尉志光

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 新旺煤業(yè)有限公司，山西 大同 037002)

1 工程概況

新旺煤業(yè)井田東西寬2.08 km，南北長(zhǎng)1.5 km，井田面積為2.758 1 km2；礦井地質(zhì)保有儲(chǔ)量1 586.9萬(wàn)t，批準(zhǔn)開(kāi)采煤層為2～11號(hào)煤層，其中7號(hào)、2號(hào)、11號(hào)煤層已回采完畢。目前開(kāi)采3號(hào)煤層，煤層賦存較穩(wěn)定，厚度為1.6～1.8 m，平均為1.7 m，煤層頂板為細(xì)砂巖、粉砂巖，底板為粉砂巖、砂質(zhì)泥巖。3100工作面巷道及切眼均沿3號(hào)煤層頂板布置，工作面北部為3102工作面煤柱，西部為輔運(yùn)大巷，東部為礦界，南部為實(shí)體煤。工作面與上覆2號(hào)煤層采空區(qū)的平均層間距為5.5 m；工作面下部的7號(hào)煤層、11號(hào)煤層也已采空，其中7號(hào)煤層厚度為1.97 m，11號(hào)煤層厚度為2.53 m。3號(hào)煤層與7號(hào)煤層平均間距40.2 m，與11號(hào)層平均間距80.5 m，這使得3號(hào)煤層形成蹬空開(kāi)采現(xiàn)狀，需對(duì)其蹬空開(kāi)采的可行性進(jìn)行研究。

2 蹬空開(kāi)采理論分析

2.1 比值判別法

比值判別法是基于上下煤層間距與煤層采高之間的比值大小對(duì)蹬空開(kāi)采的可行性進(jìn)行分析，其判別依據(jù)如下：

K=H/M

(1)

試中：H為各煤層上下間距，m；M為下位煤層的采高，m。

將7號(hào)煤層及11號(hào)煤層的相關(guān)參數(shù)代入公式(1)得出，其綜合比值K=30。根據(jù)以往蹬空開(kāi)采實(shí)踐結(jié)果：當(dāng)K>6.3，可以正常進(jìn)行蹬空開(kāi)采。因此3號(hào)煤層具有蹬空開(kāi)采的可行性。

2.2 “三帶”判別法

該判別法主要是通過(guò)分析煤層間距與垮落帶高度或裂隙帶高度之間的大小關(guān)系來(lái)進(jìn)行蹬空開(kāi)采判別的。當(dāng)上下煤層間距小于或等于下煤層開(kāi)采后的垮落帶高度時(shí)，上煤層的底板及煤體會(huì)遭受嚴(yán)重的破壞，無(wú)法進(jìn)行蹬空開(kāi)采；當(dāng)煤層間距高于垮落帶高度，但小于或等于下煤層裂隙帶高度時(shí)，上煤層的破壞程度不劇烈，采取相應(yīng)安全措施后，可進(jìn)行蹬空開(kāi)采；當(dāng)煤層間距較大，上煤層位于下煤層開(kāi)采裂隙帶之外時(shí)，上煤層及圍巖僅發(fā)生較小的整體性移動(dòng)，不會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，可正常蹬空開(kāi)采。其判別依據(jù)如下：

Hk=100M/(4.7M+19)±2.2

(2)

Hd=100M/(1.6M+3.6)±5.6

(3)

將相關(guān)參數(shù)代入公式(2)、(3)得出，7號(hào)煤層垮落帶高度為9.6～10.8 m，裂隙帶高度36.2～39.3 m，11號(hào)煤層的采空區(qū)不影響7號(hào)煤層垮落帶高度。由于3號(hào)煤層與7號(hào)煤層平均間距為40.2 m，其處于7號(hào)煤層的高位裂隙帶，對(duì)3號(hào)煤層的開(kāi)采影響不大，因此3號(hào)煤層可進(jìn)行蹬空開(kāi)采，但施工中要對(duì)壓力集中帶及時(shí)采取補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施。

