煤層覆巖開(kāi)采變形破壞規(guī)律及防砂煤柱留設(shè)綜合分析

李文慧

（河北工程大學(xué) 河北 邯鄲 056038）

某煤礦覆巖勘探與設(shè)計(jì)采礦時(shí)，為保證安全，在全部留下了40～60m防砂煤柱后，出現(xiàn)了14Mt呆滯煤礦，長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有得到及時(shí)開(kāi)發(fā)使用，極大限制著礦井開(kāi)采。伴隨礦井進(jìn)到后續(xù)開(kāi)采，處理煤層開(kāi)采遇到的潰砂現(xiàn)象，科學(xué)留裝防砂煤柱，是礦井遇到的首要技術(shù)挑戰(zhàn)。

本文結(jié)合該煤礦基巖風(fēng)化帶性質(zhì)，在研究64采區(qū)地質(zhì)環(huán)境的前提下，采取經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)量、相似仿真與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相統(tǒng)一的辦法，探究了煤層開(kāi)采形成覆巖層破壞規(guī)律和特點(diǎn)，順利留裝了防砂煤柱，為相似環(huán)境下煤礦防砂煤柱留裝提供借鑒依據(jù)。

1 采礦地質(zhì)環(huán)境

某煤層64采區(qū)覆巖厚度是18～50.8m，新生界疏松覆巖層平均厚度是140m，開(kāi)采已接近淺層基巖風(fēng)化帶，64采區(qū)淺層包含6415作業(yè)面，該面為提升上限試采作業(yè)面，與基巖風(fēng)化帶間隔最短的地方是25m。主采6#煤層傾角為5°～15°，均厚是2.86m，賦存整體比較穩(wěn)固。

2 破壞規(guī)律

開(kāi)采區(qū)煤層覆巖強(qiáng)風(fēng)化深度是7.57～18.4m，其中，泥巖與粉砂性泥巖、泥質(zhì)粉砂巖大概占80%，細(xì)砂和中砂巖只占10%～20%，且表現(xiàn)為薄層狀?yuàn)A于泥質(zhì)巖石當(dāng)中。經(jīng)補(bǔ)勘和“兩帶”發(fā)育高程測(cè)量孔檢測(cè)，6 煤頂板內(nèi)的中細(xì)砂巖與粉砂巖大都是泥質(zhì)膠結(jié)，而黏土礦物內(nèi)高嶺石與伊利石大概占1/2，受到風(fēng)化特別是較強(qiáng)風(fēng)化后，長(zhǎng)石物質(zhì)大都高嶺土化，它的黏土礦物受到水侵蝕后膨脹率超過(guò)一半。基巖風(fēng)化帶在開(kāi)采環(huán)節(jié)將明顯下降其防壓強(qiáng)度，塑性與防變形損壞性能都會(huì)增強(qiáng)，可以有效制約開(kāi)采造成的冒落裂紋帶朝上擴(kuò)散，且削減其儲(chǔ)導(dǎo)水水平。

而且按照該煤礦近幾年在臨近61采區(qū)6122-6125作業(yè)面提升上限采礦實(shí)踐與64 采區(qū)已采作業(yè)面頂部基巖風(fēng)化帶的檢測(cè)信息，受到強(qiáng)風(fēng)化基巖段存在制約頂部水垂直深入與制約底部開(kāi)采裂紋朝上擴(kuò)散的作用，可以更好防護(hù)淺層煤礦采動(dòng)免受疏松層下方含水層的影響。所以，安全采動(dòng)64 區(qū)域淺層煤礦，僅需留裝高度合格的防砂煤柱。

