厚煤層淺埋深河床下開采技術研究與應用

孫文德++劉洋

摘 要：根據杉木樹煤礦河床下占壓煤炭儲量大、埋深小，煤柱范圍開采煤層上覆巖層堅硬且脆性較大、不含隔水層，地表地形復雜的特征，結合理論論證、FLAC3D數值計算論證、F-RFPA數值滲流模擬、類似材料模擬實驗、概率積分預計模擬分析等多種研究方法，確定了采深大于等于40倍采高時采全高、小于40倍時控制采高在2.0～2.5m的限高協調減損開采方案。經實踐，實現了淺埋深河床下工作面的安全回采，采出占壓煤柱49.28萬t，采出率達91.7%。

關鍵詞：厚煤層 淺埋深 河床下 限高開采技術

中圖分類號：TD823 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）11（a）-0082-03

川煤集團芙蓉公司杉木樹煤礦N24采區中部對應地表有一條石炭溝河，河床的寬度為5～10m，走向長度約為1840m；河床兩側為較為陡立的山坡地形，地形復雜；洪水季節水流匯集非常集中，最大達5000m3/h；河床為碎石砂、卵石及基巖裸露形態，不具備隔水性能。河床下預留的煤柱寬度為150～250m，工業儲量約260萬t，可采儲量約186萬t。預留煤柱上覆巖層堅硬且脆性較大，基本不含隔水層；煤層厚度一般在3.0m以上，埋深小，工作面距離地表的高度為67～117m，這種河流下煤層開采條件復雜特殊，在國內外尚屬少見。

國內外對于河流下煤層的開采主要基于限高開采、條帶開采、部分開采和充填開采等方法。通過赴山東、湖南等地實地考察，采用充填開采噸煤成本高、開采速度慢，不適合于南方高瓦斯易發火煤層礦井；而采用條帶開采煤炭采出率較低，僅在50%～60%，資源丟失較大，且采用條帶開采的采寬一般≤20m，這將給回采準備造成了極大的困難，巷道掘進量大、工作面連續推進短、搬家頻繁，工作面單產將受到很大的影響。根據開采區煤層埋深河床范圍小、河床兩側山體范圍大的特點，采用協調開采無疑是最優的開采方案。

1 實驗模擬計算分析研究

1.1 上覆巖層變形規律數值模擬

1.1.1 FLAC3D數值模型的建立

該數值模擬是根據開采區不同位置所做的四個剖面（A—A、B—B、C—C和D—D）針對不同的開采范圍分別建立了模型，具體剖面線位置如圖1所示。對上覆巖層計算準則采用摩爾—庫倫準則，網格劃分的原則是依據模擬巖層層位及性質進行劃分的，煤層開采高度為3m，模擬尺寸、劃分單元網格和節點數具體如下。

（1）根據石炭溝河橫向A—A剖面圖所建立的模型長350m、寬100m、最大高度約170m，模型共劃分10900個單元和14212個節點。

（2）根據石炭溝河橫向B—B剖面圖所建立的模型長350m、寬100m、最大高度約170m，模型共劃分9830個單元和12782個節點。

（3）根據石炭溝河橫向C—C剖面圖所建立的模型長350m、寬100m、最大高度約170m，模型共劃分11440個單元和15147個節點》。

（4）根據石炭溝河橫向D—D剖面圖所建立的模型長350m、寬100m、最大高度約170m，模型共劃分10720個單元和13750個節點。

1.1.2 模擬結果分析

受覆巖載荷分布、工作面布置及煤層地質條件影響，工作面上覆巖層移動呈非對稱型分布，上覆巖層變形及破壞呈非對稱型分布，地表下沉系數為0.4～0.5。N24102（上）工作面由于河床位于其正上方，地表在石炭溝河附近的溝谷處下沉量最大，為1100～1500mm，最大下沉值位置偏移采空區下山方向約20m。N2492工作面由于河床未在其正上方，石炭溝河附近的地表下沉量并非最大，為500～800mm，而處于采空區正上方的山坡中部則最大，為900～1200mm。

1.2 覆巖導水裂縫帶數值模擬

1.2.1 F-RFPA2D固液耦合滲流模擬的建立

本模擬過程使用位移矢量、彈性模量變化、滲透系數及水量滲流來分析上覆巖層裂隙發育及滲流規律，研究不同開采高度下導水裂縫帶的分布規律。模擬了采高為3m時，圖1中C—C剖面覆巖彈性模量變化、位移矢量、滲透系數及水量滲流等情況。

1.2.2 F-RFPA2D固液耦合滲流模擬結果分析

工作面采高3m時，預計導水裂隙帶約105m，工作面采高2m時，預計導水裂隙帶約70m，導水裂隙帶均是采高的35倍，符合芙蓉礦區實際采高與采深比35～40倍的經驗關系值。當采高3m、覆巖高度低于105m時，采高2m、覆巖高度小于70m時，煤層開采后覆巖均會被破壞，河流水會大量滲入到井下，影響安全生產。若開采不采取相應措施，將不能實現杉木樹礦河流下占壓煤柱的安全回采。

