近距离煤层同采覆岩破坏规律研究

郭建清

(中国矿业大学矿业工程学院，江苏 徐州 221116)

近距离煤层在我国相当普遍，在我国大部分矿区中，只有不足1/3总数的矿区可采煤层数少于5层;而有55．2%的矿区可采煤层数达到6～15层，还有一部分矿区的可采煤层数超过了20层［1］。如：淮北矿区、淮南矿区、徐州矿区、新汶矿区、平顶山矿区、大同矿区等都存在近距离煤层群［2－5］。

目前，单一煤层开采覆岩三带分布规律研究较为充分，而对近距离煤层，上、下煤层不同的开采方式，其上覆岩层三带分布的变化规律研究较少，不利于近距离煤层的安全开采。因此，本文结合刘东煤矿的具体地质技术条件，研究近距离煤层同采时，上覆岩层的三带分布规律，以提高近距离煤层开采的安全性、高效性与经济性。

1 地质条件

刘东煤矿西三采区的37102与37202工作面为近距离煤层开采。工作面位于西三采区轨道上山的西侧，F31断层的东侧，F13断层的西北边，两断层对工作面的回采基本没有影响。该面地面标高+31．80～ +32．10 m，井下标高 －197．39 ～ －228．54 m。该面可采煤层为2层煤，即71煤、72煤。71煤层赋存不稳定，厚度为 1．36 ～1．88 m，平均厚度1．4 m，结构简单，且中部有一变薄带仅为0．7 m左右，为不可采煤层;72煤层赋存稳定，全区可采，厚度为 1．72～4．39 m，平均厚度为 2．5 m 左右;71、72煤层间距 3 m左右，但局部因受构造的影响层间距仅为几十cm，夹层岩性为薄层状细砂岩、粉沙岩和煤线互层。煤层倾角平均为 15°，煤层硬度系数为 1～1．5，容重1．3 t/m3。

两层煤为近距离煤层，煤层基本顶为厚层砂岩，直接顶为泥岩，顶板段岩性为泥岩、粉砂岩、薄层砂岩、煤线等，底板为泥岩，加之煤层松软，系三软底层，砂岩占27%，属不稳定～较稳定、中硬～软弱顶板，煤层顶底板综合情况见表1。

表1 煤层顶底板情况表

该面水文地质特征相对比较筒单，主要出水为煤层顶板砂岩裂隙水和断层裂隙水，正常涌水量20m3/h，最大涌水量200 m3/h。该面瓦斯绝对涌出量0．13 m3/min，煤层爆炸指数 31．2%，煤的自燃倾向性为Ⅲ类，无地温与冲击地压危害。

2 实测技术及方案

71、72煤层开采覆岩三带分布规律观测采用YZT－型岩层钻孔探测仪。为了观测71煤层开采后覆岩三带分布特征，在37202下顺槽内布置1#钻孔，钻孔长度为75 m，具体布置方式见图1，在37102工作面推过1#钻孔30 m后，对上覆岩层的破碎状况进行观测。

为了观测71、72煤层开采后覆岩三带分布特征，在37202排水巷内布置2#、3#钻孔，钻孔长度均为115 m，具体布置方式见图1，在37202工作面推过2#、3#钻孔30 m后，对上覆岩层的破碎状况进行观测。

图1 钻孔布置平、剖面示意图

3 实测结果及分析

3．1 71煤层开采后覆岩三带分布规律

根据岩层钻孔探测仪记录的现场观测图像，将其中钻孔破坏情况有显著变化的图像挑选出来，并根据图像中记录的钻孔深度，得到单独71煤层开采后，部分深度的钻孔图像见图2。

根据钻孔探测仪探测的结果，结合图1中1#钻孔的布置角度与方向，将不同深度的钻孔换算成距煤层的不同距离，进行实验室图像数据处理后，可知在71煤层开采后，距煤层5．5 m内的顶板岩层已完全破碎;距煤层5．5～23．8 m内的顶板岩层的裂隙较为发育;距煤层23．8 m以上的顶板岩层完整性较好。因此，通过分析71煤层开采后对1#钻孔的破坏影响情况，得到71煤层开采后覆岩三带分布特征见图3。

图2 1#钻孔不同深度的现场实测图像

图3 71煤层开采后覆岩三带分布图

从实测结果及分析可见，71煤层单独开采后上覆岩层形成的跨落带高度为5．5 m，裂隙带高度为23．8 m。

3．2 71、72煤层开采后覆岩三带分布规律

采用同样的观测方法与记录手段，得到71、72煤层全部开采后，2#、3#钻孔探测的部分深度图像见图4、图5。

图4 2#钻孔不同深度的现场实测图像

根据钻孔探测仪探测的结果，结合图1中2#、3#钻孔的布置角度与方向，将不同深度的钻孔换算成距煤层的不同距离，进行实验室图像数据处理后，可知在71、72煤层全部开采后，距煤层12．6 m内的顶板岩层已完全破碎;距煤层12．6～41．2 m内的顶板岩层的裂隙较为发育;距煤层41．2 m以上的顶板岩层完整性较好。因此，通过分析71、72煤层全部开采后对2#、3#钻孔的破坏影响情况，得到71、72煤层全部开采后覆岩三带分布特征见图6。

图5 3#钻孔不同深度的现场实测图像

图6 71、72煤层全部开采后覆岩三带分布图

从实测结果及分析可见，71、72煤层全部开采后上覆岩层形成的跨落带高度为12．6 m，裂隙带高度为41．2 m。

4 主要结论

根据刘东煤矿的具体地质条件，采用岩层钻孔探测仪，实测了近距离煤层在单独开采上层煤与上、下煤层全部开采后，覆岩的三带分布规律，得到的主要结论如下：

1)近距离煤层联合开采，首先单独开采上层71煤层时，上覆岩层形成的跨落带高度为5．5 m，裂隙带高度为23．8 m。

2)近距离煤层联合开采，71、72煤层全部开采时，上覆岩层形成的跨落带高度为12．6 m，裂隙带高度为 41．2 m。

［1］ 杜计平．采矿学［M］．徐州：中国矿业大学出版社，2009：121－125．

［2］ 张百胜，杨双锁，康立勋，等．近距离煤层回采巷道合理位置确定方法探讨［J］．岩石力学与工程学报，2008，27(1)：97－101．

［3］ 琚宜文，王桂梁，胡 超．海孜煤矿构造变形及其对煤厚变化的控制作用［J］．中国矿业大学学报，2002，31(4)：374－379．

［4］ 卢士超．近距离煤层联合开采技术的应用［J］．煤炭技术，2006，25(9)：．

［5］ 刘纯贵．四台矿近距离煤层采空区下围岩承压性能模拟分析［J］．中国煤炭，2005，31(5)：33－35．