2.1 開(kāi)采厚度和采空區(qū)的干擾

煤層采動(dòng)后所出現(xiàn)的采空區(qū)屬于覆巖變形破壞的根源，還是科學(xué)留設(shè)防砂煤柱的一項(xiàng)關(guān)鍵干擾因素。采煤厚度是體現(xiàn)采空區(qū)情況的核心因素。所以，開(kāi)采厚度是管理近水平、緩傾斜與傾斜煤層采動(dòng)的覆巖變形開(kāi)裂的主導(dǎo)要素［1］。通常，煤層頂?shù)装鍘r性一樣的狀態(tài)下，所開(kāi)采厚度越大，覆巖損壞的可能性與范圍越大。采空區(qū)引起覆巖變形開(kāi)裂存在一定條件，采空區(qū)唯有在覆巖不能被破壞狀態(tài)起到作用，當(dāng)采空區(qū)滿足破壞覆巖要求時(shí)，開(kāi)采區(qū)就基本沒(méi)有作用了。該煤礦6 煤層是緩傾斜煤礦，采礦方法選擇的是單個(gè)長(zhǎng)壁整體跨落采煤法，其頂板覆巖硬度適中，經(jīng)試驗(yàn)與測(cè)試，通常在作業(yè)面放頂后面冒落巖石堆至頂?shù)奈恢茫涿奥鋷Ц叱虨樽畲笾担藭r(shí)，采空區(qū)從煤壁至冒落巖石堆至頂處的方向長(zhǎng)度通常是5～15m。導(dǎo)水裂縫帶高程最大值就在通過(guò)回采作業(yè)面首次放頂、老頂周期來(lái)壓和地面產(chǎn)生最大沉降速度階段出現(xiàn)，這時(shí)采空區(qū)方向長(zhǎng)度是20～60m。

2.2 煤層開(kāi)采方式和頂板控制技術(shù)的干擾

頂板控制技術(shù)是管控覆巖變化開(kāi)裂最大值的一個(gè)關(guān)鍵因素，還是煤礦開(kāi)采期間出現(xiàn)頂板滲漏問(wèn)題的一個(gè)主要因素。煤礦開(kāi)采期間常用的頂板控制技術(shù)包括全部垮落方式、全部充填方式、煤柱支護(hù)方式［2］。當(dāng)前，該煤礦廣泛采取全部垮落方式控制頂板，這種頂板控制方式對(duì)覆巖變形損害最大，覆巖一般表現(xiàn)出“三帶”特點(diǎn)，煤層開(kāi)采辦法既導(dǎo)致采空區(qū)形態(tài)不同，還導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)冒落的煤與覆巖巖塊活動(dòng)方式不一樣。該煤礦采動(dòng)的6 煤層是緩傾斜煤層，選擇的是全部垮落方式，因此，一般不會(huì)造成采空區(qū)中冒落巖塊活動(dòng)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀察與冒落帶檢測(cè)，覆巖變形開(kāi)裂是具備“三帶”特點(diǎn)的平衡破壞，只需科學(xué)留裝防護(hù)煤樁，在水體與流砂層底開(kāi)采煤層較為安全。

2.3 覆巖特性和巖層構(gòu)造的干擾

覆巖變形開(kāi)裂程度和煤層上方覆巖的特性及巖層構(gòu)造特點(diǎn)存在緊密聯(lián)系，如碎脹度、應(yīng)變與強(qiáng)度、巖石構(gòu)成、巖石顆粒構(gòu)造、巖石膠結(jié)特性等。剛性、脆性巖極易開(kāi)裂，塑性、韌性巖則很難開(kāi)裂，剛塑結(jié)合、薄厚結(jié)合的巖層則防滲與防裂性能良好，不同力學(xué)構(gòu)造種類的頂板覆巖，其破壞特點(diǎn)不一樣。

2.4 開(kāi)采區(qū)賦存狀態(tài)和地質(zhì)環(huán)境的干擾

開(kāi)采區(qū)的賦存狀態(tài)一般指煤層傾角，產(chǎn)生的影響也非常大。煤層傾角存在差異，覆巖變形損壞發(fā)展環(huán)節(jié)、破壞性干擾的布局狀態(tài)與最大破壞高程等具體特點(diǎn)均會(huì)出現(xiàn)明顯改變。

斷層、褶曲等地質(zhì)條件對(duì)覆巖變形開(kāi)裂的干擾是非常繁瑣的。斷層自身的滲透性通過(guò)斷層特性、斷層帶中的充填物膠結(jié)狀況和斷層周圍巖層的裂縫發(fā)展情況決定。

