王福清

(皖北煤電集團(tuán)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(tuán)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(hù)煤巖柱，采用理論計(jì)算和相似材料模擬實(shí)驗(yàn)，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(jìn)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(shí)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(shí)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(fēng)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(jì)開采時(shí)，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(shí)開發(fā)利用，嚴(yán)重制約著礦井生產(chǎn)［1］。隨著礦井進(jìn)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(fēng)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(yàn)公式計(jì)算、相似模擬以及現(xiàn)場實(shí)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(qiáng)風(fēng)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(xì)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(bǔ)勘以及“兩帶”發(fā)育高度觀測孔測試，6煤頂板中的中細(xì)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(fēng)化尤其是強(qiáng)烈風(fēng)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］。基巖風(fēng)化帶在采動過程中其抗壓強(qiáng)度將大大降低，塑性和抗變形破壞能力均會增強(qiáng)，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(shí)，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(shí)踐及64采區(qū)已采工作面頂板基巖風(fēng)化帶的實(shí)測資料，遭受強(qiáng)風(fēng)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(hù)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(yàn)公式計(jì)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(fēng)化帶巖石強(qiáng)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(yàn)公式［8］，按軟弱覆巖設(shè)計(jì)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(hù)層高度，m; M為煤厚，2.85m。

計(jì)算得出垮落帶高度為4.24～7.24m，保護(hù)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(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)相似模擬理論［9－10］，按照6415工作面實(shí)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(xué)參數(shù)如表1所示。

表1　模型各巖層物理力學(xué)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(diǎn)為觀測點(diǎn)?；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(shí)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(shí)，直接頂初次垮落，垮落高度2.5m;開挖至65m時(shí)，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(shí)，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(shí)，基本頂上方出現(xiàn)橫向裂隙;開采到80m時(shí)，基本頂?shù)?次周期來壓;開采到120m時(shí)，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(dá)到9m;至170m時(shí)，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(shí)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(jìn)距離時(shí)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(fēng)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(jìn)，覆巖會發(fā)生整體下沉;工作面后方約1～2個(gè)周期來壓距離以后，覆巖裂隙被逐漸壓實(shí)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(shí)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(jìn)行工程實(shí)測［15］。工作面推進(jìn)至中部時(shí)，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(gè)測孔均垂直頂板巖層層面打孔，孔深15m。如圖2所示。

5.2實(shí)測結(jié)果及分析

3個(gè)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(shí)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(fēng)化、表現(xiàn)為黏土性質(zhì); 2號窺視孔實(shí)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(fēng)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(gè)周期來壓中間、尚未斷裂; 3號窺視孔實(shí)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(fēng)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(shí)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(fēng)化帶的分析以及相鄰61采區(qū)6122，6123，6124，6125工作面的開采實(shí)踐表明，64采區(qū)頂板強(qiáng)風(fēng)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(hù)淺部煤層開采免受松散層底部含水層的威脅。

(2)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)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(yàn)公式計(jì)算、相似模擬以及現(xiàn)場實(shí)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(zé)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(xiàn)標(biāo)識碼］B

［文章編號］1006-6225 (2015) 02-0024-03