厚煤層工作面覆巖破壞高度確定研究

2016-01-18 03:13:37崔瑞軍

山西焦煤科技 2015年3期

關鍵詞：對比

·試驗研究·

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厚煤層工作面覆巖破壞高度確定研究

崔瑞軍

(汾西礦業(集團)有限責任公司河東煤礦,山西靈石031302)

摘要隨著工作面的不斷向前推進，工作面上方巖層垮落高度不斷增加，增大工作面礦山壓力的同時導通了通水裂隙，直接威脅工作面生產安全。本文以某礦2301N工作面為研究對象，對工作面的厚煤層分別從分層開采、網下綜放、綜放開采3種采煤方法的上方巖層垮落高度分析，進行比較。研究結果表明，綜放采煤工藝上覆巖層裂隙發育最大，網下綜放次之，分層綜采最小，可為上覆巖層含水層及三下采煤提供借鑒。

關鍵詞厚煤層；上覆巖層；裂隙高度；采煤工藝；對比

收稿日期：2015-02-08

作者簡介：崔瑞軍(1981—)，男，山西岢嵐人，2013年畢業于太原理工大學，工程師，主要從事采礦技術管理工作

中圖分類號：TD823.2

文獻標識碼：B

文章編號：1672-0652(2015)03-0029-04

AbstractWith the working face advancing continuously, the caving height above strata of working face is increasing continuously, which increases mining pressure and conducts water cracks, directly threaten the face production safety. Based on the 2301N mining face as the research object, analyzes and compares the caving height above strata for thick coal seam in the working face through three methods of slicing, offline fully-mechanization and fully-mechanized caving mining. Research results show that in overlying strata, the overburden fracture develops furthest by fully mechanized coal caving minning technology, offline fully-mechanization is next, stratified fully mechanized mining is minimum. Uses for reference for mining under overburden aquifer and coal mining under three circumstances.

1工作面概況

某礦2301N綜放工作面位于-810水平二采區下山以北，東為尚未準備的2302N工作面，西為尚未開采的3301綜放工作面，南為二采輔二下山保護煤柱，北為于莊北斷層煤柱。地表標高為+44.2 m，該工作面開采煤層為3煤。根據該區域范圍內L-2、142、13-1S、13-2S、10-3S號鉆孔和上平巷、下平巷揭露資料，2301N綜放工作面僅在工作面聯巷南部L-2鉆孔揭露煤層含0.35 m夾矸，巖性多為炭質泥巖。3煤層該區域屬穩定煤層，結構簡單～復雜。

3煤可采指數為1，為穩定煤層，煤層傾角0.35°～4.0°，平均3.0°.2301N工作面煤層頂底板情況見表1.

厚煤層開采可采用分層綜采、網下綜放開采、綜放開采3種采煤工藝。現分別對各采煤工藝條件下的覆巖變形破壞情況進行預計分析。根據鉆孔揭露，按2301N工作面平均采厚9.2 m進行預計分析。根據近期淺部區域覆巖的巖石力學參數測試結果顯示，其上部受風化的泥巖和細砂巖單軸抗壓強度為4.9～13.5 MPa，下部砂巖(中砂巖、細砂巖)的單軸抗壓強度為34.2～64.9 MPa；由于2301N工作面覆巖泥巖含量相對較多，依據各巖性含量比例，將2301N工作面淺部區域基巖的強度類型界定為中硬偏軟。

表1　2301N工作面煤層頂底板情況表

2分層條件下的覆巖破壞高度

分層開采能有效降低覆巖破壞高度，頂分層開采所導致的覆巖破壞高度約占累積厚度開采覆巖破壞高度的70%～80%，且頂分層開采厚度越小，覆巖破壞高度越低。

因此，為盡可能降低分層綜采造成的覆巖破壞高度，2301N工作面3煤層采用分層開采。由于煤層平均厚度9.2 m，若按3個分層，其單層采厚>3.0 m，不適用于“規程”公式規定的厚煤層開采計算公式要求，因此，按4層進行計算，自上至下分層采厚分別為2.2 m、2.2 m、2.4 m和2.4 m，累計厚度9.20 m.