2.5 開(kāi)采進(jìn)度造成的干擾

穩(wěn)定的采煤地質(zhì)環(huán)境下，采取長(zhǎng)壁型全部垮落方式，采取的頂?shù)装鍘r層、采動(dòng)的煤層、采空區(qū)中構(gòu)造都受到破壞，巖體應(yīng)力變動(dòng)、總體性活動(dòng)與冒落性破壞情況均包含發(fā)生、發(fā)展與穩(wěn)固的時(shí)間過(guò)程改變。導(dǎo)水裂縫帶高程發(fā)展的時(shí)間流程包含兩點(diǎn)：導(dǎo)水裂縫帶為最大值之前與之后［3］。導(dǎo)水裂縫帶為最大值之前，縫高的擴(kuò)散是隨著回采時(shí)長(zhǎng)的增加而增加的。巖層硬度不一的覆巖導(dǎo)水裂縫帶為最大值所要時(shí)間有所差別，通常緩傾斜、中傾斜巖層、中硬度覆巖導(dǎo)水裂縫帶為最大值所要時(shí)間要多一點(diǎn)；基巖風(fēng)氧化帶弱化覆巖導(dǎo)水裂縫帶為最大值則時(shí)間少一點(diǎn)，如按照現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，其所要時(shí)間通常是10～20d。導(dǎo)水裂縫帶為最大值之后，高度發(fā)展比較穩(wěn)定，伴隨開(kāi)采的不斷推進(jìn)，導(dǎo)水裂縫帶高度不斷下降，該煤礦導(dǎo)水裂縫帶下降的幅度由覆巖巖性與力學(xué)強(qiáng)度等一系列因素所決定。

3 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)量防砂煤柱高程

結(jié)合64開(kāi)采地方上覆巖層特點(diǎn)，按照風(fēng)化帶巖石強(qiáng)度，還有《構(gòu)筑物、水體、鐵路與重要井巷煤柱留設(shè)和壓煤采煤規(guī)程》經(jīng)驗(yàn)式子，根據(jù)軟弱覆巖規(guī)劃防砂煤柱：

式中：Hs表示防砂煤柱高程（m）；Hm表示跨落帶高程（m）；Hb表示防護(hù)層高程（m）；M表示煤厚，2.86m。

計(jì)量獲得跨落帶高程是4.25～7.25m，防護(hù)層厚度是5.8m，Hs在9.95～12.95m的范圍內(nèi)。

4 覆巖破壞相似仿真討論

4.1 相似仿真測(cè)試方案

結(jié)合相似仿真理論與6415 作業(yè)面實(shí)際待采動(dòng)的區(qū)域、底頂板巖層特性與結(jié)構(gòu)，明確模型幾何相似比為1∶100，密度相似比為1∶1.7，模型的長(zhǎng)寬高是2.6m×0.3m×0.5m，每個(gè)巖層物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1所示。

表1 模型每個(gè)巖層物理力學(xué)指標(biāo)

模型結(jié)構(gòu)表面設(shè)計(jì)寄存5cm×5cm 的正方形網(wǎng)格，由左到右設(shè)置縱向測(cè)試線50條，由上到下設(shè)置橫向測(cè)試線15條，其交叉點(diǎn)是測(cè)試點(diǎn)［4］。基巖頂部疏松砂層根據(jù)重力比直接加于模型頂部，兩邊用鋼板制約。開(kāi)采時(shí)，根據(jù)時(shí)間比順走向每隔0.06m挖掘一步，開(kāi)切口一端頭安設(shè)0.5m煤柱，停采線一邊安設(shè)0.36m煤柱，開(kāi)采長(zhǎng)度1.76m。

4.2 相似仿真結(jié)果

模型挖掘到50m時(shí)，直接頂?shù)谝淮慰迓洌涓叨葹?.5m；挖掘到65m 時(shí)，直接頂再次垮落，隨后基本頂核心層和覆巖間產(chǎn)生順層裂縫；開(kāi)采至70m時(shí)，基本頂?shù)追謱訑嚅_(kāi)，出現(xiàn)第一次來(lái)壓，垮落高程大概是8m，垮落長(zhǎng)度45m，而且，基本頂頂部產(chǎn)生橫向裂縫；開(kāi)采至80m時(shí)，基本頂首次周期來(lái)壓，且出現(xiàn)較穩(wěn)固的鉸接構(gòu)造，基巖裂縫貫穿到疏松層下方，垮落帶高程高達(dá)9m；到170m時(shí)，開(kāi)挖結(jié)束，又出現(xiàn)了一次周期來(lái)壓，開(kāi)采區(qū)中部裂縫已經(jīng)基本被碾壓密閉，垮落帶高程約9m，無(wú)明顯增大。

