层之间法线距离（m）；y2——下煤层的冒高与采厚之比。

将具体数值代入上式中，可得B2、B3和B4煤层的开采厚度分别为11.96m、8.64 m、和5.33m 式中：Hli——导水裂隙带最大高度（m）；M—煤层采厚（m）；

将具体数值代入上式中，可得B2、B3和B4煤层的导水裂隙带最大高度分别为90.36m、55.19m和49.55m，取其最大值90.36m。

2.3 保护层高度的确定在B2、B3和B4煤层老采空区下松散层底部均无粘土层

式中Mi——第i层采高，M1=5.33m，M2=4.81m，M3=6.57m；n——层数，n=3将具体数值代入上式中，可得保护层高度为33.42m。

2.4 防水煤岩柱的设计结果在水体底界面至煤层开采上限之间所留设的防止水体溃入井下的煤和岩石块段称为防水安全煤岩柱。其垂高应大于或等于导水裂隙带的最大高度加上保护层高度（Hb）。即：Hsh≥Hli +Hb 式中：Hsh—防水安全煤岩柱垂高（m）；Hli—导水裂隙带最大高度（m）；Hb—保护层厚度（m）。