1.3 相似材料模擬實驗

1.3.1 實驗模型的設計及實驗分析

實驗采用高寬90cm、10cm，長100cm的模型架，模型比例選擇1∶400。工作面的沿河流方向推進，垂直于剖面，但由于是二維模擬，固采用從左向右的方向對模型開挖，所以只對初始和最終模擬形態分別進行分析。

模擬在采高3m時，覆巖中裂隙帶發育變化情況。通過實驗模擬，確定開采過程中煤層上覆巖層移動變形情況和范圍，河床和河床兩側山體破壞形態及程度。

1.3.2 相似模擬試驗結果分析

模型采空區上覆巖層只有兩帶發育，即冒落帶、裂隙帶，冒落帶高度約為28m，裂隙帶直達地表；下沉量山區要比一般的地區小，導致這種現象出現的原因是上覆堅硬巖層的結構和巖性造成的；從影響范圍來說，下山的主要影響范圍大于上山方向的影響范圍，在50m以上；開采傾斜煤層時上部傾斜巖層冒落，山體裂縫最大長度14m，覆巖內部裂縫也達到了16m，寬度為0.6～0.8m，由于上覆載荷分布不均勻以及煤層存在一定的傾角，導致上覆巖層破壞形態呈非對稱型分布，兩側山體自重可減小裂隙帶高度；模型河床均出現破壞下沉的現象，由于河床埋深最大74m，故推測裂隙帶高度大于74m。endprint

2 影響函數預計分析及開采方案的確定

運用西安科技大學基于概率積分理論為基礎研制的YLH-12預計模擬程序，在反映出開采后地表全盆地移動變形分布情況的基礎上，獲得地表移動變形等值線分析圖，借助地表移動變形等值線分析圖分析開采地表移動變形與地表建筑物間的關系，進一步對開采參數和開采方案進行優化。

通過上覆巖層變形規律數值模擬、覆巖導水裂縫帶數值模擬、相似材料模擬及基于概率積分的開采影響函數分析，確定了采深大于等于40倍采高時采全高、小于40倍時控制采高在2.0～2.5m的限高協調減損開采方案。

3 現場應用及效果分析

3.1 采高控制及原煤產出情況

杉木樹煤礦N24102上工作面于2012年8月20日開始調采，2012年9月1號開始正式回采，到2013年4月30日工作面回采結束，共采出煤炭49.28萬t，采出率達91.7%。整個開采期間避開雨季，同時跟蹤監測開采影響范圍地表河床、建筑物受損情況和裂縫發展情況，及時采取措施處置。

N24102（上）工作面實際開采厚度、原煤產量情況，如圖2、圖3所示。

3.2 地表河床裂縫破壞及滲水情況

2012年9～12月經地面連續觀測，在工作面以后約20m處河床及河床兩側最大下沉量為25mm、水平位移量為65mm；在離開切眼約60m處河床及河床兩側最大下沉量為20mm、水平位移量為30mm；在離開切眼約100m處河床及河床兩側最大下沉量為35mm、水平位移量為50mm。河床兩側的移動變形表明，下沉量小于水平移動量，符合預計的河床受兩側山體擠壓影響情況，水平移動值大于下沉值，這種情況有利于河床下部巖層中裂縫的閉合，能夠有效降低河床水的下滲量。

在整個開采過程中工作面平均涌水量18.2m3/h，最大涌水量36.3m3/h，涌水量變化不大，控制在預計涌水增量范圍內。

3.3 河床排導渠防護效果

開采期間地表河床理論平均滲水量259.39m3/h、滲水率14.64%；工作面回采完成待覆巖下沉變形穩定后，工作面對應河床段采取了施工混凝土排導渠以減少滲水量的措施，排導渠施工完成后，地表河床理論平均滲水量、滲水率降為了155.60m3/h和7.45%。實踐表明，河床排導渠防護工程實施投入使用后，河床流量損失降低了約50%。

4 結語

應用FLAC3D數值模擬開采覆巖應力應變和破壞分布情況，應用F-RFPA2D數值試驗模擬固液耦合條件下開采引起覆巖導水裂縫帶的高度，應用相似材料模擬實驗方法模擬開采引起覆巖冒裂帶發育高度、范圍和地表裂縫情況，結合理論分析給出了40倍采高的安全防水煤巖柱的結論。模擬計算分析了應用限高協調開采方法降低及減輕覆巖導水裂隙帶高度的可行性，為石炭溝河下安全開采提供了充分的依據，提出了適應機械化長壁工作面開采的限高協調減損+地表河床構筑排導渠防護結合避開洪水季節的開采方法。通過現場應用，實現了杉木樹煤礦厚煤層淺埋深河床下N24102（上）工作面的安全回采，取得的研究成果可在類似條件的“三下”開采中推廣應用。

參考文獻

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