1) 按照《規程》預計。

該區3煤覆巖屬中硬偏軟類型，根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》，按照中硬覆巖類型計算：

(1)

(2)

式中：

Hm—垮落帶高度最大值，m；

HLi—導水裂縫帶高度最大值，m；

∑M—累計采厚，m.

將2301N工作面3煤層各分層累積采厚(自上而下2.20 m、4.40 m、6.80 m和9.20 m)分別代入式(1)、式(2)可以得出，一分層開采后其垮落帶和導水裂縫帶最大發育高度分別為7.5 m、30.9 m；二分層開采后覆巖“兩帶”最大發育高度分別為11.1 m、41.4 m；三分層后覆巖“兩帶”最大發育高度分別為13.4 m、47.0 m；四分層開采后覆巖“兩帶”最大發育高度分別為14.8 m、50.3 m.

2) 經驗公式預計。

根據相鄰的兗州礦區實際觀測結果統計分析，綜采工作面中硬覆巖垮落帶高度(Hm)與采厚(M)的關系為：

(3)

式中：

Hm—垮落帶高度最大值，m；

∑M—累計采厚，m.

將各分層累計采厚分別代入式(3)，計算得出2301N工作面四分層綜采，其垮落帶發育最大高度分別為12.4 m、14.8 m、14.9 m和16.5 m(各分層自上而下)。

根據興隆莊礦對分層綜采條件下的覆巖破壞進行了大量觀測，得出分層綜采條件下覆巖破壞最大高度與采厚的關系式：

(4)

式中：

HLi—導水裂縫帶高度最大值，m；

∑M—累計采厚，m.

將各分層累計采厚分別代入式(4)，計算得出2301N工作面四分層綜采，其導水裂縫帶發育最大高度分別為37.3 m、40.0 m、41.1 m和41.6 m(各分層自上而下)。

3) 2301N工作面分層綜采覆巖破壞高度綜合分析。

比較兩種預計方法，預計結果存在差異，分層開采時，根據興隆莊礦經驗公式預計的2301N工作面導水裂縫帶高度小于根據“規程”預計的高度。分析原因，在基巖柱厚度較小時，基巖風化帶所占基巖柱比例增大，而基巖風化帶強度相對未風化基巖強度大幅度降低，導致導水裂縫帶發育高度降低，由此可見，基巖風化帶對導水裂縫帶向上發育的抑制作用明顯。楊村礦第四系表土層下近煤層露頭附近開采的實測結果也證明了這一點(個別煤礦甚至出現了二分層開采后導水裂縫帶高度略有下降的現象)。因此，多分層開采時，根據興隆莊礦實測結果預計的導水裂縫帶的發育高度小于按照中硬覆巖預計的高度，按照興隆莊礦實測結果預計的導水裂縫帶高度更符合2301N工作面的實際情況。

綜上所述，為安全起見，垮落帶最大發育高度取較大值。導水裂縫帶最大發育高度取經驗公式計算結果，分層開采“兩帶”最大發育高度結果見表2.

表2　分層開采“兩帶”最大發育高度預計結果表　　m

3網下綜放開采條件下覆巖破壞高度

網下綜放中頂分層的提前開采，既降低了煤層全部開采后的覆巖破壞發育高度，又對煤層開采后覆巖的破壞情況有一定的指導作用。本次頂分層采厚選取2.2 m，網下綜放厚度為7.0 m.

1) 類比分析。

興隆莊礦二采區網下綜放開采的垮高與采厚比為2.4～3.1，裂高與采厚比為4.3～4.1(23S1網下綜放開采的實測裂采比為4.3～4.4)，二采區實測結果見表3，4。從表4可以看出，導水裂縫帶發育高度不僅與煤層開采厚度有關，而且與工作面基巖柱垂高有關，基巖柱垂高大則裂縫帶發育高度一般較高，基巖柱垂高小則裂縫帶發育高度一般較低。