薄基巖厚沖積層大采高工作面防砂防水煤巖柱留設(shè)實踐

韓久方

（河南能源化工集團，河南 新鄉(xiāng) 453600）

0 引 言

隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，中東部礦區(qū)煤炭資源趨近枯竭，許多礦井進入了轉(zhuǎn)型發(fā)展階段，挽救國家煤炭資源，開發(fā)中東部地區(qū)山東、安徽、河北、河南等省薄基巖特厚松散層覆蓋下的煤炭資源，可以有效緩解中東部地區(qū)煤炭供應(yīng)緊張的局面，對國民經(jīng)濟平穩(wěn)運行具有積極作用。但是在薄基巖特厚松散層覆蓋下的生產(chǎn)礦井開始面臨突水潰砂風(fēng)險，事故時有發(fā)生。為此許多專家學(xué)者在開采環(huán)境不利條件下，為盡可能減少煤炭資源損失開展了研究。楊達明[1]實測及模擬了厚松散層軟弱覆巖下綜放開采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度；楊洋[2]對淮南巨厚松散層含水層下提高回采上限進行了探討；張安斌[3]對巨厚松散層下導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測試驗探究。以上研究均未在薄基巖厚松散層條件下對于防砂防水煤柱進行合理留設(shè)，為此需深入開展大埋深、高應(yīng)力、薄基巖突水威脅條件下“兩帶”研究，參考張永剛[4-5]煤柱留設(shè)類型轉(zhuǎn)變研究、李江華[6]水壓作用下防砂安全煤（巖）柱失穩(wěn)突水潰砂機理研究，對于降低煤巖柱高度，最大限度回收煤炭資源，預(yù)防頂?shù)装逋凰鹿拾l(fā)生，實現(xiàn)安全高效生產(chǎn)有著一定意義。

趙固二礦井田屬于焦作煤田，井田煤層頂板基巖薄，上部被第四系、新近系巨厚松散層覆蓋，松散層厚度一般為360～ 808 m，基巖厚度薄，埋深大，井田淺部大部分區(qū)域基巖厚度小于50 m，采厚為3.5～ 6.5 m。井田地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、斷層較多，頂?shù)装搴畬油ㄟ^斷層和隱伏露頭具有較好的連通性。趙固二礦井田煤層上覆松散層厚度大、富水性強、承壓水壓力大，同時其基巖薄、底板隔水層薄，為保證趙固二礦的安全回采工作，需深入研究其“兩帶”發(fā)育情況，以及在保證安全回采的前提下提高開采上限，合理論證煤（巖）柱的留設(shè)工作。

1 工程背景

趙固二礦11030 工作面位于井田I 盤區(qū)中上部，該工作面平均走向長度約2 000 m，平均傾斜長度為161 m，主采二1 煤，厚度5.92～ 6.43 m，平均6.15 m，煤層傾角約為2°，煤層埋深約743 m，其中基巖厚度13～65 m 不等，其余為特厚松散層，屬于中東部地區(qū)典型的特厚松散層薄基巖煤層。二1 煤煤質(zhì)變化較小，層位穩(wěn)定，中下部含夾矸0～3 層，夾矸厚度0.01～0.03 m，夾矸多為黑色炭質(zhì)泥巖。煤層結(jié)構(gòu)較簡單，煤質(zhì)變化小，屬穩(wěn)定型厚煤層。工作面頂?shù)装鍘r性見表1。

表1 111030 工作面頂?shù)装鍘r性Table 1 Lithology of roof and floor in No.111030 Face

2 11030 工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度數(shù)值模擬與計算

2.1 模型的建立

此次模擬以趙固二礦11030 工作面為工程背景，基巖段各巖體物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 基巖段各巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of each rock mass in bedrock section

模擬以勘08 孔揭露地層結(jié)構(gòu)建立模型，通過鉆孔資料中各巖層的厚度以及各巖體物理力學(xué)參數(shù)，構(gòu)造出數(shù)值模擬模型，煤層厚度為6.20 m，底板厚度為80 m，模擬過程中為便于分析取傾向0，傾角90°。數(shù)值模擬模型參數(shù)見表3。

