承壓開采放頂煤試驗技術研究

劉 陽

（冀中能源股份有限責任公司東龐礦，河北 邢臺 054201）

0 引言

冀中能源股份有限公司的東龐礦北井主采太原組（下組煤）9#煤層，通過多年的探索與實踐，將工作面長度確定為88 m，由于這樣的工作面長度相對較短，導致區段煤柱丟失較多。特別是9209 工作面，受到礦井初設及安全專篇的影響，如果按照原設計的工作面長度進行開采布局，工作面與-300 m 等高線將會余留寬約28 m 左右的一條煤柱，此煤柱厚度給后續帶來一個難題，不加以開采，造成資源的浪費；再次布置工作面，工作面太短不利于回采。因此，針對礦井采掘接替關系應當做好協調管理工作，全面考慮煤炭資源采出效率，根據采礦實際情況，適當增加工作面。此外，在回采工作開展中，工作面長度的增加，很有可能造成底板安全厚度發生變化，導致底板隔水帶臨界水壓增加，對承壓開采工作人員的生命安全將會構成威脅[1]。為此，在本次試驗技術研究中，從承壓開采工作面長度進行具體分析，對底板巖層的影響以及破壞程度進行科學論證。

1 “下三帶”理論底板突水機制分析

在采煤工作開展中，工作面底板存在“三帶”，主要以下幾方面：底板采動破壞帶。該破壞帶主要是指在才采煤的過程中，礦壓壓力發生變化，對底板巖層部位造成嚴重破壞。同時在采煤工作面底板位置的導水性能在發生變化的情況下，底板受到采礦區域壓力影響，對底板造成破壞，其破壞深度記作h1；完整巖層帶。該巖石帶主要是指在采煤的過程中，底板巖層依舊保持完整狀態，巖層厚度則記作h2；承壓水導升帶。該水導升帶主要就是水層中的承壓部位，將含水層頂面部位巖層厚度記作h3。

針對采煤工作面的行進方向，結合采煤工作底板的“下三帶”實際分布情況，制作成剖面圖，如圖1 所示。如圖1 所示，其中每層與底板含水層之間的厚度則是下三帶厚度的總和，其中L 位置則屬于采空區中的控頂距。

圖1 底板“下三帶”劃分示意圖

從底板完整巖層帶中任意取一厚度為dy的單元體，根據圖1 所示，將O 作為坐標系原點，而完整巖層帶橫向位置則在坐標系中作為X，縱向位置在坐標系中作為Y。如圖2 所示。在坐標系中，σx則作為橫向應力，而σy作為垂向應力，τ 則摩擦阻力。

圖2 完整巖層帶單元體受力分析圖

根據相關理論得出，在采煤期間內，底板位置在無任何變化下，巖層帶保持完整狀態，那么垂向應力平衡點Fy數值則為0，即式（1）：

根據Mohr-Coulomb 強度準則，可知式（2）：

式中：c 取值為3.1 MPa，是底板巖石的內聚力；φ 取值為26°，是底板巖石內摩擦角。結合Mohr-Coulomb強度準則，根據采煤巖體破壞的實際情況，對巖層的破壞極限平衡條件進行具體分析，如式（3）所示：

將式（2）和（4）代入（1）式，并整理得式（5）：

解此微分方程，可得式（6）：

在微分方程（6）中，其初始條件則是在y=0 的情況下，那么σy=γh1，其中γ 則是指底板巖石層的容重。將y=0 導入到公示（6）后，則可以得出式（7）：

在公示中，如果y=h2的情況下，與H-h1-h3所得出的最終數值相同時，那么σy=p-γ（H-h3），將該公示導入到式（7）當中，即可通過式（8），計算出底板隔水帶臨界水壓。

在式（8）中，根據最終的計算結果，可以快速判斷出承壓水上采煤的安全性。當采煤工作的中，工作面面底板實際水壓在到處臨時水壓的情況下，那么隔水層將會受到嚴重影響，甚至在高水壓的情況下，引發突水事故。而在實際水壓小于臨時水壓的情況下，那么底板隔水層將會保持完成，也不會發生突水事故。

2 底板安全厚度及臨界水壓計算

東龐礦北井9209 工作面9#煤底板至奧灰頂界面平均厚度37 m 左右，通過鉆探、物探等探測手段，根據奧灰含水層的水頭標高，可計算得到煤層板隔水層實際承受的奧灰水壓為2.05～2.58 MPa。工作面內煤層的最大埋深高390 m，底板巖層平均傾角12°，增加工作面長度最大至96 m，底板巖層平均凝聚力取3.1 MPa，內摩擦角取26°。

