摘要: 为了延续矿井使用年限、提高煤炭资源回收利用率，本文通过综合分析以往矿井开采实践中的水文地质资料以及正在施工的探查验证钻孔等基础资料，系统评价顾桥矿北二采区煤层顶板含水层富水规律、顶板采动覆岩破坏发育高度等，安全确定近松散层浅部采区开采上限。同时基于矿井已有地质、水文资料和第四系水文地质补充勘探的基础上，参考国内类似水体下开采的实践经验，分析研究了提高开采上限煤区的水文地质、开采条件，有效地解决了保水开采提高开采上限的难题。本文所研究出的相关成果对类似条件下的煤炭开采具有一定的借鉴意义和应用价值。对保障煤矿安全高效生产具有较高的经济、社会效益。
Abstract:
For mine use fixed number of year to improve the utilization rate of coal resource recovery, in this article, through comprehensive analysis of previous mine hydrogeological data and under construction in the practice of mining exploration drilling verification such as basic data, system evaluation, north of guqiao coal mine mining area coal seam roof aquifer water enrichment rule Roof mining overlying rock destruction and height, etc., determine nearly loose bed mining by mining safety limit. At the same time, based on the existing geological and hydrological data of the mine and the quaternary hydrogeological supplementary exploration, and referring to the practical experience of mining under similar water bodies in China, the hydrogeological mining conditions in coal areas with higher mining upper limit are analyzed and studied, which effectively solves the problem of raising the mining upper limit of water conservation mining. The relevant results studied in this paper have certain reference significance and application value to the coal mining under similar conditions and have higher economic and social benefits to ensure the safe and efficient production of coal mines.
1. 引言
顾桥煤矿隶属于淮南矿业(集团)有限责任公司，顾桥矿井位于淮南市凤台县西北约20公里处。地理坐标为：东经116˚29'18''~116˚38'48''，北纬32˚42'20''~32˚52'16''，开采深度：−400 m~−1000 m标高。于2003年11月开工建设，2007年4月28日正式投产，矿井设计生产能力5.0 Mt/a，为使顾桥煤矿持续高速稳定向前发展，为此本文选取顾桥矿北二采区某工作面为研究对象，急需在生产补充地质勘探报告的基础上，将上述资料进行补充，分析研究，归纳整理，进一步查明矿井内构造形态，煤层赋存规律，煤厚变化及水文地质特征，分析局部采区提高开采上限的可行性，以满足矿井生产的实际需要 [1] [2] [3]。
2. 开采上限分析的原则与依据
2.1. 法规原则
依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与开采规范》(2017) (以下简称为“三下规范”)、《矿区水文地质工程地质勘查规范》。
2.2. 含水层富水性等级和采动等级确定
根据现有资料与计算分析得到，北二采区下含单位涌水量为0.524~1.935 L/(s.m)，根据《矿区水文地质工程地质勘查规范》，判定北二采区下含为“中等~强含水层”。根据“三下”规范表(见表1)，符合水体采动等级I第2条描述，即“直接位于基岩上方或地界面下无稳定的粘性土隔水层的松散孔隙强、中含水层水体”，确定北二采区采动等级为I级；允许采动程度为：不允许导水裂缝带波及到水体；要求留设的安全煤(岩)柱类型为：顶板防水安全煤(岩)柱 [4] [5] [6]。
Table 1. Mining grades of water bodies in the mining area and allowable mining levels
表1. 矿区的水体采动等级及允许采动的程度
2.3. 基岩面高度及基岩风化带厚度
根据对采区内111个钻孔的统计基岩面，在古地形隆起，基岩面以XLZM1孔为中心，标高−300.04~−314.87 m。以二线东段66-01孔、水15孔、66-09孔和二6孔为中心的洼地，基岩面标高−494.16 (二6孔)~−501.56 m (66-01孔)。两者平均高差194.12~186.67 m，矿井钻孔基岩面高程数据插值得到的北二采区回采上限涉及阶段的基岩面标高为见图1，以二-三4孔、三补1孔、三-四4孔、四-五5孔和五22孔为界线，将采区分为东西两部分 [7] [8]。采区东部基岩面标高在−400 m以上，西部低于−400 m。
Figure 1. Contour map of bedrock surface elevation in North No.2 mining area
图1. 北二采区基岩面标高等值线图
根据钻孔揭露，风化带厚7.55 (三-四4孔)~42.80 m (95孔)，平均20.83 m，以四-五线95孔为最厚，达42.80 m (见图2)，位于东南部古地形隆起范围，在低洼地区随基岩面降低而明显变薄。采区西部基岩风化带厚度在18~42 m之间，东部基岩风化带小于20 m。北二采区开采11-2煤，设计开采煤厚为3.0 m。
Figure 2. The thickness of the bedrock weathering zone
图2. 基岩风化带厚度
2.4. 煤层覆岩力学类型