2.3 圍巖平衡法

根據(jù)圍巖平衡理論，上位煤層是否能夠正常蹬空開(kāi)采的關(guān)鍵在于，下位煤層開(kāi)采后的覆巖錯(cuò)動(dòng)能否得到控制，這就要求煤層之間存在有厚度較大且強(qiáng)度較高的關(guān)鍵巖層，煤層位于該關(guān)鍵層之上的平衡層時(shí)，將不受下方采空區(qū)的擾動(dòng)破壞。3號(hào)煤層地板為粉砂巖，厚度接近30 m，且由室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)得出該層位粉砂巖的抗壓強(qiáng)度達(dá)到了89.5 MPa，強(qiáng)度高且層厚大，可以有效控制因下位煤層開(kāi)采引起的采場(chǎng)圍巖大范圍錯(cuò)動(dòng)，保證3號(hào)煤層圍巖的平衡性，因此由圍巖平衡法可判定3號(hào)煤層可進(jìn)行蹬空開(kāi)采。

3 現(xiàn)場(chǎng)覆巖實(shí)測(cè)分析

根據(jù)理論分析判定3號(hào)煤層可進(jìn)行蹬空開(kāi)采，為確保蹬空開(kāi)采的安全性，還需通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析來(lái)驗(yàn)證理論分析的準(zhǔn)確性。根據(jù)前述分析11號(hào)煤層與3號(hào)煤層的間距為80.5 m，遠(yuǎn)超于11號(hào)煤層的裂隙帶高度為47.3 m，其對(duì)3號(hào)煤層僅產(chǎn)生整體位移的影響。而7號(hào)煤層與3號(hào)煤層的間距相對(duì)較近，會(huì)對(duì)3號(hào)煤層產(chǎn)生一定的影響，因此，需對(duì)7號(hào)煤層開(kāi)采后的覆巖運(yùn)移破壞特征進(jìn)行實(shí)測(cè)分析，為3號(hào)煤層的蹬空開(kāi)采提供可靠依據(jù)。

3.1 鉆孔分段注水分析

鉆孔分段注水法可以有效地分析出煤層開(kāi)采后的三帶高度及覆巖破壞情況，主要是依據(jù)上覆各分層巖層的巖性不同，在煤層采出后，覆巖發(fā)生運(yùn)移破壞，各巖層產(chǎn)生的裂隙數(shù)量及發(fā)育程度均與各巖性有關(guān)，因此注水速度在各分層的速度大小也不相同。其測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 鉆孔分段注水結(jié)構(gòu)

依據(jù)注水速度來(lái)判斷覆巖破壞情況。一般來(lái)說(shuō)，垮落帶的裂隙較發(fā)育，利于水流動(dòng)，因此注水速度高；彎曲下沉帶及裂隙帶的裂隙較少，圍巖較完整，導(dǎo)水性差，因此注水速度較慢。

在3號(hào)煤層中，選擇井田范圍內(nèi)與7號(hào)煤層重疊的區(qū)域進(jìn)行測(cè)試。在1號(hào)鉆孔內(nèi)，7號(hào)煤層頂板上方2～24 m范圍內(nèi)的注水速度變化幅度較大，其最大注水速度達(dá)到了0.078 m3/min，說(shuō)明該區(qū)域位于堅(jiān)硬巖層下方，強(qiáng)度不足，承載能力弱，在采動(dòng)影響下發(fā)生較大的彎曲變形，導(dǎo)致離層、裂隙的發(fā)生，為采場(chǎng)的裂隙帶；7號(hào)煤層上方24 m范圍外的區(qū)域，注水速度基本保持在0.02 m3/min以下，說(shuō)明該區(qū)域巖層的裂隙發(fā)育程度較小，整體較為完整，為彎曲下沉帶；而7號(hào)煤層頂板上方0～6 m內(nèi)巖層的注水速度一直保持在0.13 m3/min 以上，為裂隙帶的十幾倍，表明該范圍內(nèi)的巖層裂隙發(fā)育程度高，圍巖整體呈破碎的狀態(tài)，為采場(chǎng)的垮落帶。

