姚橋礦7708工作面開采方案優(yōu)化設計＊

2013-04-20 02:06:14李照棟郭東芝劉春霖劉博文

中國煤炭 2013年2期

于輝李照棟郭東芝劉春霖秦佳劉博文

（中國礦業(yè)大學（北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區(qū)，100083）

姚橋煤礦1976年12月投產(chǎn)，現(xiàn)擬開采新東四采區(qū)7708工作面，原設計方案為一次采全高，由于安全開采上限與采高密切相關(guān)，為了減少安全煤巖柱留設，決定對原方案進行優(yōu)化，即實行分段開采，從開切眼一定高度上只開采底分層，工作面推進一定距離后再一次采全高，從而提高開采上限，解放其中的一部分壓滯煤炭。該優(yōu)化方案的主要工作是確定兩種開采方法的覆巖破壞高度，求出安全煤巖柱垂高，進而獲得各自的開采上限。

1 7708工作面水文地質(zhì)條件

7708工作面位于新東四采區(qū)，工作面長度約為180 m。開采7＃煤層，煤層厚度約4.3～6.07m，平均5.2 m。本區(qū)第四系沖積層廣泛分布，為全掩蓋式煤田。通過水文地質(zhì)條件分析和開采實踐表明，工作面開采主要受第四系底部含水層的影響。

第四系底部含水層直接覆蓋于基巖上，底板埋深104.10～163.60m，一般埋深131m 左右。一般厚度3～5m ，巖性以中、粗砂為主，局部含砂礫。砂層厚度2～4m 左右。據(jù)西風檢孔抽水試驗資料得知，水位標高-34.65m，該組局部含水豐富，富水性中等，直接與基巖地下水產(chǎn)生水力聯(lián)系，是礦井開采的主要充水因素。

2 開采覆巖破壞高度研究

由于7708 工作面采用傾斜布置，俯斜開采，因而涉及基巖柱厚度由小到大的變化，隨著工作面推進，基巖柱逐漸增大，應根據(jù)基巖柱厚度，立足于一次采全高（采高5.2m）和只采底分層（采高2.5m）兩種方法，合理制定開采方案。其覆巖破壞高度應按照兩種采煤方法條件下，通過類比法分別預計。

2.1 一次采全高條件下覆巖破壞高度預計

根據(jù)孔莊礦7501綜放工作面地面 “兩帶”孔實測結(jié)果，7＃煤層一次采全高的導水裂縫帶高度為61m，采高為5.2m，裂采比為12.2；垮落帶高度為32m，垮采比為6.4。姚橋礦在7507工作面井下仰上孔實測的導水裂縫帶高度為63.6 m，采高4.7m，裂采比為13.53。可見兩個礦導水裂縫帶高度比較接近。

由此可以得到一次采全高條件下姚橋礦7708工作面導水裂縫帶高度為70.3 m （采高×裂采比），預計垮落帶高度為33.3m （采高×垮采比）。

表1 姚橋煤礦實測導水裂縫帶和垮落帶高度

2.2 只采底分層條件下覆巖破壞高度預計

設計只開采底分層的采高按2.5 m 考慮。姚橋煤礦通過在7208和7404工作面施工兩帶孔，實測得到炮采和分層綜采條件下導水裂縫帶和垮落帶高度，具體結(jié)果見表1。

預計得到7708工作面開采厚度2.5m 時導水裂縫帶高度為37.5～44.6m，垮落帶高度為9.85～26.75m。

為保證安全，確定采高為2.5 m 時的導水裂縫帶和垮落帶高度分別為45m 和27m。

3 數(shù)值模擬法確定 “兩帶”高度

3.1 數(shù)值模型的建立

7708工作面擬采用傾斜布置，俯斜開采。工作面長度180m，在確定工作面的走向長度時，需要考慮兩邊各150 m 的邊界影響范圍，再加上選取工作面實際推進長度180 m，這樣模型長度為480m。在模型垂直方向上，按實際的厚度來模擬煤層、頂?shù)装寮吧细菜缮⒑畬印８鶕?jù)地質(zhì)材料確定模型的垂直高度為135 m。建立的7708工作面的模型支架用BEAM 單元模擬，層理弱面用INTERFACE模擬。

模型邊界條件的確定：模型頂部為自由邊界；模型底部邊界固定，即底部邊界水平、垂直位移均為零；模型前后和左右邊界施加水平約束，即邊界水平位移為零。煤巖物理力學參數(shù)見表2。

表2 巖石力學參數(shù)

