厚松散層超薄基巖煤層開采防砂煤巖柱留設(shè)研究

王福清

(皖北煤電集團公司百善煤礦，安徽淮北235154)

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厚松散層超薄基巖煤層開采防砂煤巖柱留設(shè)研究

王福清

(皖北煤電集團公司百善煤礦，安徽淮北235154)

［摘要］為了解放皖北百善煤礦淺部壓煤，合理留設(shè)煤層安全保護煤巖柱，采用理論計算和相似材料模擬實驗，對厚松散層超薄基巖淺部煤層開采引起覆巖破裂特征及規(guī)律進行分析，結(jié)果表明，覆巖活動與裂隙發(fā)育主要受基本頂關(guān)鍵層控制，采動裂隙呈“馬鞍形”分布，垮落帶高度保持在9m左右，防砂煤巖柱高度應(yīng)不小于13.5m?，F(xiàn)場通過窺視孔實測得到基本頂位于8.0～13.0m層位，冒落帶高度大約為6.0～8.0m，防砂煤巖柱的高度應(yīng)不小于14m。根據(jù)研究和實測，最終將40～60m的安全煤巖柱改設(shè)為15m的防砂煤巖柱，可解放9.5Mt左右壓煤量，延長礦井的服務(wù)年限8～10a。

［關(guān)鍵詞］厚松散層;超薄基巖;風化基巖;防砂煤巖柱。

［引用格式］王福清.厚松散層超薄基巖煤層開采防砂煤巖柱留設(shè)研究［J］.煤礦開采，2015，20 (2) : 24－26.

Anti-sand Coal and Rock Pillar Design for Mining under Thick Loose Bed and Extremely-thin Basement

皖北百善煤礦煤層上覆有巨厚松散層沉積，在勘探和設(shè)計開采時，為安全生產(chǎn)，在淺部留設(shè)了40～60m安全煤巖柱，形成了14.0Mt呆滯煤炭，長期得不到及時開發(fā)利用，嚴重制約著礦井生產(chǎn)［1］。隨著礦井進入后期開采，解決淺部超薄基巖段煤層開采面臨的潰砂問題，合理留設(shè)防砂煤巖柱，成為礦井面臨的首要技術(shù)難題［2］。

本文根據(jù)百善礦基巖風化帶特性，在分析64采區(qū)地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，采用經(jīng)驗公式計算、相似模擬以及現(xiàn)場實測相結(jié)合的方法，分析了厚松散層超薄基巖淺部煤層開采引起上覆巖層破裂特征及規(guī)律，完成了防砂煤巖柱的合理留設(shè)，為相似條件下礦井防砂煤巖柱的留設(shè)提供參考和依據(jù)。

1　采礦地質(zhì)條件

百善煤礦64采區(qū)上覆基巖厚度為18.0～50.7m，新生界松散覆蓋層厚平均為140m，開采已逼近淺部基巖風化帶，6415工作面位于64采區(qū)淺部，該面為提高上限試采工作面，距離基巖風化帶最近處為25m。主采6號煤層傾角5～15°，平均厚度2.85m，賦存總體較穩(wěn)定［3］。

2　基巖風化帶破裂特性分析

所采區(qū)域煤層上覆松散層底部基巖強風化深度為7.56～18.3m，其中泥巖及粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖約占80%，細及中砂巖僅占10%～20%，且呈薄層狀夾雜在泥質(zhì)巖石之間。通過補勘以及“兩帶”發(fā)育高度觀測孔測試，6煤頂板中的中細砂巖和粉砂巖多為泥質(zhì)膠結(jié)，其黏土礦物中高嶺石和伊利石約占50%，在受風化尤其是強烈風化后，長石顆粒大部分高嶺土化，其黏土礦物被水浸泡后膨脹率均在50%以上［4］?；鶐r風化帶在采動過程中其抗壓強度將大大降低，塑性和抗變形破壞能力均會增強，能夠很好抑制開采引起的冒落裂縫帶向上發(fā)展，并減弱其儲導(dǎo)水能力［5－6］。

同時，根據(jù)百善礦近年來在相鄰61采區(qū)6122，6123，6124，6125工作面提高上限開采實踐及64采區(qū)已采工作面頂板基巖風化帶的實測資料，遭受強風化基巖段具有阻礙上部水垂直下滲和抑制下部采動裂隙向上發(fā)展的作用［7］，能有效保護淺部煤層開采免受松散層底部含水層的威脅。因此安全回采64采區(qū)淺部煤層，只需要留設(shè)一定高度的防砂煤巖柱。

3　經(jīng)驗公式計算防砂煤巖柱高度

根據(jù)64采區(qū)上覆巖層特征，結(jié)合風化帶巖石強度，依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》經(jīng)驗公式［8］，按軟弱覆巖設(shè)計防砂煤巖柱:

Hb= 2M(3)

式中，Hs為防砂煤巖柱高度，m; Hm為垮落帶高度，m; Hb為保護層高度，m; M為煤厚，2.85m。

計算得出垮落帶高度為4.24～7.24m，保護層厚度為5.7m，防砂煤巖柱高度為9.94～12.94m。

4　覆巖破裂相似模擬研究

4.1相似模擬實驗方案

根據(jù)相似模擬理論［9－10］，按照6415工作面實際待開采的范圍，頂?shù)装鍘r層的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，確定模型幾何相似比100∶1，密度相似比1.6∶1，模型長×寬×高為2.5m×0.2m×0.4m，各巖層物理力學參數(shù)如表1所示。

表1　模型各巖層物理力學參數(shù)

