淺部厚煤層開(kāi)采上限確定關(guān)鍵技術(shù)研究

陳軍濤，孫洪華，蔡 輝

（1．山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266510；2．蔡園生建煤礦，山東 濟(jì)寧277606；3．星村煤礦，山東 濟(jì)寧272100）

濟(jì)寧市蔡園生建煤礦3上煤層下距3下煤層0．60 （S1）～11．45m （B2），平均3．82m。直接頂板多為泥巖、碳質(zhì)泥巖及砂泥巖互層。底板多為泥巖、碳質(zhì)泥巖。煤層全層厚度3．00～5．80m（I42），平均4．47m，偶含一層碳質(zhì)泥巖夾石，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

3下煤層平均38．11m。頂板多為泥巖、碳質(zhì)泥巖。底板主要為泥巖。煤層全層厚度1．25（B1）～4．98m （I58），平均3．83m，偶含一層泥巖、碳質(zhì)泥巖夾石，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

1 四采區(qū)北部第四系高密度電阻率層析成像（CT）探測(cè)

1.1 高密度電阻率層析成象探測(cè)技術(shù)

高密度電阻率層析成像測(cè)量，對(duì)于測(cè)構(gòu)造、空區(qū)和含水層等是物探中較先進(jìn)有效的方法之一［1］。

第四系松散層中，高阻部分為含水砂礫層，低阻部分為隔水黏土層，下覆基巖由于膠結(jié)程度好，電阻率比第四系地層高。

第四系地層底界面深度在90～105m之間變化，全區(qū)相對(duì)穩(wěn)定，未見(jiàn)局部增厚現(xiàn)象。第四系底界面起伏變化較小，與鉆探控制深度及變化相一致。

第四系地層上部為高阻的含水層，中下部為低阻的隔水層。

第四系上部含水層厚度42．7～30．0m。

2 蔡園煤礦 “兩帶”高度現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

為了安全回收處于開(kāi)采上限區(qū)域的部分煤炭資源，最大限度的提高煤炭回收率，蔡園煤礦在3下煤已開(kāi)采區(qū)域開(kāi)展了井下觀測(cè)工作。

2.1 探測(cè)孔布置

鉆孔的相關(guān)數(shù)據(jù)為：鉆孔傾角：75°；鉆孔方位：鉆孔為236°；鉆孔布置：鉆孔以略偏離豎直方向與其呈75°傾角為宜；鉆孔深度：1＃鉆孔斜長(zhǎng)55m。兩帶觀測(cè)孔布孔如圖1所示。

圖1 “兩帶”觀測(cè)鉆孔布置圖

2.2 圖像的采集與儲(chǔ)存

隨著探頭的升降，在圖像接受器上可清楚直觀地獲得整個(gè)鉆孔圍巖采動(dòng)影響圖像信息。圖像采集時(shí)，應(yīng)分幾步進(jìn)行：第一步，先升降圖像探頭沿整個(gè)鉆孔往返1～2次，從宏觀上獲得整個(gè)鉆孔圍巖情況；第二步，分析整個(gè)鉆孔資料信息，對(duì)發(fā)生采動(dòng)影響的突出部位進(jìn)行定位采集圖像；第三步，將獲得大量圖像信息進(jìn)行歸納匯總存檔，注明每幅圖像采集時(shí)間、地點(diǎn)、層位等等，為后續(xù)分析對(duì)比保留可靠的基礎(chǔ)依據(jù)；第四步，也是最后一步，分析、對(duì)比采集圖像，然后確定 “兩帶”高度分布范圍。

2.3 探測(cè)成果分析

實(shí)測(cè)垮落帶高度。在獲取的錄象資料中，通過(guò)對(duì)比分析以及實(shí)測(cè)折算，確定3煤開(kāi)采后的垮落帶高度為7．1～10m，與理論計(jì)算確定的8．5～11．5m，基本一致，符合我國(guó)同類(lèi)巖性礦井的大量統(tǒng)計(jì)結(jié)果。圖2～圖5所示為換算成垂直高度后“兩帶”觀測(cè)成果圖。

圖2 距煤層4m處

圖3 距煤層9.4m處

圖4 距煤層17.9m處

圖5 距煤層21.5m處

從以上資料分析，煤層開(kāi)采后其垮落帶高度大體在29．2m左右。從現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)情況結(jié)合計(jì)算，可以確定3煤層開(kāi)采以后其裂隙帶的發(fā)展情況，在大于41m高度以上，裂隙發(fā)展基本停止?，F(xiàn)場(chǎng)鉆孔布置在3下煤底板中距3下煤約6m處，其中3上、3下煤層采厚8．9m，中間夾矸3．3m，換算為垂直高度，垮落帶、裂隙帶高度分別為：