3.2 模擬結(jié)果的分析

煤層開采后，上覆巖層自上而下可以分為4個區(qū)，分別為未破壞區(qū)、剪切破壞區(qū)、拉伸裂隙區(qū)和拉伸破壞區(qū)。其中產(chǎn)生拉伸裂隙區(qū)的原因是由于巖石某一方向的拉應力超過了巖體的抗拉強度，從而產(chǎn)生一定方向的張裂隙，產(chǎn)生的這些張裂隙由于連通情況和寬度不一樣，對巖體的破壞程度和滲透性也是不一樣的。產(chǎn)生拉伸破壞區(qū)的原因是由于巖石在雙向拉應力作用下，被拉斷、垮落產(chǎn)生的一片區(qū)域。判斷裂隙帶和冒落帶的發(fā)育高度可以根據(jù)拉伸裂隙區(qū)以及拉伸破壞區(qū)的區(qū)域大小來確定。

通過模擬結(jié)果可以看出一次采全高條件下7708工作面垮落帶和導水裂隙帶高度分別為25m和60m 左右；只采底分層條件下垮落帶高度和最大導水裂隙帶高度分別為21 m 和42 m 左右。所得結(jié)果與采用類比法預計結(jié)果比較接近。具體結(jié)果見表3。

表3 7708工作面數(shù)值模擬與類比法確定高度對照

將類比法和數(shù)值模擬法所取得數(shù)值進行對比分析，取最大值以保證安全。即在一次采全高條件下，垮落帶和導水裂隙帶高度分別為33.3 m 和70.3m，在只采底分層條件下，垮落帶和導水裂隙帶高度分別為27m 和45m。

4 確定開采上限及優(yōu)化開采方案

4.1 留設安全煤巖柱類型分析

目前在國內(nèi)很多存在類似松散含水層的礦區(qū)都成功試驗完成了留設不同類型安全煤巖柱的開采。

通過對比類似礦區(qū)可以看到，姚橋煤礦新東四采區(qū)的底含較其他礦區(qū)薄，楊村、許廠煤礦都實現(xiàn)了留設防砂煤柱開采，而邢臺和柴里煤礦則經(jīng)過多年的開采試驗，實現(xiàn)了留設防塌煤柱開采。

通過對松散層底含的分布以及巖性結(jié)構(gòu)分析，對照含水層劃分指標及含水層富水性等級標準認為新東四采區(qū)淺部松散層底含富水性不均勻，部分區(qū)域存在底含缺失區(qū)，并且具有隔水性較好的底粘。該底粘不僅可以有效抑制導水裂縫帶向上發(fā)展，而且可以阻止底含向工作面充水，在7708工作面通過補勘Y3鉆孔可見，7708工作面為松散層底含的缺失區(qū)，按照有關(guān)規(guī)定，可以在7708工作面按防砂煤柱類型留設安全保護煤柱。

4.2 開采上限的確定

留設防砂安全煤巖柱的目的是允許導水裂縫帶波及松散孔隙弱含水層水體，但不允許垮落帶波及該水體。按照《三下采煤規(guī)程》規(guī)定，需要留設的防砂安全煤巖柱的垂高應大于或等于垮落帶的最大高度與保護層厚度之和，即：

式中：Hs——防砂安全煤巖柱的垂高，m；

Hm——垮落帶最大高度，m；

Hb——保護層厚度，m。

按照《規(guī)程》規(guī)定，松散層底部粘性土層或弱含水層厚度大于累計采厚時，保護層厚度選取2倍采高，即10.4m，由此可以得到在一次采全高條件下的防砂安全煤巖柱的厚度約為44 m；當開采厚度為2.5 m 時，保護層厚度選取2 倍采高，即5m，因而防砂安全煤巖柱的厚度約為33m。具體結(jié)果詳見表4。

表4 煤層防砂煤巖柱計算結(jié)果

根據(jù)新東四采區(qū)7＃煤層露頭的鉆孔（H48，H43和H47），確定防砂安全煤柱開采上限標高，見表5。由于各鉆孔位置開采上限標高值接近，取一次采全高的開采標高為-147m，只采底分層的開采上限標高為-135m。

4.3 7708工作面開采方案優(yōu)化設計

設計7708工作面2種回采方案：

（1）優(yōu)化方案：采用分區(qū)段只采底分層和一次采全高相結(jié)合。開切眼處最小煤巖柱厚度大于33 m，工作面只采底分層；當煤巖柱厚度大于一次采全高的最小防砂安全煤柱后（大于44 m）進行一次采全高。

根據(jù)上述預測結(jié)果，當采厚為2.5 m 時，可以得到回采上限即開切眼位置的標高為-135 m；當推進至距開切眼70m 時，采用一次采全高，此時基巖柱厚度大于44 m，滿足《三下采煤規(guī)程》關(guān)于留設防砂煤巖柱的要求；當基巖柱厚度大于80m 時，此時采用一次采全高，達到留設防水安全煤巖柱標準。

（2）原方案：只進行一次采全高，開切眼處最小煤巖柱厚度大于44m。

根據(jù)上述預計結(jié)果，按照留設防砂煤巖柱要求確定7708工作面開采上限為-147m。

具體方案參數(shù)見表6。