赵固二矿露头区砂砾含水层下安全煤岩柱留设研究

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(中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京 100083)

赵固二矿露头区砂砾含水层下安全煤岩柱留设研究

许延春，李江华，李卫民，杨扬，罗茗

(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京100083)

赵固二矿煤层隐伏露头区域工作面开采受到新近系下层砂砾含水层的威胁，原设计中采用分层开采，工作面产量和效率难以提高，经济效益低。通过对现场实测、FLAC3D数值模拟以及对类似地质条件矿井综放或大采高综采的覆岩破坏规律进行分析，选取较大的垮采比和裂采比预计“两带”高度，并与综放开采“两带”高度经验公式预计进行对比，采用“最小安全厚度”法选取保护层厚度，最终合理确定了防砂和防水安全煤岩柱的高度以及开采厚度。结果表明基岩厚度较薄的区域可只采顶分层，解放大量浅部煤炭资源，提高采出率；基岩较厚的区域变分层开采为一次采全厚大采高开采，有利于矿井实现高产高效安全开采。

露头区；砂砾含水层；安全煤岩柱；综放

赵固二矿煤层隐伏露头区域工作面开采受新近系砂砾含水层的威胁。原《矿井安全专篇》和《矿井初步设计》中采用综采分层开采，但分层开采时回采巷道的掘进量大，并需铺设金属网假顶，回采程序繁琐，从而使采煤成本增大，工作面产量和效率难以提高，矿井经济效益降低，并且在基岩厚度较薄的区域难以满足分层开采所需留设的安全煤岩柱要求。大采高开采可避免以上不足，但大采高开采覆岩破坏高度与综放开采相似，明显高于分层综采[1-2]。因此，若对大采高开采覆岩破坏规律进行研究，合理确定安全煤岩柱的留设尺寸，在煤层隐伏露头区域含水层下，基岩厚度较薄的区域实现开采顶分层，提高开采上限，最大限度地回收煤炭资源；基岩厚度较大区域实现由分层开采变为一次采全高综采(简称“大采高”)，对赵固二矿实现高产高效安全生产具有重要意义。

1 矿井概况

赵固二矿隶属于焦作煤业集团公司矿井设计生产能力为1.80Mt/a，全矿井设计可采储量为139.86Mt，矿井服务年限为55.5a。采用单水平盘区立井开拓方式。矿井主采二1煤层，开采标高-500～-1100m。井田总体为一走向北西，倾向南西，倾角4～10°的单斜构造。东西长约15km，南北宽2～5.5km，总面积37km2。

赵固二矿井田属第四系、第三系全覆盖区，顶板为中硬覆岩类型。据钻孔揭露，东北部隐伏露头区煤层顶板覆岩厚度薄，松散层下部发育有砾石层，富含泥质或夹有黏土薄层，呈半固结状态，渗透率介于含水与弱透水之间。矿井生产受到新近系下层砂砾石层孔隙水的威胁。

2 安全煤岩柱类型划分

据钻孔资料显示，在井田东部露头区松散层下部发育有砾石层，厚度1.95～17.13m。抽水试验得出单位涌水量0.135L/(s·m)，属中等富水性，对采煤影响较大。但大部分钻孔揭露第三系地层底部砂砾含水层下分布着稳定的厚层黏土层，最大厚度达53m。工程特性实验表明，黏土具有较好的隔水性和差的流动性，对阻隔砂砾石含水层水涌向工作面十分有利。仅13152钻孔揭露该地层消失，使得砾石层与基岩风化带直接接触出现“天窗”区。13152钻孔埋深大于600m处岩性特征见表1。

表1 13152钻孔岩性特征表(埋深大于600m)

通过以上分析可知，对赵固二矿煤层隐伏露头区域开采影响较大的为新近系底层砂砾石含水层。在13152钻孔位置砂砾含水层厚度较大(厚度大于10m)且底部缺失黏土层，富水性待进一步探测。其他为底部分布着稳定的较大厚度黏土层或者薄砂砾层(厚度小于10m)区域，根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(以下简称“三下采煤规程”)，需留设防砂安全煤岩柱[3]。

3 大采高工作面覆岩破坏高度预计

大采高综采相对于分层综采的开采强度增大，覆岩破坏高度也将增大。其中覆岩垮落带和导水裂缝带(以下简称“两带”)发育高度，将直接决定水体下采煤的安全性和可靠性，准确合理预测覆岩破坏高度是合理留设安全煤岩柱的前提，是保证矿井水体下安全采煤的关键。

3.1 “两带”高度的实测

赵固二矿目前未进行“两带”高度的实测，而同属赵固矿区且与赵固二矿地质、水文地质和采矿条件类似的赵固一矿以及其他矿井的“两带”高度实测数据，对赵固二矿的“两带”发育高度预计具有直接的借鉴意义。

3.1.1 赵固一矿“两带”高度实测

根据已有资料和现场条件，赵固一矿在11011工作面布置“两带”观测钻孔SD-01和SD-02。钻孔位置见图1，工程量完成情况见表2。

图1 “两带”观测钻孔位置示意

孔号终孔深度/m见基岩深度/m揭露基岩厚度/m测井深度/m终孔斜度/(°)岩芯采取率/%土工样/组岩石力学样/组SD-01519.84516.803.04--76.251SD-02547.35517.1030.25543.901---

