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(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083)

趙固二礦露頭區(qū)砂礫含水層下安全煤巖柱留設(shè)研究

許延春，李江華，李衛(wèi)民，楊揚(yáng)，羅茗

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京100083)

趙固二礦煤層隱伏露頭區(qū)域工作面開(kāi)采受到新近系下層砂礫含水層的威脅，原設(shè)計(jì)中采用分層開(kāi)采，工作面產(chǎn)量和效率難以提高，經(jīng)濟(jì)效益低。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、FLAC3D數(shù)值模擬以及對(duì)類(lèi)似地質(zhì)條件礦井綜放或大采高綜采的覆巖破壞規(guī)律進(jìn)行分析，選取較大的垮采比和裂采比預(yù)計(jì)“兩帶”高度，并與綜放開(kāi)采“兩帶”高度經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)計(jì)進(jìn)行對(duì)比，采用“最小安全厚度”法選取保護(hù)層厚度，最終合理確定了防砂和防水安全煤巖柱的高度以及開(kāi)采厚度。結(jié)果表明基巖厚度較薄的區(qū)域可只采頂分層，解放大量淺部煤炭資源，提高采出率；基巖較厚的區(qū)域變分層開(kāi)采為一次采全厚大采高開(kāi)采，有利于礦井實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效安全開(kāi)采。

露頭區(qū)；砂礫含水層；安全煤巖柱；綜放

趙固二礦煤層隱伏露頭區(qū)域工作面開(kāi)采受新近系砂礫含水層的威脅。原《礦井安全專(zhuān)篇》和《礦井初步設(shè)計(jì)》中采用綜采分層開(kāi)采，但分層開(kāi)采時(shí)回采巷道的掘進(jìn)量大，并需鋪設(shè)金屬網(wǎng)假頂，回采程序繁瑣，從而使采煤成本增大，工作面產(chǎn)量和效率難以提高，礦井經(jīng)濟(jì)效益降低，并且在基巖厚度較薄的區(qū)域難以滿(mǎn)足分層開(kāi)采所需留設(shè)的安全煤巖柱要求。大采高開(kāi)采可避免以上不足，但大采高開(kāi)采覆巖破壞高度與綜放開(kāi)采相似，明顯高于分層綜采[1-2]。因此，若對(duì)大采高開(kāi)采覆巖破壞規(guī)律進(jìn)行研究，合理確定安全煤巖柱的留設(shè)尺寸，在煤層隱伏露頭區(qū)域含水層下，基巖厚度較薄的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)開(kāi)采頂分層，提高開(kāi)采上限，最大限度地回收煤炭資源；基巖厚度較大區(qū)域?qū)崿F(xiàn)由分層開(kāi)采變?yōu)橐淮尾扇呔C采(簡(jiǎn)稱(chēng)“大采高”)，對(duì)趙固二礦實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 礦井概況

趙固二礦隸屬于焦作煤業(yè)集團(tuán)公司礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為1.80Mt/a，全礦井設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量為139.86Mt，礦井服務(wù)年限為55.5a。采用單水平盤(pán)區(qū)立井開(kāi)拓方式。礦井主采二1煤層，開(kāi)采標(biāo)高-500～-1100m。井田總體為一走向北西，傾向南西，傾角4～10°的單斜構(gòu)造。東西長(zhǎng)約15km，南北寬2～5.5km，總面積37km2。

趙固二礦井田屬第四系、第三系全覆蓋區(qū)，頂板為中硬覆巖類(lèi)型。據(jù)鉆孔揭露，東北部隱伏露頭區(qū)煤層頂板覆巖厚度薄，松散層下部發(fā)育有礫石層，富含泥質(zhì)或夾有黏土薄層，呈半固結(jié)狀態(tài)，滲透率介于含水與弱透水之間。礦井生產(chǎn)受到新近系下層砂礫石層孔隙水的威脅。

2 安全煤巖柱類(lèi)型劃分

據(jù)鉆孔資料顯示，在井田東部露頭區(qū)松散層下部發(fā)育有礫石層，厚度1.95～17.13m。抽水試驗(yàn)得出單位涌水量0.135L/(s·m)，屬中等富水性，對(duì)采煤影響較大。但大部分鉆孔揭露第三系地層底部砂礫含水層下分布著穩(wěn)定的厚層黏土層，最大厚度達(dá)53m。工程特性實(shí)驗(yàn)表明，黏土具有較好的隔水性和差的流動(dòng)性，對(duì)阻隔砂礫石含水層水涌向工作面十分有利。僅13152鉆孔揭露該地層消失，使得礫石層與基巖風(fēng)化帶直接接觸出現(xiàn)“天窗”區(qū)。13152鉆孔埋深大于600m處巖性特征見(jiàn)表1。