根据以往地质钻孔资料及本次取芯资料，煤系地层中，11-2煤层顶板以细砂岩、中砂岩为主，占钻孔总数的占钻孔总数的67.4%，采区内11-2煤至13-1煤之间的岩层厚度为50.3 m~98.4 m之间，细砂岩占比4.41%~47.75%，平均24.38%；中砂岩占比0%~31.11%，平均13.20%，其余为粉砂岩、泥岩类软弱岩层。
根据本次钻孔取芯样品的岩石力学性质测试指标结果(见表2~4)看，本次测得的单轴抗压强度值20~60 MPa之间，属于中硬岩石范畴。因此，这里在进行煤柱设计时，统一对各煤层的覆岩取中硬岩石评价标准 [9] [10] [11]。
Table 3. The comparison table of the compressive strength of sonic logging at different depths under the bedrock surface
表3. 基岩面下不同深度声波测井抗压强度对比表
Table 4. Table of test results of rock physical mechanics of coal roof
表4. 煤层顶板岩石物理力学测试成果表
3. 提高上限开采安全性分析
3.1 防水安全煤(岩)柱计算公式
3.1.1. 导水裂缝带高度计算公式
由于已确定该采区采动等级为I级，不允许导水裂缝带顶点波及到松散含水层水体，因此需要计算导水裂缝带高度。根据已有研究成果，顾桥矿北二采区导水裂缝带高度为42~43 m (见图3)，为采高的14.3倍 [12] [13]。导水裂缝带高度计算公式为：
(1)
其中∑M为累计厚度。
Figure 3. The contour map of the height of the water-conducting fracture zone
图3. 导水裂缝带高度等值线图
3.1.2. 保护层厚度选取
根据“三下”规范中附表(见表5)，应该取：
。
Table 5. Waterproof and safe coal rock (pillar) protective layer thickness (according to the “three under” regulations)
表5. 防水安全煤岩(柱)保护层厚度(据“三下”规程)
注：
，
为累计采厚，n为分层层数。适用于缓倾斜(0˚~35˚)、中倾斜(36˚~54˚)煤层。
3.1.3. 防水安全煤(岩)柱厚度Hsh
(2)
其中
为基岩风化带厚度。
3.2. 煤层安全煤(岩)柱计算
11-2煤厚度3.0 m，倾角6˚，根据已有研究成果，顾桥矿北二采区导水裂缝带高度为42~43 m，为采高的14.3倍。北二采区防水安全煤(岩)柱为：
(3)
Figure 4. The contour map of the waterproof and safe coal (rock) pillar
图4. 防水安全煤(岩)柱等值线图
由公式3计算，得到防水安全煤(岩)柱等值线图，图4可以看出，采区东部防水安全煤(岩)柱基本在65 m以下，采区西部在三4孔以北以西和以四4孔为中心地区，防水安全煤(岩)柱基本在65 m以下，采区西部，三4孔、87孔、四4孔和67-13孔以东地区，防水安全煤(岩)柱均大于75 m。
3.3 煤层回采上限计算
采区回采上限：
(4)
式中：
为11-2煤层开采上限，H为基岩面标高
Figure 5. The contour map of the upper limit of the stoping in the North No.2 mining area
图5. 北二采区回采上限等值线图
由公式4计算，得到北二采区回采上限等值线图，由图5可以看出北二采区东部回采上限基本在−400 m以下，采区西部回采上限平均在−540 m左右，在三4孔、三补1孔以北，二-三4孔以西，回采上限基本在−600 m以下。
Figure 6. Contour map of the distance between the upper limit of mining and the distance from the bedrock surface
图6. 回采上限与基岩面距离等值线图
Figure 7. The distance between the water-conducting fracture zone and the bedrock surface
图7. 导水裂缝带与基岩面距离
Figure 8. Contour map for calculating the difference between the water-proof and safe coal (rock) pillar and the remaining length
图8. 计算防水安全煤(岩)柱与留设长度差值等值线图
3.4. 煤层提高回采上限可行性分析
根据《顾桥矿北二采区上盘区补充勘探地质报告》(2013)上限为基岩面下60 m，对回采上限与基岩面标高做差，得到回采上限与基岩面的等值线图，由图6可以看出在采区东部回采上限与基岩面距离基本在60~65 m之间，在采区西部，三4孔、87孔、四4孔和67-13孔以东地区，回采上限与基岩面距离均大于75 m，在以四4孔为中心地区与三4孔以北以西地区，回采上限与基岩面距离均小于65 m。根据现有资料，风氧化带对导水裂缝带的发育高度具有抑制作用，在采区西部，风化带厚度在18~42 m之间，平均30 m左右，在以四4孔为中心地区与三4孔以北以西地区具有回采上限的可能性，但由于此处导水裂缝带与基岩面距离太近，基本小于20 m，提高回采上限可能会造成松散层的压架突水，因此采区西部不建议提高回采上限。采区东部基岩风化带厚度在20 m以下，平均13~14 m左右，导水裂缝带与基岩面距离也在300 m以上(见图7)，因此采区东部具有提高回采上限条件 [14] [15] [16]。
4. 结语
本文遵循煤层开采上限相关规范依据，对研究区煤层含水层富水性等级和采动等级进行分析，得到研究区的水体采动等级及允许采动的程度，为后续分析创造有利的依据，同时研究基岩面高度及基岩风化带厚度、煤层覆岩力学类型，最后提出经验推导公式。通过层层分析、逻辑分析、公式推导得出研究区相关结论资料。进行煤层回采上限分析、对研究区煤层提高回采上限可行性有如下分析：根据《淮南矿业集团顾桥矿北二采区新生界水文地质条件补勘报告》(2016)建议留设的防水安全煤(岩)柱(75 m)，补勘报告中建议留设的防水安全煤(岩)柱(75 m)减去采用公式3计算结果，得到计算防水安全煤(岩)柱与留设长度差值等值线图，由图8可以看出采区东部计算结果小于报告建议结果，防水煤柱可缩小10~15 m，具备提高回采上限可能性。采区西部，三4孔、87孔、四4孔和67-13孔以东地区，计算结果与报告差值均为负值，而在以四4孔为中心地区与三4孔以北以西地区计算结果与报告虽为正值，但由于导水裂缝带与基岩面距离太近，也不具备提高回采上限可能性，因此，采区西部不建议提高回采上限。
基金项目
安徽理工大学研究生创新基金项目(2021CX2009)。