表3 模型參數(shù)Table 3 Model parameters

計算模型的邊界條件確定如下：

（1）模型前后和左右邊界施加水平約束，即邊界水平位移為零。

（2）模型底部邊界固定，即底部邊界水平、垂直位移均為零。

（3）模型頂部為自由邊界，模型如圖1 所示。

圖1 模型示意Fig.1 Schematic diagram of the model

（4）巖體判別準則。模擬中巖體采用理想彈塑性本構(gòu)模型，即莫爾－庫侖屈服準則描述。

式中：σ1為最大主應(yīng)力；σ3為最小主應(yīng)力；C 為粘聚力；φ為摩擦角。

當滿足式（1）時巖體破壞，此外當拉應(yīng)力超過巖體單軸抗拉強度時，材料發(fā)生拉破壞。

2.2 方案確定

該模型共劃分為14 個地層，共有143 841 個單元，145 376 個節(jié)點，模擬煤層開采區(qū)域?qū)挒?60 m、長為300 m，開采煤層為二1 煤層，模擬方案分為兩種：限厚開采3.10 m；一次采全高6.20 m。

模擬方案充分考慮了二1 煤層，限厚開采與一次采全高的不同情況，找到其影響的結(jié)果，為大埋深、高應(yīng)力、薄基巖具有突水危險煤層的安全回采工作提供一定的科學(xué)依據(jù)。

為保證模擬實驗的準確性，模型與工作面垂直走向邊界留有220 m 寬的煤柱，與工作面平行傾向邊界留有200 m 寬的煤柱，以減少模型運算過程中產(chǎn)生的邊界效應(yīng)。模擬計算分步進行，每次計算推進長度為5 m，共計推進60 次。

根據(jù)FLAC3D 運算的結(jié)果，結(jié)合李全生[7]基于Hoek_Brown 準則的薄基巖厚松散層覆巖變形破壞特征研究對其位移場、應(yīng)力場、塑性區(qū)進行分析對比得出結(jié)果。

2.3 覆巖破壞特征模擬結(jié)果及分析

（1）上覆巖層位移場分布特征。

煤層的采出對頂板產(chǎn)生巨大擾動，在重力作用以及各煤層間的相互疊加影響下下沉以至垮落，通過模擬豎向位移的變化可以了解上覆巖層在煤層采出后豎直方向的運動狀況及離層情況等。圖2、圖3 分別為一次采全高回采二1 煤層與限厚開采二1煤從煤層底板直至地表的覆巖垂直位移變化情況。

圖2 二1 煤層一次采全高模型豎向位移等值線圖Fig.2 The contour map of vertical displacement with full-height mining of second1 coal seam

圖3 二1 煤層限厚開采模型豎向位移等值線圖Fig.3 The contour map of vertical displacement with thickness-limiting mining of second1 coal seam

從以上豎向位移等值線圖中可以看出，一次采全高回采后其頂板下沉量比限厚開采的頂板下沉量大，前者頂板下沉量已超過后者2 倍，說明煤層采出越多其頂板下沉越大，對于覆巖破壞移動影響也就越大。

（2）煤層采出后鉛垂應(yīng)力場分布特征。

煤層開采引起的覆巖破壞、移動過程也是地下應(yīng)力場重新分布的過程[8]。煤層采出后，工作面的兩幫、頂?shù)装鍖⑿纬勺杂煽臻g，原來的應(yīng)力平衡狀態(tài)受到擾動重新分布。隨著工作面不斷推進，圍巖一直處在失穩(wěn)-平衡不斷交替變化的過程。圖4、圖5 分別為一次采全高回采二1 煤層與限厚開采二1 煤其采空區(qū)周圍應(yīng)力場情況。

圖4 二1 煤層一次采全高模型鉛垂應(yīng)力等值線圖Fig.4 The vertical stress contour map with full-height mining of second1 coal seam

圖5 二1 煤層限厚開采模型鉛垂應(yīng)力等值線圖Fig.5 The vertical stress contour map with thicknesslimiting mining of second1 coal seam

