松散煤层安全开采煤柱留设可行性分析与应用

边 龙 龙

（山西焦煤西山煤电矿山救护大队，山西 太原 030200）

0 引 言

西山煤矿根据矿井所用的采煤方法以及采煤工艺，对3 煤层留设了垂高80 m 的防隔水煤柱，由于防隔水煤柱（厚度≤80 m）范围主要位于西部的五采区、六采区和八采区，3（3上、3下）煤层防水煤柱储量为7 184 万t，基岩厚度在40～80 m 范围内的储量仅有4 138 万t，形成了大量的呆滞煤炭，长期得不到及时开发利用，制约着矿井生产。因此，需要缩小防水安全煤岩柱，变为防砂安全煤岩柱，解放大量的防水煤岩柱内的资源储量，以提高经济效益和社会效益。

1 地质概况

西山煤矿核定生产能力为500 万t/a，煤层绝对瓦斯涌出量为256.43 m3/min，相对瓦斯涌出量为33.58 m3/t，属于Ⅰ类自燃倾向型煤层。主要开采的8 采区西部、6 采区和5 采区西部，东西方向距离大约1.73 km，南北方向的距离大约8.66 km，面积大约14.98 km2，8 采区3 煤层平均厚9.22 m，6 采区3 煤层平均厚8.59 m，5 采区主采3 煤层厚度平均为8.72 m。使用立井水平大巷开掘，采掘水平面高度设计为-590 m 以及-430 m，采用对角抽出式通风方案[1]。按岩性和完整性将3 煤顶板基岩高度60 m 和底板下22 m 岩层可划分为底含、底粘、粉细砂岩、泥岩、粉砂岩和煤层等6 个地质岩组。开采3 煤层的顶底板地层特征表1。

表1 3 煤层顶底板地层特征

2 综放开采覆岩变形破坏特征

2.1 模型的建立

依据西山煤矿5 采区、6 采区以及8 采区所处位置松散煤层薄基岩钻孔数量统计，研究区80 m 防隔水煤柱区域内综采情况下煤层垮落带高度，地质背景为附近钻孔和西部8 采区、6 采区以及5 采区代表的山西组3 煤层顶底板煤岩层，综合机械化放顶煤开采情况下工程地质层序结构模型参数研究示意图如图1 所示[2]。

图1 3 煤层综放开采初始条件和边界条件示意图

使用研究区均值设定仿真的地质背景，第4 系厚度208 m，覆岩厚60 m，3 煤层为9 m，按完整性和岩性把3 煤层底板下22m 岩层和顶板基岩60 m 可分类为粉细砂岩、底粘、底含、煤层、粉砂岩、泥岩6 个工程地质岩组，它们的组合结构设置12 层。工程地质数值模型空间范围沿走向距离200 m，宽度取120 m，底板厚度取22 m，顶板取69 m，上方覆盖的松散层选择4.0 MPa。在仿真模型四周都设置30m保护煤柱，开挖区域140m×60m，沿走向方向开挖。

2.2 模拟结果与分析

2.2.1 竖直应力变化特征分析

综合机械化放顶煤开采9 m 后，垂直应力变化布局云图如图2 所示，可以得到，无论是倾向方向或者走向方向，采掘后在开采面2 侧煤壁中都有2 个应力升高区域，但是采空区底部、顶部都存在应力正值和极小值，其中正值代表拉伸力。原因是采掘之后破坏了之前的应力平衡，采掘区域发生了应力释放，还未采掘的区域发生了应力集中引起的[3]。由数值仿真结果可以得到，在采掘前3 煤层顶板存在大约5.7 MPa 的自重应力，采掘140 m 后垂直应力极大值为12.4 MPa，应力集中因子极值为2.2。

图2 综放开采完毕后3 煤顶底板竖直应力分布云图

2.2.2 垂直位移变化特征研究

无论是倾向，又或者是走向，采掘以后采掘煤层的正上方都出现了垂直位移的极大值，并且参数也大体相同，极值都是6.72 m。顶板岩层的向下位移，位移参数为负值，底板岩层出现底鼓现象，则位移参数为正值，底板岩层底鼓量极值大为42 cm，显然顶板岩层的下沉量远大于底板岩层的底鼓量。