3 計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬

本次模擬以－140東大巷上部已采區(qū)域?yàn)樵?，按其覆巖頂板巖體分布實(shí)際狀況建立模型，分層開(kāi)采，并對(duì)3煤各分層開(kāi)采完畢時(shí)的覆巖破壞情況做了分析。

3.1 數(shù)值模擬材料及其屈服準(zhǔn)則

巖石材料的本構(gòu)模型選取 Mohr－Coulomb準(zhǔn)則，即

式中：F、Q分別為屈服勢(shì)函數(shù)和應(yīng)變勢(shì)函數(shù)；c為黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角；δ為剪脹角。

3.2 計(jì)算區(qū)域及模型參數(shù)

根據(jù)采礦理論及模擬實(shí)際，模擬范圍取開(kāi)挖空間跨度的10～12倍。模擬條件：采場(chǎng)埋深為170m左右，模型尺寸為700m×1m×220m。

3.3 覆巖參數(shù)的選取

采用FLAC3D軟件對(duì)開(kāi)采過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，并分析煤層頂板的破壞情況。計(jì)算所用的有關(guān)巖石的物理力學(xué)，根據(jù)相似巖石同時(shí)參考相鄰礦井巖性對(duì)比得到巖性參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 煤層及頂、底板巖層的物理力學(xué)參數(shù)

3.4 物理模型的建立及幾何邊界條件

根據(jù)煤層開(kāi)采情況，選取在三維坐標(biāo)系統(tǒng)中，以煤層底板基點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，基巖底面為XOY平面，傾斜水平投影方向?yàn)閄正方向，礦體走向?yàn)閅方向，垂直向上為Z軸正方向。計(jì)算范圍：

幾何尺寸和開(kāi)挖范圍：走向X方向700m，Y方向取1m，Z方向取220m。

約束：首先模擬巷道圍巖在自重應(yīng)力下的靜力穩(wěn)定性，其邊界條件為：左側(cè)和右側(cè)邊界約束水平方向位移，底部邊界約束垂直方向位移。

網(wǎng)格劃分：在有限差分模型基礎(chǔ)上生成的網(wǎng)格劃分。模型共劃分為4830個(gè)單元，共9940個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中開(kāi)挖部分采用零空單元模擬。

通過(guò)采用計(jì)算機(jī)模擬，3煤分層開(kāi)采以后，在煤壁附近塑性區(qū)發(fā)展比較充分，其發(fā)展的最大高度也出現(xiàn)在這些位置；各分層開(kāi)采以后，在煤壁強(qiáng)方出現(xiàn)不同程度的應(yīng)力集中；各分層開(kāi)采以后，在煤層位移最大值出現(xiàn)在頂板中部；各分層開(kāi)采以后，在煤壁附近頂、底板巖層中出現(xiàn)不同程度的拉應(yīng)力。通過(guò)模擬分析，可以得出各分層開(kāi)采以后的裂隙帶高度分別為：

4 綜合分析

4.1 關(guān)于第四系厚度及含、隔水層

（1）采用高密度電阻率層析成像 （CT）探測(cè)技術(shù)確定的第四系底界面深度，在90～105m之間變化，全區(qū)相對(duì)穩(wěn)定。推算第四系底界面相對(duì)位置標(biāo)高為－56．5～－71．5m之間。

（2）探測(cè)第四系上部含水層厚度為－30．0～42．7m，含水層底界面相對(duì)位置標(biāo)高在＋3．5～－9．2m。

4.2 關(guān)于兩帶高度的理論計(jì)算

導(dǎo)水裂隙帶和垮落帶的發(fā)育高度，是決定水體下采煤安全與否的關(guān)鍵。因此，在工作面開(kāi)采之前，需對(duì)放頂煤條件下的最大斷裂帶高度和垮落帶高度進(jìn)行預(yù)計(jì)［2］。

4．2．1 垮落帶高度

3上、3下采用分層開(kāi)采時(shí)，第一分層垮落帶高度為3．3～6．3m；第二分層垮落帶高度為5．9～8．9m；第三分層垮落帶高度為7．4～10．4m；第四層垮落帶高度為8．5～11．5m。

4．2．2 裂隙帶高度

4.3 計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬導(dǎo)水裂隙帶高度

4.4 采用電視成像技術(shù)實(shí)測(cè)垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度

垮落帶高度為10．0m；導(dǎo)水裂隙帶高度為21．5m。兩帶高度計(jì)算及實(shí)測(cè)成果見(jiàn)統(tǒng)計(jì)表2。

4.5 防水煤巖柱高度的確定

礦井初步設(shè)計(jì)中提出，若科研工作和生產(chǎn)實(shí)際可取得較可靠的資料，可對(duì)設(shè)計(jì)所規(guī)定的防水煤柱高度作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整［3］。通過(guò)理論計(jì)算和數(shù)值分析可能看出，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算和模擬確定的平均法 （22．1～22．4m）基本一致。故此次論證以實(shí)測(cè)結(jié)果為準(zhǔn)，導(dǎo)水裂隙帶高度Hl為21．5m。

