淺部厚煤層開采上限確定關鍵技術研究

陳軍濤，孫洪華，蔡 輝

（1．山東科技大學 礦山災害預防控制教育部重點實驗室，山東 青島266510；2．蔡園生建煤礦，山東 濟寧277606；3．星村煤礦，山東 濟寧272100）

濟寧市蔡園生建煤礦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、碳質泥巖及砂泥巖互層。底板多為泥巖、碳質泥巖。煤層全層厚度3．00～5．80m（I42），平均4．47m，偶含一層碳質泥巖夾石，煤層結構簡單。

3下煤層平均38．11m。頂板多為泥巖、碳質泥巖。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、碳質泥巖夾石，煤層結構簡單。

1 四采區北部第四系高密度電阻率層析成像（CT）探測

1.1 高密度電阻率層析成象探測技術

高密度電阻率層析成像測量，對于測構造、空區和含水層等是物探中較先進有效的方法之一［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，全區相對穩定，未見局部增厚現象。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”高度現場實測

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

2.1 探測孔布置

鉆孔的相關數據為：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55m。兩帶觀測孔布孔如圖1所示。

圖1 “兩帶”觀測鉆孔布置圖

2.2 圖像的采集與儲存

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

2.3 探測成果分析

實測垮落帶高度。在獲取的錄象資料中，通過對比分析以及實測折算，確定3煤開采后的垮落帶高度為7．1～10m，與理論計算確定的8．5～11．5m，基本一致，符合我國同類巖性礦井的大量統計結果。圖2～圖5所示為換算成垂直高度后“兩帶”觀測成果圖。

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，煤層開采后其垮落帶高度大體在29．2m左右。從現場觀測情況結合計算，可以確定3煤層開采以后其裂隙帶的發展情況，在大于41m高度以上，裂隙發展基本停止。現場鉆孔布置在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 計算機數值模擬

本次模擬以－140東大巷上部已采區域為原形，按其覆巖頂板巖體分布實際狀況建立模型，分層開采，并對3煤各分層開采完畢時的覆巖破壞情況做了分析。

3.1 數值模擬材料及其屈服準則

巖石材料的本構模型選取 Mohr－Coulomb準則，即

式中：F、Q分別為屈服勢函數和應變勢函數；c為黏聚力；φ為內摩擦角；δ為剪脹角。

3.2 計算區域及模型參數

根據采礦理論及模擬實際，模擬范圍取開挖空間跨度的10～12倍。模擬條件：采場埋深為170m左右，模型尺寸為700m×1m×220m。

3.3 覆巖參數的選取

采用FLAC3D軟件對開采過程進行數值模擬，并分析煤層頂板的破壞情況。計算所用的有關巖石的物理力學，根據相似巖石同時參考相鄰礦井巖性對比得到巖性參數，見表1。

表1 煤層及頂、底板巖層的物理力學參數

3.4 物理模型的建立及幾何邊界條件

根據煤層開采情況，選取在三維坐標系統中，以煤層底板基點為坐標原點，基巖底面為XOY平面，傾斜水平投影方向為X正方向，礦體走向為Y方向，垂直向上為Z軸正方向。計算范圍：

幾何尺寸和開挖范圍：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力下的靜力穩定性，其邊界條件為：左側和右側邊界約束水平方向位移，底部邊界約束垂直方向位移。

網格劃分：在有限差分模型基礎上生成的網格劃分。模型共劃分為4830個單元，共9940個節點，其中開挖部分采用零空單元模擬。

通過采用計算機模擬，3煤分層開采以后，在煤壁附近塑性區發展比較充分，其發展的最大高度也出現在這些位置；各分層開采以后，在煤壁強方出現不同程度的應力集中；各分層開采以后，在煤層位移最大值出現在頂板中部；各分層開采以后，在煤壁附近頂、底板巖層中出現不同程度的拉應力。通過模擬分析，可以得出各分層開采以后的裂隙帶高度分別為：

4 綜合分析

4.1 關于第四系厚度及含、隔水層

（1）采用高密度電阻率層析成像 （CT）探測技術確定的第四系底界面深度，在90～105m之間變化，全區相對穩定。推算第四系底界面相對位置標高為－56．5～－71．5m之間。