表1 13152鉆孔巖性特征表(埋深大于600m)

通過(guò)以上分析可知，對(duì)趙固二礦煤層隱伏露頭區(qū)域開(kāi)采影響較大的為新近系底層砂礫石含水層。在13152鉆孔位置砂礫含水層厚度較大(厚度大于10m)且底部缺失黏土層，富水性待進(jìn)一步探測(cè)。其他為底部分布著穩(wěn)定的較大厚度黏土層或者薄砂礫層(厚度小于10m)區(qū)域，根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“三下采煤規(guī)程”)，需留設(shè)防砂安全煤巖柱[3]。

3 大采高工作面覆巖破壞高度預(yù)計(jì)

大采高綜采相對(duì)于分層綜采的開(kāi)采強(qiáng)度增大，覆巖破壞高度也將增大。其中覆巖垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“兩帶”)發(fā)育高度，將直接決定水體下采煤的安全性和可靠性，準(zhǔn)確合理預(yù)測(cè)覆巖破壞高度是合理留設(shè)安全煤巖柱的前提，是保證礦井水體下安全采煤的關(guān)鍵。

3.1 “兩帶”高度的實(shí)測(cè)

趙固二礦目前未進(jìn)行“兩帶”高度的實(shí)測(cè)，而同屬趙固礦區(qū)且與趙固二礦地質(zhì)、水文地質(zhì)和采礦條件類(lèi)似的趙固一礦以及其他礦井的“兩帶”高度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)趙固二礦的“兩帶”發(fā)育高度預(yù)計(jì)具有直接的借鑒意義。

3.1.1 趙固一礦“兩帶”高度實(shí)測(cè)

根據(jù)已有資料和現(xiàn)場(chǎng)條件，趙固一礦在11011工作面布置“兩帶”觀測(cè)鉆孔SD-01和SD-02。鉆孔位置見(jiàn)圖1，工程量完成情況見(jiàn)表2。

圖1 “兩帶”觀測(cè)鉆孔位置示意

孔號(hào)終孔深度/m見(jiàn)基巖深度/m揭露基巖厚度/m測(cè)井深度/m終孔斜度/(°)巖芯采取率/%土工樣/組巖石力學(xué)樣/組SD-01519.84516.803.04--76.251SD-02547.35517.1030.25543.901---

通過(guò)觀測(cè)計(jì)算得到垮落帶高度為13.1m，按平均采高3.40m，垮采比為3.85。預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂縫帶的高度大于29.2m，則裂采比大于8.59[4]。

3.1.2 其他礦井“兩帶”高度實(shí)測(cè)

與趙固二礦地質(zhì)條件相似的兗州興隆莊礦、大屯孔莊礦和姚橋礦工作面開(kāi)采同樣受到松散砂礫含水層的威脅。為防止回采期間工作面發(fā)生突水，合理留設(shè)安全煤巖柱，對(duì)“兩帶”覆巖破壞高度進(jìn)行了實(shí)測(cè)，其大采高開(kāi)采中導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度及裂采比見(jiàn)表3。

表3 類(lèi)似地質(zhì)條件礦井綜放和大采高開(kāi)采裂采比

3.2 覆巖破壞高度數(shù)值模擬

基于FLAC3D軟件，根據(jù)趙固二礦11020工作面地質(zhì)條件建立數(shù)值模型，通過(guò)綜合分析相關(guān)地質(zhì)資料，將研究區(qū)內(nèi)巖層按巖性和完整性劃分為泥巖、砂質(zhì)泥巖、中粒砂巖、頂板黏土、二1煤和灰?guī)r6個(gè)地質(zhì)互組巖層，由上至下劃分為17層，巖層及厚度見(jiàn)表4。趙固二礦煤層為近水平煤層，工作面采用走向長(zhǎng)壁布置。為了計(jì)算方便對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，用施加應(yīng)力的方法來(lái)代替上覆部分巖層，模型長(zhǎng)600m，寬180m(工作面斜長(zhǎng))，高229m。整個(gè)模型共劃分為198000個(gè)單元，209777個(gè)節(jié)點(diǎn)。數(shù)值模擬采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型對(duì)煤層開(kāi)采過(guò)程中頂板覆巖破壞特征進(jìn)行計(jì)算，各巖層具體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表5。