通过观测计算得到垮落带高度为13.1m，按平均采高3.40m，垮采比为3.85。预测导水裂缝带的高度大于29.2m，则裂采比大于8.59[4]。

3.1.2 其他矿井“两带”高度实测

与赵固二矿地质条件相似的兖州兴隆庄矿、大屯孔庄矿和姚桥矿工作面开采同样受到松散砂砾含水层的威胁。为防止回采期间工作面发生突水，合理留设安全煤岩柱，对“两带”覆岩破坏高度进行了实测，其大采高开采中导水裂缝带发育高度及裂采比见表3。

表3 类似地质条件矿井综放和大采高开采裂采比

3.2 覆岩破坏高度数值模拟

基于FLAC3D软件，根据赵固二矿11020工作面地质条件建立数值模型，通过综合分析相关地质资料，将研究区内岩层按岩性和完整性划分为泥岩、砂质泥岩、中粒砂岩、顶板黏土、二1煤和灰岩6个地质互组岩层，由上至下划分为17层，岩层及厚度见表4。赵固二矿煤层为近水平煤层，工作面采用走向长壁布置。为了计算方便对模型进行了简化，用施加应力的方法来代替上覆部分岩层，模型长600m，宽180m(工作面斜长)，高229m。整个模型共划分为198000个单元，209777个节点。数值模拟采用Mohr-Coulomb本构模型对煤层开采过程中顶板覆岩破坏特征进行计算，各岩层具体物理力学参数见表5。

表4 模型各岩层及厚度

表5 煤层顶底板物理力学参数

通过模拟一次采全厚，采高为6m情况下，当工作面推进150m时围岩塑性区破坏范围达到最大，工作面推进100m和150 m时围岩剖面塑性区破坏分别见图2和图3。由图2、图3可看出，随着工作面的推进，顶板塑性破坏不断加大，煤层顶板自下往上依次发生拉伸破坏和剪切破坏。采空区中部上覆岩层主要发生拉伸破坏，在煤壁附近上覆岩层则主要发生剪切与拉伸破坏。顶板的垮落带和裂缝带高度呈现逐渐增加的现象，破坏范围呈现“马鞍”型破坏形态。根据工作面推进150m的模拟情况，显示表明顶板导水裂缝带高度为80m，裂采比为13.33；垮落带高度为20m，垮采比3.33。

图2 工作面推进100m时塑性区分布

图3 工作面推进150m时塑性区分布

3.3 “两带”高度经验公式预计

《三下采煤规程》中总结归纳了适用于分层综采和普采的覆岩“两带”高度计算经验公式。但通过对大采高综采条件下“两带”高度进行实测和理论分析，结果表明，随着采高的增大，“两带”高度都将比分层开采明显增大，分层开采公式已经不再适用。

通过利用收集40余个综放开采条件下覆岩“两带”高度实测值所建立的适用于综放开采工作面垮落带和覆岩导水裂缝带高度计算的经验公式预计“两带”高度。综放开采的“两带”高度经验公式同样适用于一次采全高大采高综采[5-6]。经验公式用于检验实测数据的真实可靠性。经验公式选取如下：

中硬覆岩垮落带高度综放开采经验公式：

中硬覆岩导水裂缝带高度综放开采经验公式：

防水安全煤岩柱厚度=导水裂缝带高度+保护层厚度；防砂安全煤岩柱厚度=垮落带高度+保护层厚度，安全煤岩柱留设时垮落带和导水裂缝带应取最大值[3]。

通过对比分析赵固一矿和其他矿井“两带”高度实测数据以及赵固二矿11020工作面数值模拟计算结果的垮采比和裂采比，同时考虑赵固二矿水文地质条件，为安全起见，取较大的实测数据裂采比13.5和垮采比3.85预计覆岩破坏“两带”高度。同时采用综放开采“两带”高度经验公式对赵固二矿大采高开采过程中覆岩破坏“两带”高度进行预计，并进行比较，最终选取较大值作为安全煤岩柱留设依据。

4 露头区安全煤岩柱留设

4.1 开采方法

赵固二矿二1煤为厚煤层，平均煤厚6.16m，最大厚度6.77m，大采高支架的最小采高为5.0m。根据不同开采方法对覆岩破坏的不同影响，以及工作面采煤设备的参数，选择以下开采方案：

方案一 基岩柱厚度较大的区域，一次采全高，工作面产量高，易实现高产稳产。采高为6.77m(最大煤厚)、6.16m(平均煤厚)、5.0m(最小采高)3种情况。

方案二 基岩厚度薄的区域，限厚开采，只采顶分层，尽可能回收煤炭资源，同时降低覆岩破坏高度，顶分层采高3.50m。

4.2 安全煤岩柱留设

通过对比类似矿井“两带”高度实测和数值模拟结果可看出，两者的垮采比和裂采比相接近。采用垮采比3.85，裂采比13.5和经验公式预计赵固二矿覆岩破坏垮落带高度，并选取较大值。