2.2.3 “两带”高度变化特征分析

综合机械化放顶煤开采后顶底板变形破坏特征的塑性区云图如图3 所示，顶板大致呈现正马鞍形，底板大致呈现倒马鞍形，拉伸应力为中部的主要应力，剪切破坏为两侧主要应力。依据仿真中划分的网格，可以得到该采掘情况中垮落带垮采比为3.3，高度30 m，透水裂隙带的高度最大延伸至基岩顶部。通过对比研究可知，倾斜方向和走向上垮落带高度基本相等，然而透水裂隙带高度有差异[4]。塑性区剪切破坏及拉张破坏云图和垂直应力分布规律及垂直位移的变化特点拥有良好的相符性，在采掘模型的顶底板存在受拉破坏区，垂直位移和垂直应力也出现正值，都属于受拉状态；两侧的剪切塑性区域都发生了应力集中。

图3 综放开采完毕后3 煤顶底板塑性区分布云图

综上所述，综合机械化放顶煤开采后可得到研究区的最大应力12.4 MPa，应力集中因数最大为2.2；顶板下沉量极值为6.72 m，底鼓量极值为0.42m，垮落带高度极值30 m，垮采比约3.3，导水裂缝带高度最大延伸到基岩顶部。

3 安全开采煤岩柱合理留设

3.1 煤层开采垮落带高度计算

研究区内6 采区3 煤层厚度平均为8.59 m，5 采区3 煤层厚度平均为8.72 m，8 采区3上煤层厚度平均为5.23 m，3 煤层厚度平均为9.22 m。

“三下规范”垮落带（Hk）高度计算公式为[5]：

式中：ΣM为累计采厚，m。取5、6、8 采区各煤层厚度的平均值。

为了提高安全可靠性，误差按正直计算。

各采区开采3 煤层垮落带高度计算如下：

根据煤矿可行性分析报告可知，综合机械化放顶煤开采冒高/采厚比为3.5，有垮落带高度：

式中：M为综合机械化放顶煤开采厚度，m。

把矿井5、6、8 采区煤层厚度平均值代入公式中，计算得8 采区采掘3上煤层的垮落带高度为18.3 m，3 个采区开采3 煤层的垮落带高度依次是30.5、30.1、32.3 m。

为保证安全，垮落带高度取矿区经验公式计算值，即5、6、8 采区全煤厚综合机械化放顶煤开采3 煤层垮落带高度依次是30.5、30.1、32.3 m；8 采区3上煤层全煤厚综合机械化放顶煤开采垮落带高度为18.3 m。

3.2 保护层的选取

由于综合机械化放顶煤开采时，采厚大，依靠矿区放顶煤水体下采掘经验，通常选择采厚的2 倍为保护带厚度。但考虑到相邻煤矿综合机械化放顶煤全厚开采时，选择采厚的1.5 倍作为保护带厚度并成功采掘的经验，考虑开采面上部松散层底含属弱含水性[6]，按最大煤厚考虑开采面采放厚度，则5、6、8 采区综合机械化放顶煤开采保护层厚度的最小值依次是：13.1、12.9、13.8 m。

3.3 防砂煤岩柱尺寸选取

经过估算覆岩破坏高度可得，在综合机械化放顶煤工艺采掘工程当中，它的垮落带高度的极大值，随后按防砂煤岩柱的设置方案，把得到的垮落带高度最大值和保护层厚度代入公式中，计算得到综放工艺在采掘的条件下最小防砂煤柱高度，5 采区43.6 m、6 采区43.0 m、8 采区46.1 m；8 采区3上煤层全煤厚综合机械化放顶煤开采，防砂安全煤岩柱高度为26.1 m。

