大平矿特厚煤层综放工作面水下开采安全性评价

张 峰，秦洪岩，题正义

(1.山西工程技术学院 采矿工程系，山西 阳泉 045000；2.华北科技学院 安全工程学院，北京 101601；3.辽宁工程技术大学 矿业学院，辽宁 阜新 123000)

由于现行相关规定和标准没有为预测放顶煤导高提供成熟有效的计算方法[1]，而众多相关研究成果的应用也局限于具体的地质采矿条件，难以在特厚煤层综放工作面直接应用[2-4]。因此，根据特厚煤层的地表采矿条件建立适合相应井田范围内的水下开采安全性判定准则，是当前特厚煤层水下开采亟需解决的技术难题。

本文以大平矿待采工作面的地质采矿条件和其它采区已采工作面的实测数据，构建了该井田范围内水下开采安全性的判定准则，并依据数值模拟得到的导水裂隙带高度，对水库下特厚煤层综放开采的安全性进行评价。

1 工程背景

大平矿S2S9综放工作面位于水库坝体下，进行坝下开采的前提首先要保证水下开采的安全性，才能为坝体下开采的安全性分析奠定基础。S2S9工作面为水库坝体下的首采工作面，工作面长度277 m，推进长度2 001 m，面积为55.4万m2。煤层平均厚度8.95 m，倾角5～8°(平均7°)，埋藏深度684～767 m(平均725 m)，设计原煤采出量761.2万t。工作面布置示意如图1所示。

图1 坝体下工作面布置示意

2 水下开采安全性的判定准则

根据煤层上覆地表水体的层位高度、导高和保护层厚度三者之间的关系，构建水体下安全开采的判定标准[5-6]，判断水库下首采工作面开采的安全性，为坝体下开采的安全性分析奠定基础。

2.1 水体下开采安全性判定准则的确定

根据《三下规程》要求：水体下进行煤层开采时，严禁导水裂隙带直接与水体的底界面导通，且应在水体底界面以下留设一定高度的防水安全煤岩柱，防水煤岩柱高度Hsh要不小于最大导高Hli与最小保护层厚度Hb之和，即Hsh≥Hli+Hb。若覆岩采动裂隙使水库与井下导通，将造成库水溃入井下，对工作面综放开采安全构成严重威胁。因此，水体下采煤安全与否以及安全的可靠性，取决于防水煤岩柱的高度。

1) 防水煤岩柱高度的确定。防水煤岩柱高度是指煤层上覆含水层的底板岩层或库水底界面与煤层顶板之间的距离，如图2所示。由大平矿井田内的水文地质特征可知，井田内共含有3个含水层及其隔水能力。

图2 岩层厚度关系示意

侏罗系系直接充水承压含水层赋存于煤层的下部，与上覆煤层的保护层厚度无关，且其分布较薄，与上部含水层水无水力联系，在此可忽略不计。

白垩系砂岩及砂砾岩承压含水层和第四系砂及砂砾承压含水层均分布在第四系底界面与风化带底界面上(图3)，分析各含水层的透水性及层位高度，用于确定防水煤岩柱上边界位置，最终确定防水煤岩柱高度。

图3 保护层厚度构成示意

第四系砂及砂砾承压含水层在8.52～13.47 m厚亚粘土及粘土之下，最大厚度2.33 m，主要成分以石英、长石为主的砂及砂砾组成，依靠大气降水补给，与下部白垩系风化带含水段有微弱水力联系。

白垩系砂岩及砂砾岩承压含水层分为白垩系风化带含水段和白垩系微弱含水段。白垩系风化带含水层厚度为10.73～62.34 m，平均31.03 m。主要由紫红色砂岩及砂砾岩组成，其成分以石英、长石为主，结构松散破碎，砾径不一，其含水性及透水性较强。

白垩系微弱含水层厚度为14.91～44.18 m，平均27.17 m。主要由灰绿色砂岩及砂砾岩组成，为泥质胶结，其结构较上部风化带含水段致密，其含水性及透水性比较弱。

分析以上含水层的位置、厚度和特点，从开采安全角度考虑，选取煤层上覆白垩系微弱含水层底边界作为防水煤岩柱高度的上边界，白垩系微弱含水层底边界距水库底边界高度为122.32 m(13.47 m+2.33 m+62.34 m+44.18 m)。

防水煤岩柱的高度等于煤层最小埋深与采高和水库底端含水层影响高度之差。

2) 最小保护层厚度的确定。保护层厚度是指煤层开采后上覆含水层下起隔水作用的岩层厚度，其范围为含水层下边界至最大导高的上边界之间。

由于《三下规程》中防水安全煤岩柱保护层厚度选取规定不适用于综放开采，采用工程类比法，根据大平矿水库下已安全开采的4个综放工作面最大导高与防水煤岩柱高度之间的关系[7-9]，求出各工作面的保护层厚度(表1)。从开采安全角度考虑，选取保护层的最小值58.84 m作为S2S9工作面开采安全性判定指标。

