工作面附近深厚松散层底部地层的垂向沉积结构特征、深埋粘土及砂土的岩性特征；通过深厚松散层“底含”赋存特征、富水性、水力联系的分析，并结合研究区域深埋粘土特殊的土体特性，综合分析认为2301N综放工作面可留设防砂煤岩柱，并且该区域深厚松散层底部的厚粘土层可作为安全煤岩柱的保护层。
关键词：深厚松散层；土体结构；综放；提限开采
中图分类号：TD823 文献标志码：A文章编号：1672-1098（2014）04-0010-05
华东地区各矿区（如淮南、淮北、兖州、鲁西南等）普遍被厚松散层所覆盖，并且不同地区松散层的分布特征、厚度、地层沉积组合结构及地层砂土物理力学特性存在明显的差异。例如，淮南、淮北矿区松散层厚度普遍在200 m以上，自上而下分为“一含”、“一隔”、“二含”、“二隔”、“三含”，部分区域还存在“三隔”、“四含”[1]；兖州矿区第四系松散层厚度平均在170 m左右，分上、中、下三组，上组和下组主要为以砂质层为主的含水层，中组是以粘土、砂质粘土为主的隔水层[2]；而对于鲁西南地区，特别是菏泽巨野井田，被巨厚的松散层覆盖，且松散层厚度变化较大，为300～800 m，其包含第四系（Q）和新近系（N）。
近年来，随着煤炭资源开采程度的不断扩大，很多矿区开展提高开采上限或缩小安全煤岩柱的试验研究，并取得了重大进展。但由于煤系地层距松散含水层的距离越来越近，松散层底部或潜在威胁的含水层对矿井安全生产的威胁程度也逐渐增加。一直以来，松散层“底含”及潜在威胁含水层的富水性、水力联系及底粘分布特性、粘土的物理力学特性等因素，决定着提限开采的程度及所留设安全煤岩的尺寸和类型。因此，认为分析松散层底部地层的岩性结构特征，对厚松散层薄基岩区域煤层的提限开采具有重要意义。
山东新巨龙能源有限责任公司属于新投产矿井，其上覆的松散地层厚度要远大于两淮、兖州矿区，且存在较厚的新近系松散地层。根据山东新巨龙能源有限责任公司工作面生产接续计划，首次涉及深厚松散层浅部煤层的提限开采问题。为尝试这种特殊条件下煤层提限开采研究，本文以2301N工作面为工程研究背景，重点分析了工作面附近深厚松散地层的沉积特征、深厚粘土砂土的土体特征及富水性，综合分析了工作面提限开采的可行性。本次研究是巨野井田内首例巨厚松散层覆盖下浅部厚煤层综放面的提限开采，将对今后矿井或相似条件矿井的提限开采具有一定的指导意义。
1工程研究背景概况
山东新巨龙能源有限责任公司位于菏泽市巨野县境内，矿井设计能力为600万t/a，服务年限65 a，2008年6月投产，采用立井平大巷开拓，通风方式为中央并列抽出式，目前主采煤层是-810 m水平的3（3上）和3下煤层，采煤工艺为综放开采。根据矿井接续安排，计划对2301N工作面进行回采。但2301N工作面最小基岩厚度约53 m，已小于原设计的最小防水煤岩柱高度（60 m），为最大程度上回收优质煤炭资源，需进行提高开采上限研究。
2301N工作面位于-810水平二采区下山以北， 东为尚未准备的2302N工作面， 走向长度1 608 m， 倾斜长度270～271 m， 工作面底板高程-650～-785 m。主采3煤， 厚度为86～92 m，煤层倾角035°～50°，区域构造简单。
2深厚松散层地层结构特性分析
21垂向多层沉积结构特征
对2301N工作面附近地面钻孔柱状图的统计分析，得出2301N工作面煤系地层普遍被600多米的巨厚松散层覆盖，自上而下为第四系松散层和新近系松散层。新近系地层分为上段和下段，上段平均320 m，以棕黄、浅红色厚层粘土、砂质粘土为主夹粉砂、细砂及粘土质砂，大部分未固结；下段平均约176 m，主要为棕色、灰绿色厚层粘土、砂质、粉砂质粘土，局部夹粉砂、细砂薄层，大部半固结，局部未固结。底部为含较多钙质结核或砾石的粘土，与下伏石盒子地层呈不整合接触。
由于本区内新近系厚度很大，且存在厚度大且稳定的粘土层，其可有效地阻隔上部含水层对下部含水层的垂向水砂补给，因此，以自新近系底界向上120 m范围地层作为主要研究对象，通过对13-1S、13-2S等多个钻孔资料详细划分，将120 m范围内地层自下而上又划分为“底隔”、“底含”、“上部隔水层”和“上部含水层”。表1新近系底部地层特征统计
新近系地层厚度/m平均厚度/m岩性 上部含水层32～16798粉砂、细砂，红棕色、胶结程度差，手碰即碎，主要成分：石英、长石 上部隔水层149～613342粘土，红棕色、黏性较好，硬度较好 “底含”43～18610粉砂，灰黄色、未胶结，极松散，主要成分：石英、长石， “底隔”438～7056上部为粉质粘土，灰绿色，胶结程度较好；下部为红棕色粘土，胶结程度较好、粘性较好，硬度较硬。 注：样品统计钻孔总数7个。从表1可以看出，隔水层分布稳定且厚度较大，新近系底部地层垂向结构为粉（细）砂层——粘土（粉质粘土）层——粉砂层——粘土层交互沉积而成。
22新近系地层岩性特征分析
坚硬程度、塑性、膨胀性和压缩性是决定粘土隔水性的主要指标。饱和坚硬粘土、塑性和膨胀性较好的粘土、压缩性较小的粘土均具有良好的隔水性，对防止含水层水（砂）下渗（涌）起到良好的阻隔作用。砂砾层的渗透性关键取决于含砾成分的高低（砂质粒径的大小），含砾成分越高，渗透性越好且富水性也越强。
