孫疃礦7211工作面提高回采上限覆巖破壞高度研究

馬曉宇 王來斌

摘 要：孫疃煤礦礦井設計對淺部煤層按90m煤巖柱高度留設防水煤巖柱，造成大量煤炭資源積壓，資源回采率降低。本文以孫疃煤礦81采區7211工作面為例，通過工作面松散層和72煤覆巖水文與工程地質條件分析，采用“三下”規程和FLAC3D數值模擬相結合的研究方法，確定了工作面留設合理的煤巖柱高度25m，回采上限為-209.99m，可解放工作面煤炭資源30萬噸。

關鍵詞：回采上限;含隔水層;兩帶高度;安全煤柱

0 引言

我國華北、華東和東北地區許多大煤田多為隱伏型，煤層上覆蓋有130m～300m中松散層沉積，松散層底部常存在著中等富水性、甚至強富水性的含水層。據統計我國中、厚松散層煤柱約有50億噸，造成了大量煤炭呆滯儲量，長期得不到開發利用[1]。因此，在保證安全開采的前提下，設計合理的煤巖柱高度，確定合理的回采上限，對于解放淺部呆滯煤炭資源和提高回采率具有著重要意義。

1 工作面的地質條件

孫疃煤礦位于淮北煤田南部臨渙礦區，81采區位于礦井中央采區南側，主要含煤地層為二疊系的山西組、下石盒子組和上石盒子組。7211工作面為81采區72煤層第一水平的第四個綜采面，總體上為一走向近于SN，傾向NE的單斜構造，煤層傾角平均16°，無火成巖侵入;DF10斷層斜穿工作面，落差為0～8m，呈北東向展布，對工作面的掘進及回采可能存在一定的影響。

72煤層作為主要可采煤層，賦存于下石盒子組下部，煤層厚度為1.54～3.45m，平均2.9m，屬中厚煤層。底板埋深234.42～380.58m，一般含1～3層夾矸，結構較簡單，夾矸巖性為泥巖或炭質泥巖。頂板巖性的分布特點為軟弱到中硬強度的泥巖與粉砂巖占絕大多數。

2 松散層水文地質特征

根據礦區及礦井松散層可巖性組合特征，自上而下可劃分為四個含水層和三個隔水層，其中“三隔”和“四含”對淺部煤層開采充水影響較大。作面及附近11個鉆孔資料表明，松散層厚度為203.00～210.85m，平均厚度為205.97m。“三隔”平均厚度為69.28m，隔水良好，“四含”底界深度平均205.97m，平均厚度4.45m。通過抽（注）水試驗得出的“四含”單位涌水量為0.029l/s.m和滲透系數0.089 m/d，水質類型為HCO3·SO4-Na·Mg，依據《煤礦防治水細則》[2]，7211工作面“四含”為弱富水性含水層類型。

3 基巖工程地質特征

該工作面基巖面標高-176.70～-184.99m之間變化，平均為-179.86m。由北向南，地勢由高到低，風化帶厚度略有增加，平均28.00m左右。工作面附近區域南部風化帶分布較北邊深，東邊風化較西邊深。風化帶巖性主要由砂巖、泥巖組成，其巖石為抗壓強度低，較軟弱，但膨脹性好，具有一定的隔水能力。覆巖的砂巖厚度為14.77～102.91m，平均厚度40.99m，泥巖厚度12.74～113.29m，平均厚度60.66m。覆巖砂泥比小于1的有5個鉆孔，大于1的有3個鉆孔。72煤層直接頂是中砂巖，但沉積厚度不大。72煤層覆巖中，砂巖的抗壓強度為11～22.3MPa，根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與開采規程》[3]（以下簡稱為“三下”規程）規定10～20 MPa 為軟弱覆巖，20～40 MPa為中硬覆巖，由此可推斷出，7211工作面內72煤層頂板覆巖類型基本上為中硬偏軟弱類型。

4 工作面覆巖破壞特征研究

4.1 規程計算“兩帶”高度

本次采用“三下”規程中硬覆巖類型計算公式預計冒落帶和裂隙帶的發育高度，72煤層為一次性全采，采厚取煤厚平均值2.9m。

式中，Hm——為冒落高度，m;Hl ——為導水裂隙帶高度，m;ΣM——煤層采厚，m;實際計算時，±2.2、±5.6分別取2.2和5.6，則求得冒落帶高度為11.09m，導水裂隙帶高度為40.79m。

4.2 數值模擬計算“兩帶”高度

本次根據工作面鉆孔資料及礦井巖土試驗數據，運用FLAC3D數值模擬軟件模擬72煤層開采覆巖變形破壞規律，預計冒落帶、裂隙帶發育高度及其分布范圍。

4.2.1 計算模型及參數

（1）模擬模型地質情況。以81采區7211回采工作面地質資料為基礎，工作面標高-250～-315m。72煤平均厚度2.9m，傾角16°，工作面走向長862m，傾向長180m。