表1 已采工作面保护层厚度

由于库水下工作面留设的最小保护层厚度为58.84 m时，工作面能够安全开采，因此，58.84 m厚的保护层，其岩性及组合特征均能起到隔水作用，且不被破坏。

由上述分析可得大平矿水库下安全开采的判定标准为：煤层上方的最小防水煤岩柱高度(埋深取最小值)与最大导高之间的差值要大于58.84 m的保护层厚度(Hsh-Hli>Hb)。

3 导水裂隙带高度的数值模拟分析

3DEC软件能够模拟动压或静压影响下非连续介质的变化形态，更能够突出显示非连续性介质的破坏过程和破坏趋势，对于煤层开采后覆岩破断、冒落和滑移现象的模拟最为形象，因此，选用3DEC数值模拟软件模拟不同影响因素组合成的综放工作面开采后覆岩变形破坏发育高度，通过上覆岩层受到拉伸、剪切破坏的颜色变化进行高度判别。根据工作面地质采矿条件确定模型的长×宽×高=360 m×340 m×300 m，其他参数见表2。由于埋深对导高的影响较大，因此选择最大埋深767 m进行模拟计算，得出最大导高。

表2 岩石力学基础参数

根据工作面埋深767 m和库水压力0.034 1 MPa，计算得到的上覆载荷共施加12.18 MPa的垂直压力，水平应力15.83 MPa为垂直压力的1.3倍。开挖步距设为10 m。模拟开挖后在工作面前方设置观测面，观测不同推进过程中剖面位置上的覆岩塑性变形和应力变化，分析、确定导高的大小。

为消除初次来压对分析结果的影响，选取距开切眼70 m处设置观测剖面，分别分析工作面推过观测剖面10 m、30 m、50 m、70 m、90 m和100 m时观测剖面的塑性变形破坏和应力变化情况，确定导高的大小。图4为工作面不同推进距离时观测剖面上的应力变化云图。

由图4可以看出，工作面推过观测剖面10～70 m时，工作面上覆岩层的应力降低区域逐渐增大，且逐渐向上扩展，但中部区域的应力值较小，约0～5 MPa，远小于原岩应力值，说明此范围内的岩体处于卸压状态，裂隙发育充分；在工作面推进至距观测剖面90 m位置时，中部卸压状态区域的岩体受到上覆破裂岩层和煤层底板岩层之间的挤压，应力值开始增大，应力恢复区向上覆扩展；在工作面继续向前推过观测剖面100 m位置时，下部卸压区域岩体由松散堆积状态转向压密阶段，岩体间的空隙减小，更加密实，但应力值仍小于原岩应力。而中上部岩体受上覆岩层和严密段岩层之间的挤压作用，裂隙也发生闭合，应力值逐渐增大，直至达到一定值时(大于原岩应力)就不再增加，此时工作面的导高根据岩体应力变化值的大小(应力值由原始应力先减小后增大，稳定时大于原岩应力值)确定为175 ～185 m之间。

图4 不同推进距离时观测剖面上覆岩的应力变化云图

图5为工作面不同推进距离时观测剖面上的塑性破坏云图。

由图5可以看出，随着工作面的推进，覆岩塑性破坏范围逐渐增大，基本上都属于拉伸和剪切破坏。工作面推过100 m时的塑性破坏区只在横向上比推过90 m时有所增大，但高度基本保持不变，说明导高已发育至最大。根据观测结果绘制导高变化曲线，见图6。

图5 不同推进距离时观测剖面上覆岩的塑性区变化云图

由图6可以看出，导高随着工作面的推进呈现逐渐增大的趋势，在工作面推过90 m后，基本保持不变的状态，此时最大可能导高为180.6 m。

图6 工作面推过观测剖面不同距离时导高

通过对工作面开采过程中不同推进距离下同一剖面导高的塑性变形和应力云图分析得到，S2S9综放工作面水下开采的导高为180.6 m。

4 S2S9工作面水下开采安全性判定

根据S2S9工作面导高和覆岩结构性质，按照库水下开采安全判定准则，判定S2S9工作面库水下开采的安全性。

从数值模拟的计算结果可知，S2S9工作面的导高为180.6 m。结合防水煤岩层高度和最小保护层厚度58.84 m判定S2S9工作面水下开采的安全性，如表3所示。

表3 S2S9工作面水下开采安全性判定数据

由表3可知，S2S9工作面最小埋深与上覆含水层高度的差值得到的防水煤岩柱高度为552.73 m，防水煤岩柱高度与最大可能导高之间的差值为372.13 m，不仅大于能够安全隔水的最小保护层厚度58.84 m，而且还大于已采面最大的保护层厚度333.04 m，说明S2S9工作面实施水库下综放开采是安全可行的。

5 结 语

1) 依据《三下规程》的规定及岩层性质，结合大平矿库水下已安全回采工作面的保护层厚度，提出了该井田水下采煤安全性的判定标准。

2) 根据数值模拟计算结果，S2S9工作面的导高为180.6 m，结合工作面最小埋深，从而得到防水煤岩柱高度与最大可能导高之间的差值为372.13m，大于安全隔水的最小保护层厚度58.84m，证明S2S9工作面实施水库下综放开采是安全可行的。