由于大采高综采一次采全厚，采出煤厚较大，采用综放开采条件下保护层留设和评价的“最小安全厚度法”，保护层部分由风化带构成岩性较软，取大采高开采保护层厚度为2.8A(A为采高)[7]。只采顶分层时，安全起见，防砂安全煤岩柱保护层厚度取3A，防水安全煤岩柱保护层厚度取6A[3]。

最小防砂安全煤岩柱厚度为垮落带高度与保护层厚度之和，最小防砂安全煤岩柱厚度计算结果见表6。

表6 最小防砂安全煤岩柱厚度

为保证开采安全，取各开采方法较大防砂安全煤岩柱和防水安全煤岩柱厚度。由表6可看出，留设防砂安全煤岩柱区域中，在基岩柱厚度大于54m区域采用大采高(采高6.77m)一次采全高；在42～54m区域采用大采高(采高5m)一次采全高；在30～42m区域只开采顶分层(采高3.5m)；根据矿井实际情况小于30m的区域不予开采。

如果13152钻孔附近区域经探测表明达到中等富水性，则按防水安全煤岩柱留设，防水安全煤岩柱厚度为导水裂缝带高度与保护层厚度之和。13152钻孔的基岩柱厚度=煤层埋深-松散层厚度=740.41-680.8=59.61(m)(参见表1)，取导水裂缝带高度为13.5A，保护层厚度取6A，则防水安全煤岩柱厚度Hsh=13.5A+6A=19.5A≤59.61m，计算得出安全采高为3.05m。由13152钻孔资料可知二1煤厚度为6.05m，则在13152钻孔附近区域需限厚开采，采高最大为3m。

5 结论

(1)通过对比分析类似地质条件矿井“两带”高度现场实测和数值模拟结果，选取实测数据垮采比3.85，裂采比13.5预计赵固二矿露头区覆岩破坏“两带”高度，并与综放开采“两带”高度经验公式预计进行比较，选取较大值。采用合理的方法选取保护层的厚度，最终确定了防砂和防水安全煤岩柱的高度。

(2)通过对安全煤岩柱的分析研究，得出基岩较薄的区域可实现只采上分层，解放出大量的浅部煤炭资源，提高采出率；基岩较厚的区域可变分层开采为一次采全厚大采高开采，使得开采强度增加，采煤成本降低，有利于矿井实现高产高效安全开采。

[1]刘 涛.厚煤层大采高综采技术现状[J].煤炭工程，2002，34(2)：4-8.

[2]申宝宏，孔庆军.综放工作面覆岩破坏规律的观测研究[J].煤田地质与勘探，2000，28(5)：42-44.

[3]国家煤炭工业局.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.

[4]许延春，李振华，贾安立.深厚松散层薄基岩条件下覆岩破坏高度实测分析[J].煤炭科学技术，2010，38(7).

[5]许延春，李俊成，刘世奇，等.综放开采覆岩“两带”高度的计算公式及适用性分析[J].煤矿开采，2011，16( 2)：4-7.

[6]武 强，赵苏启，董书宁，等.煤矿防治水手册[S].北京：煤炭工业出版社，2013.

[7]许延春.综放开采防水煤岩柱保护层的有效隔水厚度留设方法[J].煤炭学报，2005，30(3)：305-308.

[责任编辑：张玉军]

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Safety Coal and Rock Pillar Design for Mining under GravelAquifer in Outcrop Area of Zhaogu 2nd Mine

XU Yan-chun, LI Jiang-hua, LI Wei-min, YANG Yang, LUO Ming

(Resources & Safety School, China University of Mining & Technology (Beijing), Beijing 100083, China)

The mining face in coal outcrop area, Zhaogu 2ndColliery, was threatened by gravel aquifer of Neogene System.Slice mining was selected in former design, but output, efficiency and economic benefit would be limited.By analyzing overlying strata damage rule with on-the-spot observation and FLAC3Dsimulation and referring to full-mechanized caving and large-height mining faces with similar geological condition, selecting larger caving-to-mining ratio and fracturing-to-mining ratio to predict caving and fracturing height, applying minimum safe thickness method to selecting protective thickness, rational height of coal and rock pillar for preventing water and sand, and mining height were obtained.Results showed that only mining top-slice could free large amount shallow coal resource and improve mining ratio in thin basement area, and mining whole coal-seam with large-mining-height method in thick basement area was benefit for realizing high output and high efficiency of mine.

outcrop area; gravel aquifer; coal and rock pillar for safety; full-mechanized caving mining

2013-11-05

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.03.013

国家重点基础研究发展计划(973)项目(2013CB227903)

许延春(1963-)，男，河北乐亭人，博士研究生，研究员，博导，研究方向为特殊条件下安全采煤。

许延春，李江华，李卫民，等.赵固二矿露头区砂砾含水层下安全煤岩柱留设研究[J].煤矿开采，2014，19(3)：47-50.

TD745.21

A

1006-6225(2014)03-0047-04