（2）模型參數。a.該模型幾何形狀：寬200m，長200m，高150m，模擬巖層傾角為16°。b.邊界條件設置：底部全固定，四周水平方向限制，頂部自由邊界，并施加上覆巖土荷載。c.初始應力條件：施加漸變內部應力。頂部施壓為6.25Mpa，底部為7.88Mpa，泊松值取0.33。盡量與邊界條件平衡，然后運行1072步達到初始應力真正平衡。d.模型力學參數與具體網格劃分見表1。

采用一次采全高的開采方法，模擬了斜長為100m。根據莫爾庫侖理論，采用迭代法并利用FLAC計算出72煤層開采后底板巖層的采動變形破壞特征，獲得頂板巖層屈服破壞特征圖、工作面頂板巖層應力云圖等，具體見圖1。

4.2.2 計算結果分析

由圖1（a～d）分析表明，通過用FLAC3D軟件對81采區7211工作面的數值模擬結果表明，超前支承壓力對頂板的破壞高度約為13m，老頂初次來壓對頂板巖層的破壞高度約為40m，周期來壓對頂板巖層的破壞高度大約為36～40m[6]。

4.3 “兩帶”高度取值

通過經驗公式、數值模擬“兩帶”高度，按照安全第一的原則，在“兩帶”高度取值的中以取最大值為原則，得出最終7211工作面 “兩帶”高度值為：冒高為13.00m，裂高為40m，按煤層均厚2.9m計算，則冒采比為5.68，裂采比為19.72。

5 防砂安全煤巖柱高度計算及回采上限確定

5.1 防砂安全煤巖柱高度計算

依據“三下”規程，“四含”屬弱含水層，采動等級為Ⅱ級。據“三下”規程規定，這類水體是允許受采動的，即在這種水文地質條件下，可以采用防砂煤巖柱進行開采，導水裂隙帶可以波及到此含水層，但不允許冒落帶接近該層底部，即安全煤巖柱高度=冒落帶高度+保護層厚度，保護層厚度按“三下”規程規定，可按“松散層底部粘性土層或弱含水層厚度大于累計采厚，中硬覆巖”的情況選取，即：HS≥Hm+ Hb，Hb =3A，其中采厚A取煤層平均厚度。

= Hm+ Hb=11.09+2.9×3=19.79m

結合工作面的具體條件，選取工作面72煤的防砂安全煤柱保護層尺寸（垂高）取14.56m（表2）。綜合考慮風化帶深度等因素，防砂煤柱垂高取25.00m[7]。

5.2 回采上限的確定

7211工作面基巖面標高在-176.70～-184.99m之間變化，平均為-179.86m。起伏不大，安全考慮，上限的確定按照-184.99m為基準，回采上限為：-184.99-25= -209.99m;可多開采多數煤炭資源。

6 結論

本項目研究在充分收集孫疃煤礦礦井及7211工作面地質與水文地質資料的基礎上，通過眾多試驗研究，采用FLAC3D數值模擬和理論分析方法，獲得了以下基本結論：

（1）通過計算機數值模擬計算和計算，7211工作面72煤層開采最大冒落帶高度為13.00m，最大導水裂隙帶高度為40.00m。

（2）7211工作面“四含”q<0.1L/s.m，為弱富水含水層，根據 “三下”規程確定7211工作面采動等級為II級，可按防砂安全煤巖柱設計回采上限。在采動72煤層時，其采厚為3.45m情況下，最終得出防砂煤巖柱垂高為25.00m;因7211工作面在隱伏露頭處無工作面回采經驗，為確保試采安全穩妥進行，本次計算留有較大的安全系數。從導、冒高發育普遍規律以及鄰近礦井導、冒高發育規律看，實現含水層下7211工作面安全開采在條件是可行的。

（3）原7211工作面回采上限為-315m～-250m，通過本項目的研究，提高開采上限到-209.99m，若以-210m為開采上限，可解放72煤層約30萬噸的資源采出量。

參考文獻：

[1]王國才.關于潘謝礦區提高回采上限的初步探討[J].淮南工業學院學報.

[2]國家安全生產監督管理總局，國家煤礦安全監察局.煤礦防治水規定[M].煤炭工業出版社.

[3]國家煤炭工業局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程[S].2000，5（26）.

[4]李佳宇，張子新.FLAC3D快速入門及簡單實例[M].中國建筑工業出版社，2016（11）.

[5]劉瑞新.松散含水層下提高開采上限的研究與實踐[J].煤炭科學技術，2010（11）.

[6]薛禹群，朱學愚.地下水動力學[M].北京（第一版）地質出版社，1979（07）.

[7]鄧雪杰，譚輔清，房蕭.五溝煤礦第四含水層下合理開采上限分析[J].煤炭工程，2012（04）.