模型框架表面設(shè)置尺寸50mm×50mm的正方形方格網(wǎng)，從左至右設(shè)縱向觀測線50條，從上至下設(shè)橫向觀測線15條，其交叉點為觀測點?；鶐r上方的松散沙層按重力比直接加在模型上方，兩側(cè)用鋼板約束。開挖過程中，按照時間比沿走向每0.05m開挖一步，開切眼一端頭留0.4m煤柱，停采線一側(cè)留0.35m煤柱，回采長度1.75m。

4.2相似模擬結(jié)果分析

相似模擬結(jié)果如圖1所示。模型開挖至50m時，直接頂初次垮落，垮落高度2.5m;開挖至65m時，直接頂?shù)?次垮落，之后基本頂關(guān)鍵層與上覆巖層間出現(xiàn)順層裂隙;開采到70m時，基本頂下分層垮斷，發(fā)生初次來壓，垮落高度約為8m，垮落范圍長45m，同時，基本頂上方出現(xiàn)橫向裂隙;開采到80m時，基本頂?shù)?次周期來壓;開采到120m時，基本頂?shù)?次周期來壓，并形成較穩(wěn)定的鉸接結(jié)構(gòu)，基巖裂隙貫通至松散層底部，垮落帶高度達到9m;至170m時，開挖完畢，又發(fā)生了1次周期來壓，采空區(qū)中部裂隙已基本被壓實閉合，垮落帶高度保持在9m左右，沒有明顯增加。

圖1　不同推進距離時上覆巖層垮落狀況

相似模擬結(jié)果顯示薄基巖煤層在開采過程中，將導(dǎo)致上覆巖層不斷產(chǎn)生順層裂縫，并在初次來壓至第一次周期來壓期間，迅速發(fā)育至風化帶底部。覆巖活動與裂隙發(fā)育主要受基本頂關(guān)鍵層控制［11－13］，隨著工作面的推進，覆巖會發(fā)生整體下沉;工作面后方約1～2個周期來壓距離以后，覆巖裂隙被逐漸壓實閉合，垮落帶高度基本保持在9m左右，考慮一定的安全系數(shù)［14］，防砂煤巖柱高度應(yīng)不小于13.5m。

5　覆巖破裂實測分析

5.1窺視孔布置方案

采用窺視孔觀測法，對工作面及巷道上覆基巖層離層及受采動影響進行工程實測［15］。工作面推進至中部時，在工作面巷道內(nèi)、工作面中及軌道上山中各布置鉆孔觀測站: 1號窺視孔，位于上巷入口; 2號窺視孔，位于工作面上端頭以下10m; 3號窺視孔，位于工作面上端頭。3個測孔均垂直頂板巖層層面打孔，孔深15m。如圖2所示。

5.2實測結(jié)果及分析

3個測站窺視記錄結(jié)果如圖3所示，覆巖破裂窺視圖像如圖4所示。

由圖3可知，1號窺視孔實測顯示，巷道松動圈約為1.6～2.6m;塑性圈范圍約為3.0～5.2m;

6.0m以上風化、表現(xiàn)為黏土性質(zhì); 2號窺視孔實測顯示，工作面上端部，0.5～7.5m范圍內(nèi)粉砂巖整體保持一定的完整性，有一定程度的風化，在3.5m處有薄泥巖夾層，導(dǎo)致部分區(qū)域較破碎。無縱向裂隙產(chǎn)生，說明在端部基本頂處于2個周期來壓中間、尚未斷裂; 3號窺視孔實測顯示，工作面中部，0.5～6.5m范圍內(nèi)粉砂巖整體保持一定的完整性，有一定程度的風化，在3.0m，4.0m和5.0m處有薄泥巖夾層，導(dǎo)致部分區(qū)域較破碎。8.0 ～9.5m范圍內(nèi)有縱向裂隙，10.0m較硬，在煤壁上方斷裂，導(dǎo)致縱向裂隙產(chǎn)生。據(jù)此可知，在工作面上端頭存在弧三角板結(jié)構(gòu)，基本頂位于8.0～13.0m層位，冒落帶高度大約為6.0～8.0m，工作面上方13m左右的巖層完整未破壞，考慮一定的安全高度，防砂煤巖柱的高度應(yīng)不小于14m。

圖2　窺視孔布置方案

圖3　測站窺視實測結(jié)果記錄

圖4　覆巖破裂窺視圖像

6　結(jié)論

(1)對百善煤礦64采區(qū)松散層底部基巖風化帶的分析以及相鄰61采區(qū)6122，6123，6124，6125工作面的開采實踐表明，64采區(qū)頂板強風化基巖段具有阻礙上部水垂直下滲和抑制下部采動裂隙向上發(fā)展的作用，有效保護淺部煤層開采免受松散層底部含水層的威脅。

(2)經(jīng)驗公式計算得出防砂煤巖柱高度為9.94～12.94m;相似模擬顯示薄基巖煤層在開采過程中，垮落帶高度基本保持在9m左右，防砂煤巖柱高度應(yīng)不小于13.5m;根據(jù)鉆孔窺視結(jié)果，基本頂位于8.0～13.0m層位，冒落帶高度大約為6.0～8.0m，防砂煤巖柱的高度應(yīng)不小于14m。

(3)結(jié)合經(jīng)驗公式計算、相似模擬以及現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，最終將40～60m的安全煤巖柱改設(shè)為15m的防砂煤巖柱，可解放9.5Mt左右壓煤量，延長礦井的服務(wù)年限8～10a。

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［責任編輯:鄒正立］

［作者簡介］王福清(1965－)，男，湖南澧縣人，正高級工程師，長期從事煤礦技術(shù)管理工作。

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11－3677/td.2015.02.007

［收稿日期］2014－09－27

［中圖分類號］TD822.3

［文獻標識碼］B

［文章編號］1006-6225 (2015) 02-0024-03