表2 裂隙帶高度綜合成果表／m

式中：Hb為保護(hù)層厚度，m；∑M 為累計(jì)采厚，m；n為開(kāi)采分層數(shù)。

防水煤巖柱高度Hsh為［4］：故在該區(qū)域開(kāi)采防水煤巖柱高度為25．7m。

4.6 開(kāi)采上限的確定

確定礫巖強(qiáng)含水層水下煤層開(kāi)采上限，關(guān)鍵是安全而又合理地預(yù)計(jì)防水煤柱尺寸［5］。

本次論證確定合理開(kāi)采上限區(qū)域?yàn)?340，對(duì)拉工作面4個(gè)分層和4360區(qū)段的最下分層 （4364工作面），兩個(gè)區(qū)段共有煤炭?jī)?chǔ)量為24．96萬(wàn)t。

按確定的防水煤界柱高度25．7m計(jì)算，防砂煤巖柱留設(shè)是可行的，不會(huì)出現(xiàn)大規(guī)模的涌水、涌砂現(xiàn)象［6］。4360區(qū)段所處鉆孔為B13，該鉆孔實(shí)際揭露3上煤頂板距第四系底界面為27．6m，距含水層底界面為101．4m，煤巖柱尺寸大于防水煤巖柱25．7m，故該區(qū)段開(kāi)采是安全可靠的。

5 結(jié)論

本次通過(guò)在采空區(qū)內(nèi)向煤層頂板打觀測(cè)鉆孔，利用電視成象儀對(duì)煤層上覆巖層破壞分帶情況進(jìn)行觀測(cè)，基本上搞清了3煤頂板破壞情況，對(duì)其“兩帶”有了直觀清楚的認(rèn)識(shí)。結(jié)合理論計(jì)算和計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果以及地面電法勘探，得到了以下

保護(hù)層厚度Hb為 （按四分層全采時(shí)）結(jié)論：

（1）通過(guò)電法勘測(cè)第四系地層底界面深度在90～105m之間變化，全區(qū)相對(duì)穩(wěn)定，其中上部為高阻的含水層，下部為低阻的隔水層。

（2）利用電視成像儀對(duì)煤層上覆巖層破壞分帶情況進(jìn)行觀測(cè)的方法是可行的，對(duì)3層煤的垮落帶有了清楚的認(rèn)識(shí)，基本上搞清了3煤層頂板破壞情況。

（3）在鉆孔中距煤層頂板小于10m這段范圍內(nèi)，覆巖破壞很不規(guī)則，其斷裂塊度大小不均，排列雜亂。當(dāng)鉆孔中距煤層頂板距離大于10m時(shí)，覆巖破壞規(guī)則，并未出現(xiàn)雜亂的堆積，已進(jìn)入裂隙帶。采用電視成像法測(cè)得的3煤層全采后 （4個(gè)分層），垮落帶高度為10m左右，與理論計(jì)算確定的8．5～11．5m基本一致。井下實(shí)測(cè)3層煤4個(gè)分層全采后，導(dǎo)水裂隙帶的高度為21．5m，與理論計(jì)算和數(shù)值分析結(jié)果基本一致。

（4）按實(shí)測(cè)確定的導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算確定的防水煤巖柱尺寸為25．7m，4360和4340區(qū)段只是在B11鉆孔附近小于25．7m，但考慮到第四系底部為弱含水層，且3上煤頂板距第第四系含水層距離達(dá)78．65m，其余區(qū)域均大于防水煤巖柱尺寸，故區(qū)段實(shí)現(xiàn)4個(gè)分層全采是安全可靠的，可回收煤炭24．96萬(wàn)t，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著。

［1］ 馮治斌，秦愛(ài)新．高密度電阻率層析成像測(cè)量在開(kāi)采損害鑒定中的應(yīng)用 ［J］．煤炭工程，2003（7）：18－19．

［2］ 韓云．龍東礦7125綜放工作面開(kāi)采上限研究與確定 ［J］．能源技術(shù)與管理，2008（4）：63－64．

［3］ 張利書(shū)，王厚柱，李德忠．新集二礦夾片灰?guī)r下提高上限安全開(kāi)采技術(shù)研究與實(shí)踐 ［J］．能源技術(shù)與管理，2008（4）：60－62．

［4］ 邵明喜，馬慶福．楊村煤礦305工作面提高開(kāi)采上限研究［J］．煤炭現(xiàn)代化，2006 （增）：29－30．

［5］ 程金泉．鶴壁八礦三采區(qū)礫巖水下二1煤層開(kāi)采上限研究［J］．中州煤炭，2002 （1）：1－2．

［6］ 朱澤虎，危天寶，柴兆華，等．泉上煤礦全面提高3下煤層開(kāi)采上限可行性分析 ［J］．煤炭開(kāi)采，1997 （3）：39－40．