3 个采区5、6、8 采区，在不同开采条件下防砂安全煤岩柱设立见表2。根据已有数据，8 采区3上煤层上侧基岩石柱的最薄为31.26 m（165 号孔），3 煤层上侧基岩石柱的最薄为47.09 m，都比设置防砂安全煤岩柱全煤厚综合机械化放顶煤开采需要的煤岩柱厚度需要要更大，所以8 采区的3、3上煤层可开采全煤厚综合机械化放顶煤。

4 安全性分析

结合西山煤矿5 采区、6 采区和8 采区开采面区域的实地情况和相关数据，从防砂煤岩柱的隔水阻砂性能、组合结构特征和岩性开展深入研究，确认综合机械化放顶煤开采工艺下防砂煤岩石柱最小的厚度，来评定采掘区开采面设立防砂安全煤岩石柱的可靠、安全性。

从基岩特征角度研究5 采区开采面3 煤顶板，该地区防砂煤岩柱安全可靠的主要原因是基岩的结构性特点。开采面近处第4 系下组各亚分层富水性弱，并且2 隔与1 隔水层中的粘土厚度大、结构稳定，造成了3 含水层（底含）补给情况不佳，开采面基岩最薄地方（切眼处）尤为明显，全区最大水层厚度出现在2 隔与1 隔，3 含（底含）含粘高而且薄，富水性极弱，渗透性差。所以，5 采区开采面周围的第4 系下组各段组合结构特点提供了安全保障及有利基础。5 采区采用综合机械化放顶煤开采条件下所需留设防砂安全煤岩柱最小高度为43.6 m，由基岩厚度研究认为5 采区开采面采掘设置煤岩石柱是可靠的。

依据6 采区基岩厚度分布情况，基岩厚度远远比所留设最小防砂煤岩柱高度要大，大部分区域基岩厚度要比煤岩柱的高度更大，而且基岩风化带的组成成分为胶结的泥岩和砂岩，而且遇到水的浸润容易发生膨胀泥化、崩解的特征，采动、原生裂缝发生弥合、压密，使渗透性变小，阻砂隔水特性加强。而从基岩风化带方向研究，6 采区开采面基岩上侧风氧化岩层拥有抑制裂缝扩展和阻砂隔水的双重优点。6 采区采用综合机械化放顶煤开采需要设置的煤岩柱高度最小为43.0 m，所以，从基岩厚度方面研究认为6 采区工作面开采留设防砂安全煤岩柱也是可靠的。

8 采区开采面周围基岩风化带的组成成分为泥质胶结的砂岩和泥岩，这一种岩石经过风化之后，会使得粘土成分增加、强度降低和可塑性增大，也就是强风化段时，可以出现1 道优秀的阻砂隔水的屏蔽。所以，由基岩风化带特点方向研究，开采面基岩上侧的风氧化岩层拥有一定的抑制裂缝扩展和阻砂隔水的双重优点，所以更加加强了防砂安全煤岩柱的可靠性。8 采区运用综合机械化放顶煤开采需要设置的煤岩柱高度最小为46.1 m，8 采区3上煤层全煤厚综合机械化放顶煤开采，防砂安全煤岩柱高度是26.1 m，所以，从基岩厚度方向研究确认8 采区工作面开采留设防砂安全煤岩柱是可靠的。

5 结 论

1）根据西山煤矿松散煤层综合机械化放顶煤开采覆岩变形破坏特征的数值仿真，得到采动覆岩变形破坏特征量化数值，综合机械化放顶煤开采后最大应力为12.4 MPa，应力集中系数最大为2.2；顶板下沉量最大为6.72 m，底鼓量最大为0.42 m，垮落带高度最大为30 m，垮采比为3.3，导水裂缝带高度最大延伸至基岩顶部。

2）研究区3 煤层综合机械化放顶煤开采，5、6、8 采区防砂安全煤岩柱依次是43.6、43.0、46.1 m，8 采区3上煤层全煤厚综合机械化放顶煤开采，防砂安全煤岩柱是26.1 m，从基岩厚度方向研究认定各开采面采掘留设防砂安全煤岩柱是可靠且安全的。