太平煤礦薄覆巖分層充填開采安全防水煤巖柱留設(shè)探討

韓 濤 ，張振鸞，孫慶彬

（山東魯泰控股集團有限公司，山東 濟寧 272000）

1 概 況

太平煤礦6南區(qū)域3煤整體厚度為2.10～9.97m，上覆巖層厚度為0～31.3m，煤層較穩(wěn)定，分布范圍大體南北向，西側(cè)為3煤層露頭，東側(cè)留設(shè)大堤保護煤柱，北側(cè)臨近6309工作面。共布置6南01、6南02、6南03與6南04等4個工作面，采用分層開采，第一分層回采過程中各工作面涌水量普遍小于10m3/h，二分層及6南02、6南03工作面三分層膏體充填開采過程中，工作面頂板僅有少量淋水，水量1～5m3/h，回采中沒有發(fā)生冒頂、潰水潰砂事故，充填質(zhì)量良好，實現(xiàn)了安全回采，為相同地質(zhì)條件下的其他煤層開采提供了基礎(chǔ)資料和借鑒依據(jù)。為充分回收該部分煤炭資源，擬開采6南04（3）工作面，為保證安全回踩，需合理確定安全煤柱。

2 三分層膏體充填開采覆巖破壞高度計算

2.1 規(guī)程公式計算

對于煤層膏體充填開采引起的覆巖破壞規(guī)律，《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中沒有直接適合膏體充填開采條件下導(dǎo)水裂縫帶高度的計算公式（單層厚度1～3m），以下以等效開采厚度法采用“三下”規(guī)程計算公式對六南04（3）回采后對上覆巖層的變化影響情況進行分析，重點對導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育高度進行計算。

膏體充填為完全充填采空區(qū)的開采方法，實際采厚不能直接用于計算，為此引入等效采厚的概念：實際采厚與膏體充填體的有效厚度之差。開采后的等效采厚主要由3部分組成：膏體充填前及充填過程中的頂板下沉量、膏體充填接頂不實量和膏體凝固過程中的壓縮量；等效采厚采用法即：M等=M-M膏。

六南采區(qū)各工作面一分層垮落法開采1.8m；二分層充填開采，采厚2.2m，等效采厚0.58m。開采六南02三分層工作面,采厚2.2m時，經(jīng)過長時間（6個月后）固結(jié)后，打鉆探測及實際揭露數(shù)據(jù)顯示，順槽膏體的穩(wěn)定后厚度為1.75m～2m，平均1.97m；工作面內(nèi)膏體穩(wěn)定后厚度為1.6m～2m，平均1.86m；由于順槽位置充填施工條件較好，效果較好，保守考慮，膏體的有效厚度取為1.86m，據(jù)此估算膏體充填開采，控制采高2.2m時，等效采高為0.34m。二、三分層等效采厚差別加大，主要是一分層未充填、二分層沿采空區(qū)回采，頂板控制難度大，三分層在充填體下回采，頂板平整。

表1 厚煤層分層開采的導(dǎo)水裂縫帶高度計算公式

表2 規(guī)程公式計算的覆巖破壞高度

2.2 本礦實測結(jié)果預(yù)計

太平煤礦8311工作面3煤層基巖厚度厚度5.1～33.3 m，底部黏土厚度 0～6 m，基巖面標(biāo)高 -107.7～-120.5 m，底分層采用膏體充填開采，采高2.2 m，實測導(dǎo)水裂縫帶最大高度為6.93 m，裂采比為3.15。實測表明采用充填開采工藝，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度明顯減小。此外8309工作面在覆巖厚度最薄11.4 m情況下，實現(xiàn)8.8 m采厚按照四個分層膏體充填安全開采。

根據(jù)上述分析，六南04工作面三分層膏體充填開采導(dǎo)水裂縫帶高度計算，可采用裂采比數(shù)值為3.15。

表3 本礦實測結(jié)果預(yù)計的覆巖破壞高度（疊加區(qū)）

2.3 相似模型試驗結(jié)果預(yù)計

開采前進行三分層膏體充填開采覆巖變化情況的的相似模擬研究。選取幾何相似常數(shù)Cl=100:1、時間相似常數(shù)Ct=10:1、密度相似常數(shù)Cρ=1.67:1進行模擬，生產(chǎn)過程中覆巖裂隙逐漸壓實，在開切眼和停采線等地方裂隙向上發(fā)育，垮落帶基本不變化，轉(zhuǎn)換后導(dǎo)水裂縫帶高度21.33～22.8m。

表4 相似模型試驗預(yù)計的覆巖破壞高度

2.4 覆巖破壞高度綜合確定

從上面計算的覆巖破壞高度來看，從工作面實際開采情況考慮以及六采區(qū)其他分層的成功開采經(jīng)驗，為保證安全開采，六南04（3）工作面覆巖破壞高度選用預(yù)測結(jié)果中的最大值，即覆巖破壞高度選擇規(guī)程公式（一）的計算結(jié)果。

表5 綜合分析覆巖破壞高度

3 防水煤巖柱尺寸留設(shè)

根據(jù)以往地質(zhì)資料，六南采區(qū)范圍內(nèi)第四系下組屬中等富水性含水層，但總體中等偏弱，頂板砂巖、煤系風(fēng)化帶，含水性微弱，頂板砂巖水會逐漸隨開采而被疏干，第四系底部黏土普遍分布，且具有較好的隔水保護層作用，工程地質(zhì)類型以中細(xì)砂巖和泥巖為主，基本為軟弱～中硬偏軟弱類型，采動的水體等級為Ⅰ-Ⅱ之間，保守設(shè)計，全部按照Ⅰ級留設(shè)即頂板安全防水煤巖柱。

頂板防水安全煤巖柱計算方法為：

式中：Hsh為防水安全煤巖柱厚度，m；Hli為導(dǎo)水裂縫帶高度，m；Hb為保護層厚度，m。

表6 保護層厚度計算方法（不適用于綜放開采） 單位：m

表7 防水煤巖柱尺寸設(shè)計

經(jīng)一、二分層的開采擾動，三分層開采時頂板巖性考慮為軟弱，安全起見保護層厚度考慮為3A厚度。

4 結(jié)論和建議

1）采取“三下”采煤規(guī)程經(jīng)驗公式、本礦實測的分層開采和鄰近工作面模型試驗預(yù)計，并結(jié)合六南044 結(jié)論和建議

2）采取“三下”采煤規(guī)程經(jīng)驗公式、本礦實測的分層開采和鄰近工作面模型試驗預(yù)計，并結(jié)合六南04（3）工作面上方已經(jīng)開采的一分層、二分層開采范圍、采厚等工程地質(zhì)條件以及鄰近工作面的開采經(jīng)驗，計算六南04第三分層開采的垮落帶、導(dǎo)水裂縫帶高度，即垮落帶未進一步發(fā)育，采厚分別為2.2m和1.8m，導(dǎo)水裂縫帶高度分別為24.25m和24.08m；

3）由于開采上限的限制，第一分層工作面和二三分層工作面在采準(zhǔn)巷道上位置不同；不同開采方法疊加的部位，有可能是導(dǎo)水裂縫帶高度發(fā)育較大的部位。

4）煤層回采過程中要注意斷層的影響，做好超前探測工作。

5）設(shè)計的防水煤柱，比本礦已采工作面實測值偏大，開采過程中要做好相關(guān)數(shù)據(jù)的觀測，進一步改進。