相似仿真結(jié)果表示，煤層覆巖采動(dòng)環(huán)節(jié)，會(huì)令覆巖層出現(xiàn)順層裂紋，且在第一次來(lái)壓到初次周期來(lái)壓階段，快速發(fā)育到風(fēng)化帶下方［5］。覆巖活動(dòng)和裂縫發(fā)育一般受基本頂核心層制約，隨著作業(yè)面的推進(jìn)，覆巖將出現(xiàn)整體沉降。作業(yè)面后方大概1～2個(gè)周期來(lái)壓間距之后，覆巖裂縫被慢慢壓實(shí)密閉，跨落帶高程基本維持在9m 左右，考慮必要的安全指標(biāo)，防砂煤柱高程要≥13.6m。

5 覆巖破壞測(cè)試分析

5.1 窺視孔分布方案

采取窺視孔測(cè)試法，對(duì)作業(yè)面和巷道覆巖離層與受開(kāi)采影響展開(kāi)工程測(cè)試。作業(yè)面進(jìn)入到中部時(shí)，于作業(yè)面巷道中、作業(yè)面內(nèi)和軌道上山內(nèi)各分布鉆孔測(cè)試站：1#窺視孔，處在上巷進(jìn)口；2#窺視孔，處在作業(yè)面上端部之下10m；3#窺視孔，處在作業(yè)面上端部。3 個(gè)測(cè)孔都垂直頂板巖層表面鉆孔，深度為15m。

5.2 測(cè)試結(jié)果與分析

3個(gè)測(cè)站窺視記載結(jié)果如圖1所示，覆巖破壞窺視圖如圖2所示。

圖1 窺視眼分布方案

圖2 測(cè)站窺視測(cè)試結(jié)果

由圖1得知，1#窺視孔測(cè)試表明，巷道松動(dòng)圈大概是1.6～2.7m，塑性圈范圍大概是3～5.3m，6m之上風(fēng)化，屬于黏土特性。2#窺視孔測(cè)試顯示，作業(yè)面上端部，0.5～7.6m 的粉砂巖總體維持良好的完善性，存在一定風(fēng)化，于3.5m 地方出現(xiàn)薄泥巖夾層，造成部分地方較碎化，沒(méi)有形成縱向裂縫，表示在端頭基本頂處在兩個(gè)周期來(lái)壓之中還沒(méi)有開(kāi)裂。3#窺視孔測(cè)試表明，作業(yè)面中間，0.5～6.5m的粉砂巖總體保持良好的完整性，存在一定風(fēng)化，于3m、4m與5m地方存在薄泥巖夾層，造成部分地方較碎化［6］，8～9.5m 存在縱向裂縫，10m 較硬，于煤壁上方開(kāi)裂，引起縱向裂縫。由此得知，在作業(yè)面上端部有弧三角板構(gòu)造，基本頂處在8013m層位，冒落帶高程大概是6～8m，作業(yè)面頂部13m左右的巖層齊全沒(méi)有破壞，考量必要的安全高度，留裝防砂煤柱高度要大于14m。

6 結(jié)論

（1）對(duì)該煤礦64區(qū)域疏松層下方基巖風(fēng)化帶的研究與臨近61 區(qū)域6122～6125 作業(yè)面的開(kāi)采實(shí)踐顯示，64 區(qū)域上方強(qiáng)風(fēng)化基巖段有著制約頂部水垂直滲透與制約下方開(kāi)采裂縫朝上擴(kuò)散的作用，更好維護(hù)煤層采動(dòng)免受疏松層下方含水層的影響。

（2）經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)量獲得防砂煤柱高程是9.95～12.95m。相似仿真表明，薄基巖煤層采動(dòng)環(huán)節(jié)，跨落帶高程一直維持在9m左右，防砂煤柱高程≧13.6m。按照鉆孔窺視結(jié)論，基本頂處在8～13 煤層段，冒落帶高程大概是6～8m，防砂煤柱高程≥14m。

（3）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)量、相似仿真與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)信息，最后把40～60m的安全煤柱換成15m的防砂煤柱，能解放約9.5Mt數(shù)量的壓煤量，增加礦井服務(wù)時(shí)間8～10a。