表4 模型各巖層及厚度

表5 煤層頂?shù)装逦锢砹W(xué)參數(shù)

通過(guò)模擬一次采全厚，采高為6m情況下，當(dāng)工作面推進(jìn)150m時(shí)圍巖塑性區(qū)破壞范圍達(dá)到最大，工作面推進(jìn)100m和150 m時(shí)圍巖剖面塑性區(qū)破壞分別見(jiàn)圖2和圖3。由圖2、圖3可看出，隨著工作面的推進(jìn)，頂板塑性破壞不斷加大，煤層頂板自下往上依次發(fā)生拉伸破壞和剪切破壞。采空區(qū)中部上覆巖層主要發(fā)生拉伸破壞，在煤壁附近上覆巖層則主要發(fā)生剪切與拉伸破壞。頂板的垮落帶和裂縫帶高度呈現(xiàn)逐漸增加的現(xiàn)象，破壞范圍呈現(xiàn)“馬鞍”型破壞形態(tài)。根據(jù)工作面推進(jìn)150m的模擬情況，顯示表明頂板導(dǎo)水裂縫帶高度為80m，裂采比為13.33；垮落帶高度為20m，垮采比3.33。

圖2 工作面推進(jìn)100m時(shí)塑性區(qū)分布

圖3 工作面推進(jìn)150m時(shí)塑性區(qū)分布

3.3 “兩帶”高度經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)計(jì)

《三下采煤規(guī)程》中總結(jié)歸納了適用于分層綜采和普采的覆巖“兩帶”高度計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式。但通過(guò)對(duì)大采高綜采條件下“兩帶”高度進(jìn)行實(shí)測(cè)和理論分析，結(jié)果表明，隨著采高的增大，“兩帶”高度都將比分層開(kāi)采明顯增大，分層開(kāi)采公式已經(jīng)不再適用。

通過(guò)利用收集40余個(gè)綜放開(kāi)采條件下覆巖“兩帶”高度實(shí)測(cè)值所建立的適用于綜放開(kāi)采工作面垮落帶和覆巖導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)計(jì)“兩帶”高度。綜放開(kāi)采的“兩帶”高度經(jīng)驗(yàn)公式同樣適用于一次采全高大采高綜采[5-6]。經(jīng)驗(yàn)公式用于檢驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠性。經(jīng)驗(yàn)公式選取如下：

中硬覆巖垮落帶高度綜放開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)公式：

中硬覆巖導(dǎo)水裂縫帶高度綜放開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)公式：

防水安全煤巖柱厚度=導(dǎo)水裂縫帶高度+保護(hù)層厚度；防砂安全煤巖柱厚度=垮落帶高度+保護(hù)層厚度，安全煤巖柱留設(shè)時(shí)垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶應(yīng)取最大值[3]。

通過(guò)對(duì)比分析趙固一礦和其他礦井“兩帶”高度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以及趙固二礦11020工作面數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的垮采比和裂采比，同時(shí)考慮趙固二礦水文地質(zhì)條件，為安全起見(jiàn)，取較大的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)裂采比13.5和垮采比3.85預(yù)計(jì)覆巖破壞“兩帶”高度。同時(shí)采用綜放開(kāi)采“兩帶”高度經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)趙固二礦大采高開(kāi)采過(guò)程中覆巖破壞“兩帶”高度進(jìn)行預(yù)計(jì)，并進(jìn)行比較，最終選取較大值作為安全煤巖柱留設(shè)依據(jù)。

4 露頭區(qū)安全煤巖柱留設(shè)

4.1 開(kāi)采方法

趙固二礦二1煤為厚煤層，平均煤厚6.16m，最大厚度6.77m，大采高支架的最小采高為5.0m。根據(jù)不同開(kāi)采方法對(duì)覆巖破壞的不同影響，以及工作面采煤設(shè)備的參數(shù)，選擇以下開(kāi)采方案：