為確保實(shí)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，連續(xù)進(jìn)行了多個(gè)鉆孔注水實(shí)測(cè)分析，通過(guò)分析結(jié)果可知，7號(hào)煤層的垮落帶高度為2～6 m，其注水速度較大；7號(hào)煤層的裂隙帶高度為20～27 m，小于理論計(jì)算值。由此可以判斷出，3號(hào)煤層位于7號(hào)煤層回采后的彎曲下沉帶上下，整體結(jié)構(gòu)的完整性未受破壞，可正常進(jìn)行蹬空開(kāi)采。

3.2 3號(hào)煤層圍巖結(jié)構(gòu)分析

通過(guò)鉆孔窺視分析7號(hào)煤層回采后3號(hào)煤層的煤體及圍巖結(jié)構(gòu)是否遭到破壞，觀測(cè)結(jié)果如圖2所示。

圖2 鉆孔圍巖窺視

由圖2可知，3號(hào)煤層及其圍巖在下位煤層開(kāi)采后的整體完整性較好，煤層和頂板巖層裂隙發(fā)育程度較低，僅出現(xiàn)少量未貫通的橫向裂隙，且并未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性的剪切縱向裂隙。說(shuō)明3號(hào)煤層并未受到下位煤層開(kāi)采后的強(qiáng)烈擾動(dòng)影響，僅在煤巖體內(nèi)發(fā)生些許損傷。

4 數(shù)值模擬分析

為進(jìn)一步分析3號(hào)煤層蹬空開(kāi)采的可行性，通過(guò)FLAC3D模擬研究下位煤層開(kāi)采后采場(chǎng)覆巖的破壞情況，模擬中先開(kāi)采7號(hào)煤層，待7號(hào)煤層回采結(jié)束后再進(jìn)行11號(hào)煤層的開(kāi)采。模擬結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，7號(hào)煤層開(kāi)采后，其直接頂?shù)乃苄云茐姆秶^大，多為拉伸破壞，直接頂以上的巖層也出現(xiàn)不同程度的拉伸破壞及剪切破壞，另外，3號(hào)煤層底板受采動(dòng)影響發(fā)生較小的拉伸破壞，但不影響3號(hào)煤層的正?；夭?。11號(hào)煤層開(kāi)采后，其頂板的破壞程度較嚴(yán)重，但7號(hào)煤層之上的覆巖破壞情況與11號(hào)煤層開(kāi)采之前的變化不大，且3號(hào)煤層及其頂?shù)装逦闯霈F(xiàn)明顯的塑性破壞，表明11號(hào)煤層開(kāi)采對(duì)7號(hào)煤層垮落帶高度及3號(hào)煤層的完整性基本無(wú)影響。

圖3 下位煤層開(kāi)采后塑性區(qū)分布情況

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 通過(guò)比值判別法、“三帶”判別法及圍巖平衡法等理論方法分析了3號(hào)煤層蹬空開(kāi)采的可行性，得出3號(hào)煤層位于7號(hào)煤層的彎曲下沉帶附近，可正常蹬空開(kāi)采。

2) 通過(guò)鉆孔分段注水法及鉆孔圍巖窺視對(duì)采場(chǎng)圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)測(cè)分析，得出7號(hào)煤層的裂隙帶高度為20～27 m，小于煤層間距及理論計(jì)算值，且3號(hào)煤層的頂?shù)装逦窗l(fā)生明顯的變性破壞，整體完整性較好。

3) 通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬分析了下位煤層開(kāi)采對(duì)采場(chǎng)覆巖結(jié)構(gòu)的影響，得出11號(hào)煤層開(kāi)采對(duì)3號(hào)煤層基本無(wú)影響，7號(hào)煤層開(kāi)采會(huì)引起3號(hào)煤層頂?shù)装宄霈F(xiàn)較小程度的損傷，但整體結(jié)構(gòu)未受破壞，驗(yàn)證了理論分析及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的準(zhǔn)確性。