從工作面開采后，頂板在水平方向與垂直方向上都經(jīng)歷了動態(tài)變化的過程。水平方向上，隨著工作面的推進，工作面后方采空區(qū)的頂板經(jīng)歷了垮落、壓實，到逐漸穩(wěn)定；垂直方向上，頂板依次分布著垮落帶、裂縫帶，開采結(jié)束后，“兩帶”發(fā)育高度趨于穩(wěn)定。在采空區(qū)的兩端部形成了剪切滑移區(qū)，即形成頂板斷裂線，由于上覆巖層的重力作用，在端部的實體煤中形成了應(yīng)力升高區(qū)，成為影響區(qū)段煤柱穩(wěn)定性的主要因素。

（3）煤層開采引起的上覆巖層塑性區(qū)的破壞情況。

數(shù)值模擬計算將根據(jù)拉伸破壞區(qū)和剪切破壞區(qū)發(fā)育高度的上限值來分別確定垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶的高度。圖6、圖7 為分別模擬一次采全高開采二1 煤與限厚開采二1 煤覆巖塑性區(qū)破壞模擬結(jié)果。

圖6 二1 煤層一次采全高模型塑性區(qū)破壞模擬結(jié)果Fig.6 Plastic zone failure modeling results with fullheight mining of second1 coal seam

圖7 二1 煤層限厚開采模型塑性區(qū)破壞模擬結(jié)果Fig.7 Plastic zone failure modeling results with thicknesslimiting mining of second1 coal seam

可以看出一次采全高回采二1 煤產(chǎn)生的垮落帶高度為23 m，裂隙帶高度為56 m，其底板破壞深度達到了31 m；限厚開采二1 煤產(chǎn)生的垮落帶高度為15 m，裂隙帶高度為38 m，底板破壞深度8.2 m。一次采全高后其塑性區(qū)的破壞范圍比較大，不僅其兩帶發(fā)育高度比限厚開采的兩帶高度要高，而且其底板破壞深度也比較深。對于底板奧灰水的突水防治不利，但亦可以通過降低采高，采用限厚開采來對底板奧灰水進行防治。

按照模擬的覆巖豎向位移等值線圖和塑性區(qū)中敘述的關(guān)于垮落帶和裂隙帶破壞特征和判斷依據(jù)，綜合分析得到11030 工作面一次采全高回采時的導(dǎo)水裂隙帶高度和垮落帶高度及限厚開采時垮落帶和裂隙帶高度，見表4。

表4 數(shù)值模擬在不同回采條件下覆巖破壞高度Table 4 Overburden failure height under different mining conditions of numerical simulation

分析實驗結(jié)果可以看出，數(shù)值模擬得出的“兩帶”高度結(jié)果與實際生產(chǎn)過程中監(jiān)測分析比較接近，但由于模擬軟件的局限性，其模擬狀態(tài)與實際生產(chǎn)過程中的破壞發(fā)展形態(tài)會有些許差別，但模擬實驗的結(jié)果對于驗證垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育形態(tài)、研究覆巖破壞規(guī)律具有重要的參考價值。

2.4 覆巖“兩帶”高度經(jīng)驗公式

《三下采煤規(guī)范》（2017）版中并未明確給出大于3 m 一次采全高的“兩帶”經(jīng)驗公式，依據(jù)其厚煤層分層開采所計算的垮落帶與裂隙帶與實際一次采全高生產(chǎn)過程所形成的“兩帶”有所出入，在此開采條件下《三下采煤規(guī)范》的經(jīng)驗公式顯然不再適用。參考文獻根據(jù)大量的現(xiàn)場生產(chǎn)實測數(shù)據(jù)所總結(jié)的大采高一次采全高“兩帶”公式更為準確，分別計算二1 煤一次采全高與限厚開采工作面垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶最大高度。