方案一 基巖柱厚度較大的區(qū)域，一次采全高，工作面產(chǎn)量高，易實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。采高為6.77m(最大煤厚)、6.16m(平均煤厚)、5.0m(最小采高)3種情況。

方案二 基巖厚度薄的區(qū)域，限厚開(kāi)采，只采頂分層，盡可能回收煤炭資源，同時(shí)降低覆巖破壞高度，頂分層采高3.50m。

4.2 安全煤巖柱留設(shè)

通過(guò)對(duì)比類(lèi)似礦井“兩帶”高度實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬結(jié)果可看出，兩者的垮采比和裂采比相接近。采用垮采比3.85，裂采比13.5和經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)計(jì)趙固二礦覆巖破壞垮落帶高度，并選取較大值。

由于大采高綜采一次采全厚，采出煤厚較大，采用綜放開(kāi)采條件下保護(hù)層留設(shè)和評(píng)價(jià)的“最小安全厚度法”，保護(hù)層部分由風(fēng)化帶構(gòu)成巖性較軟，取大采高開(kāi)采保護(hù)層厚度為2.8A(A為采高)[7]。只采頂分層時(shí)，安全起見(jiàn)，防砂安全煤巖柱保護(hù)層厚度取3A，防水安全煤巖柱保護(hù)層厚度取6A[3]。

最小防砂安全煤巖柱厚度為垮落帶高度與保護(hù)層厚度之和，最小防砂安全煤巖柱厚度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 最小防砂安全煤巖柱厚度

為保證開(kāi)采安全，取各開(kāi)采方法較大防砂安全煤巖柱和防水安全煤巖柱厚度。由表6可看出，留設(shè)防砂安全煤巖柱區(qū)域中，在基巖柱厚度大于54m區(qū)域采用大采高(采高6.77m)一次采全高；在42～54m區(qū)域采用大采高(采高5m)一次采全高；在30～42m區(qū)域只開(kāi)采頂分層(采高3.5m)；根據(jù)礦井實(shí)際情況小于30m的區(qū)域不予開(kāi)采。

如果13152鉆孔附近區(qū)域經(jīng)探測(cè)表明達(dá)到中等富水性，則按防水安全煤巖柱留設(shè)，防水安全煤巖柱厚度為導(dǎo)水裂縫帶高度與保護(hù)層厚度之和。13152鉆孔的基巖柱厚度=煤層埋深-松散層厚度=740.41-680.8=59.61(m)(參見(jiàn)表1)，取導(dǎo)水裂縫帶高度為13.5A，保護(hù)層厚度取6A，則防水安全煤巖柱厚度Hsh=13.5A+6A=19.5A≤59.61m，計(jì)算得出安全采高為3.05m。由13152鉆孔資料可知二1煤厚度為6.05m，則在13152鉆孔附近區(qū)域需限厚開(kāi)采，采高最大為3m。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)比分析類(lèi)似地質(zhì)條件礦井“兩帶”高度現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬結(jié)果，選取實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)垮采比3.85，裂采比13.5預(yù)計(jì)趙固二礦露頭區(qū)覆巖破壞“兩帶”高度，并與綜放開(kāi)采“兩帶”高度經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)計(jì)進(jìn)行比較，選取較大值。采用合理的方法選取保護(hù)層的厚度，最終確定了防砂和防水安全煤巖柱的高度。

(2)通過(guò)對(duì)安全煤巖柱的分析研究，得出基巖較薄的區(qū)域可實(shí)現(xiàn)只采上分層，解放出大量的淺部煤炭資源，提高采出率；基巖較厚的區(qū)域可變分層開(kāi)采為一次采全厚大采高開(kāi)采，使得開(kāi)采強(qiáng)度增加，采煤成本降低，有利于礦井實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效安全開(kāi)采。

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[責(zé)任編輯：張玉軍]

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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

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)項(xiàng)目(2013CB227903)

許延春(1963-)，男，河北樂(lè)亭人，博士研究生，研究員，博導(dǎo)，研究方向?yàn)樘厥鈼l件下安全采煤。

許延春，李江華，李衛(wèi)民，等.趙固二礦露頭區(qū)砂礫含水層下安全煤巖柱留設(shè)研究[J].煤礦開(kāi)采，2014，19(3)：47-50.

TD745.21

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1006-6225(2014)03-0047-04