已有研究成果表明[3]，土体性质会随着埋深的增大而发生变化，深部土有其特殊性，粘性土固结程度高，且大都为膨胀性土，属于一种粘土向软岩过渡的地质介质。因此，为详细查明深部土体的特殊的物理力学特性，分别对13-1S、13-2S钻孔取芯，并进行了新近系松散层土砂样的土工试验，试验结果如表2、表3所示。
表2新近系底部地层硬粘土工试验结果（13-1S钻孔）
从表3中可以看出，新近系“底含”及上部含水层以粉砂和细砂为主，砂质粒径小，绝大部分砂质粒径为025～075 mm，其孔隙比e为0495～0696，属于密实和中密砂层；根据松散层沉积特征，随着埋深的增大，含水层砂质粒径逐渐减小，密实程度逐渐增大，且渗透系数也随着粉粒含量的增加而减小。
综上分析认为，本区域新近系底部粘土具有饱和度高、硬度大、塑性大、固结程度高、抗剪能力强、含水率低且遇水膨胀性好的特点，是粘土向软质岩的过渡性岩土体；含水砂层粒径小，密实，渗透系数也随深度的增加逐渐降低。
3深厚松散层底部地层富水性分析
采用地面钻孔整体（新近系下段150 m）和分层位抽水试验对本区域新近系底部地层的富水性进行分析，抽水试验结果：13-1S钻孔采用新近系下段（491～641 m）整体抽水，其单位涌水量为0000 243 L/（s·m）；13-2S钻孔采用分层位抽水，一段为“底含”至上部含水层（515～595 m），另一段为底部隔水层（595～647 m），其单位涌水量分别为0001 086 L/（s·m）、0000 389 L/（s·m）。根据《煤矿防治水规定》（附录二）中钻孔单位涌水量q≤01 L/（s·m） 的含水层为弱富水性，从地面钻孔抽水试验结果可知， 2301N工作面新近系近底部近150 m范围内钻孔单位涌水量小于01 L/（s·m），其地层富水性属微弱甚至极弱。
4综放工作面提限开采可行性分析
由于2301N工作面新近系底部含水层富水性很弱，底部存在厚度大且发育稳定的粘土层，其满足《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中留设防砂安全煤岩柱的要求[4]。
41防砂安全煤柱高度预计
由于《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中没有明确规定综放开采“两带”高度的计算方法，笔者采用相似条件矿区的经验公式和类比分析对2301N工作面综放开采垮落带高度进行了预计。
采用兖州矿区经验公式[5-6]，综放开采垮落带高度一般为4倍采高，即
Hm=4×∑M
2301N工作面附近1302N工作面曾采用井下仰孔分段注水试验探测“两带”发育高度，由于现场施工条件限制，最终仅探测出最大导水裂缝带高度为9465 m，裂采比约为10，通过数值模拟反演分析得到垮采比为467。为了安全起见，垮落带取较大值，即467×92=4296 m。
防砂安全煤岩柱高度
Hs≥Hm+Hb
保护层（Hb）厚度取15倍的采厚，即所需最小防砂安全煤柱高度为568 m。
42综放工作面提限开采可行性综合分析
根据探查结果可知，2301N工作面的最小基岩厚度为53，小于上述计算所需最小防砂煤岩柱高度为568 m；从厚度方面分析，虽不满足所需留设防砂煤岩柱高度，但考虑到本区域地层赋存的特殊性，即工作面上覆新近系底部赋存着50多米的粘土层，且粘土具有饱和度高、硬度大、压缩性低、塑性大含水率低且遇水膨胀性较好等特点，由于埋深大，粘土的固结程度、抗剪能力均较高，因此，新近系底部粘土层承受采动影响的能力强，具有良好的阻水隔砂性能；加之，“底含”厚度相对较小，富水性微弱甚至极弱，且砂质多为粉砂，粒径小，一定程度上降低其渗透性，由于底粘厚度大，大大增加了“底含”与工作面的垂向距离，故不会对工作面构成水砂威胁。
研究也表明，在水体下采煤中，一般松散层中的粘土层不作为防砂煤柱的保护层，主要是由于粘土层的强度低、塑性大甚至有流动性，当裂缝较宽时在水压和地压的作用下，水砂由溃入井下的可能；但对于松散层埋深大、厚度大，并且底部粘土层呈半固结或固结状态时，则其性质类似于软质泥岩或风化泥岩，可以作为良好的防止溃水、溃砂的保护层。并且目前也有松散层底部粘土层作为保护层成功开采的实例[7-9]。鉴于以上分析，笔者认为2301N工作面采用综放开采留设防砂安全煤柱是安全可行的。
5结论
1） 2301N工作面新近系下段底部地层是由粘土层、粉（细）砂层多层沉积而成，垂向结构为粉（细）砂层——粘土（粉质粘土）层——粉砂层——粘土层。
2） 深厚松散含水层随着埋深增大，其砂质粒径也逐渐减小，特别“底含”主要以粉砂为主，密实，富水性微弱甚至极弱。
3） 2301N工作面新近系底部粘土层厚度很大，且随着埋深的增大，粘土固结程度之间增大，呈粘土向软质岩的过渡性岩土体；具有饱和度高、硬度大、塑性大、固结程度高、抗剪能力强、含水率低且遇水膨胀性好等特点，承受采动能力强，阻水隔砂性能好，可作为防砂安全煤柱的保护层。故2301N综放工作面可按留设防砂安全煤岩柱进行开采。
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（责任编辑：李丽，范君）