一次采全高回采二1 煤垮落帶：

導(dǎo)水裂縫帶：

限厚開采二1煤垮落帶：

導(dǎo)水裂縫帶：

經(jīng)過計算，根據(jù)“兩帶”高度經(jīng)驗公式計算結(jié)果與根據(jù)鄰近趙固一礦實測獲得的導(dǎo)水裂縫帶高度接近，經(jīng)驗公式垮落帶高度較高。為保證安全開采，取導(dǎo)水裂縫帶高度92.80 m、垮落帶33.73 m作為趙固二礦11030 工作面一次采全高的“兩帶”發(fā)育高度值。

3 11030 工作面安全煤巖柱留設(shè)

3.1 煤柱的合理留設(shè)

依據(jù)“兩帶”高度的模擬、計算結(jié)果，結(jié)合11030 工作面頂板基巖實際探測厚度變化情況，煤柱的留設(shè)工作如下。

（1）根據(jù)工作面施工的11030 工作面頂板孔資料顯示，上20-2 頂、上21-1 頂、上21-2 頂、下21-1 頂和下21-3 頂5 個孔基巖厚度在38.3～42 m 區(qū)域，因此11030 工作面在回采到上順槽通尺2 054 m 和下順槽2 065 m 之前，開采頂層4 m。

（2）根據(jù)工作面施工的11030 工作面頂板孔資料顯示，上順槽18～20 號鉆場和下順槽19～20號鉆場10 個孔基巖厚度在42～52 m 區(qū)域，因此11030 工作面在回采到上順槽通尺1 873.5 m 和下順槽1 843.5 m 之前，采用大采高5 m 開采。

（3）根據(jù)工作面施工的11030 工作面頂板孔資料顯示，上順槽16～17 號鉆場和下順槽16～18號鉆場10 個孔基巖厚度大于52 m，因此11030 工作面在回采到上順槽通尺1 873.5 m 和下順槽1 843.5 m 之后，采用大采高6.3 m 一次采全高。

3.2 工作面煤巖柱安全性評價

井下探測孔探測表明工作面區(qū)域新近系底部為厚度大于5 m 粘土層，且工作面區(qū)域上方新近系底部礫石含水層極少分布，頂板疏放鉆孔涌水量小于15 m3/h，底礫富水性弱，留設(shè)防砂安全煤巖柱。

煤層上部覆巖以泥類巖為主，并且受風(fēng)化影響。根據(jù)開采保護層最小安全厚度法，保護層厚度選2.8M=17.25 m，M 為采出總厚度。

根據(jù)防砂安全煤巖柱垂高（Hs）應(yīng)大于或等于垮落帶最大高度Hm加上保護層厚度Hb計算：

11030 工作面基巖最小厚度38.3 m 左右，按防砂安全煤巖柱，工作面部分區(qū)段不符合大采高一次采全高條件，部分回采段需按照分層開采進行。

11030 一次采全高工作面從2014 年3 月開始回采至回采結(jié)束，通過該方法留設(shè)防砂煤巖柱后，回采期間工作面總涌水量5～15 m3/h 左右，未發(fā)生過突水、漏砂事故，解放安全煤量300 余萬噸。

因此，薄基巖厚沖積層大采高條件下防水防砂煤巖柱留設(shè)方法為受同類條件制約礦井提供借鑒。

4 結(jié) 論

（1）對比分析數(shù)值模擬結(jié)果，選取模擬數(shù)據(jù)垮采比3.70，裂采比9.10，預(yù)計趙固二礦薄基巖區(qū)覆巖破壞“兩帶”高度，并與大采高一次采全高“兩帶”高度經(jīng)驗公式計算進行比較，選取較大值作為“兩帶”高度值。

（2）根據(jù)模擬與計算的“兩帶”高度結(jié)合現(xiàn)場實測情況，最終確定“兩帶”的發(fā)育值，采用合理的方法選取保護層的厚度，最終確定了防砂隔水安全煤柱的高度。

（3）通過對安全煤（巖）柱的分析研究，得出基巖較薄的區(qū)域可實現(xiàn)只采上分層，解放出大量的淺部煤炭資源；基巖較厚的區(qū)域可變分層開采為大采高一次采全高，使得開采強度增加，降低回采成本，提高了采出率，保障礦井實現(xiàn)高產(chǎn)高效安全回采。