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

4.2 關于兩帶高度的理論計算

導水裂隙帶和垮落帶的發育高度，是決定水體下采煤安全與否的關鍵。因此，在工作面開采之前，需對放頂煤條件下的最大斷裂帶高度和垮落帶高度進行預計［2］。

4．2．1 垮落帶高度

3上、3下采用分層開采時，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 計算機數值模擬導水裂隙帶高度

4.4 采用電視成像技術實測垮落帶和導水裂隙帶高度

垮落帶高度為10．0m；導水裂隙帶高度為21．5m。兩帶高度計算及實測成果見統計表2。

4.5 防水煤巖柱高度的確定

礦井初步設計中提出，若科研工作和生產實際可取得較可靠的資料，可對設計所規定的防水煤柱高度作適當的調整［3］。通過理論計算和數值分析可能看出，計算結果與實測結果基本一致，實測結果與計算和模擬確定的平均法 （22．1～22．4m）基本一致。故此次論證以實測結果為準，導水裂隙帶高度Hl為21．5m。

表2 裂隙帶高度綜合成果表／m

式中：Hb為保護層厚度，m；∑M 為累計采厚，m；n為開采分層數。

防水煤巖柱高度Hsh為［4］：故在該區域開采防水煤巖柱高度為25．7m。

4.6 開采上限的確定

確定礫巖強含水層水下煤層開采上限，關鍵是安全而又合理地預計防水煤柱尺寸［5］。

本次論證確定合理開采上限區域為4340，對拉工作面4個分層和4360區段的最下分層 （4364工作面），兩個區段共有煤炭儲量為24．96萬t。

按確定的防水煤界柱高度25．7m計算，防砂煤巖柱留設是可行的，不會出現大規模的涌水、涌砂現象［6］。4360區段所處鉆孔為B13，該鉆孔實際揭露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，故該區段開采是安全可靠的。

5 結論

本次通過在采空區內向煤層頂板打觀測鉆孔，利用電視成象儀對煤層上覆巖層破壞分帶情況進行觀測，基本上搞清了3煤頂板破壞情況，對其“兩帶”有了直觀清楚的認識。結合理論計算和計算機模擬結果以及地面電法勘探，得到了以下

保護層厚度Hb為 （按四分層全采時）結論：

（1）通過電法勘測第四系地層底界面深度在90～105m之間變化，全區相對穩定，其中上部為高阻的含水層，下部為低阻的隔水層。

（2）利用電視成像儀對煤層上覆巖層破壞分帶情況進行觀測的方法是可行的，對3層煤的垮落帶有了清楚的認識，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，覆巖破壞很不規則，其斷裂塊度大小不均，排列雜亂。當鉆孔中距煤層頂板距離大于10m時，覆巖破壞規則，并未出現雜亂的堆積，已進入裂隙帶。采用電視成像法測得的3煤層全采后 （4個分層），垮落帶高度為10m左右，與理論計算確定的8．5～11．5m基本一致。井下實測3層煤4個分層全采后，導水裂隙帶的高度為21．5m，與理論計算和數值分析結果基本一致。

（4）按實測確定的導水裂隙帶高度計算確定的防水煤巖柱尺寸為25．7m，4360和4340區段只是在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78．65m，其余區域均大于防水煤巖柱尺寸，故區段實現4個分層全采是安全可靠的，可回收煤炭24．96萬t，社會效益和經濟效益顯著。

［1］ 馮治斌，秦愛新．高密度電阻率層析成像測量在開采損害鑒定中的應用 ［J］．煤炭工程，2003（7）：18－19．

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

［3］ 張利書，王厚柱，李德忠．新集二礦夾片灰巖下提高上限安全開采技術研究與實踐 ［J］．能源技術與管理，2008（4）：60－62．

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

［5］ 程金泉．鶴壁八礦三采區礫巖水下二1煤層開采上限研究［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下煤層開采上限可行性分析 ［J］．煤炭開采，1997 （3）：39－40．