2.1 底板導水破壞帶深度（h1）的計算

根據相關建筑規程，在采煤壓力的影響下，底板在受到破壞時，破壞深度計算則如式（9）所示：

式中：H 為工作面內的煤層埋藏深度，m；α 為煤層傾角，（°）；L 為壁式工作面的斜長，m。

考慮到工作面周邊的斷層及相鄰的9207 工作面采空區情況，采動導水破壞帶深度需在計算值的基礎上，考慮1.5 倍的安全系數，所以底板導水破壞帶深度為：h1=1.5×（0.008 5H+0.166 5α+0.107 9L-4.357 9）=17.97 m。

以上計算結果表明，9209 工作面開采后將在底板巖層內形成17.97 m 深的采動破壞帶。

2.2 有效隔水帶（h2）的計算

同樣根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》附錄中給出的經驗公式[2]，采用薄板理論計算隔水帶厚度的式（10）為：

式中：h2為底板隔水帶厚度，m；h1為底板采動破壞深度，m；P 為作用于該區底部的水壓，按最大值取2.58 MPa；St為底板巖體的抗拉強度，一般取巖石抗拉強度的0.15 倍，MPa；γ 為底板巖石的平均容重，kN/m3。

式中：L 為壁式工作面的斜長，m；Ly為老頂初次來壓步距（此處參照9207 工作面的初次來壓步距取32 m）。

當水壓為2.58 MPa 時，需要的有效隔水帶的臨界厚度為：

也即，東龐北井9209 工作面具體的煤層賦存條件和開采技術條件下，若工作面長度增加到96m 時，按“下三帶”理論要求的有效（完整）隔水層厚度至少要達到13.64 m，才能確保安全。

2.3 承壓水導升帶高度（h3）的計算確定

“下三帶”理論認為，工作面煤層底板至下覆的承壓含水層間，除有底板采動破壞帶和完整巖層帶以外，還有一部分為承壓水導高帶[3]。根據文獻《底板突水機制及預測預報》（中國礦業大學出版社）和《巖體力學》（中國地質大學出版社）中提供的計算方法，以9209 工作面的基本條件為計算基出，可以計算得出承壓水的導升高度h3。

9209 工作面平均采高6.2 m（含放煤高度），煤層平均傾角12°，煤層最大埋藏深度390 m，工作面長度96 m，下覆奧灰含水層水壓最高達2.58 MPa，此時，按經驗公式，承壓水導升高度為式（12）所示：

在公示（12）中，B 代表了采礦工作面長度，K 則取值83.6，作為裂縫粗糙程度，R 則作為靜水壓力粗糙度，計算公式如式（13）所示：

式中：D 數值可以取1-2 區間中的任意數值，將其作為分形維數，h 則作為結構面平均起伏差，L 則作為結構面基線長度。

當工作面長度增加到B=125 m，D=1.5，R=57 時，由式（12）求得：x=9.5 m。

最終得出影響承壓水導升帶的因素相對較多，其中包含了底板隔水層與工作面斜長[4]。

2.4 底板安全厚度校核

基于“下三帶”理論和“三帶”厚度的理論計算結果，可以對9209 工作面底板厚度進行校核，討論面長增加到96 時是否能夠保證安全生產。

按“下三帶”理論要求的底板安全臨界厚度：

從上面的計算結果可以看出，9209 工作面9#煤底板至奧灰頂界面的實際平均厚度為37 m，小于把面長增加到96 m 時所要求的底板隔水層臨界安全厚度，也即，僅注漿加固本灰，不能滿足安全生產的要求，需要對奧灰含水層頂部的“風化殼”進行注漿，將部分奧灰頂部含水層改造成相對隔水層后，方可滿足安全回采所要求的底板隔水層厚度[5]。

2.5 底板隔水帶破壞的臨界水壓力

結合上面的理論分析結果，除校核底板隔水層厚度是否滿足面長增加的需要外，還需按式（8）的判別標準，從臨界水壓的角度討論96 m 長的9209 工作面帶壓開采是否安全。若實際水壓在超出臨時水壓的情況下，底板隔水層被破壞的概率則會增加，造成突水事故的可能性也會增加[6]。當實際水壓在小于臨時水壓的情況下，底板隔水層則不會受到采煤工作面增長影響，可以保障采煤安全。引起9209 工作面底板隔水層破壞帶的臨界水壓按式（8）計算可得：

由于底板奧灰承壓水的最大值為2.58 MPa，遠小于上面計算得出的臨界水壓，也即，從水壓角度上看，對本灰注漿加固，改造其為相對隔水層后，整個底板隔水層可以承受底部奧灰含水層的水壓。

3 結論

9209 工作面煤層底板的巖層結構與組成，需要在采煤的過程中，落實好注漿加固工作，結合本文研究的底板巖層“下三帶”理論，及時明確采煤底板的安全厚度，控制好采煤過程中底板隔水帶臨界水壓力，并9209 工作面增煤層底板工作面加長的最大限值進行分析，保障每層底板工作面的工作安全性。根據隔水層的實際厚度與臨界水壓結果，及時做好注漿改造工作，從而延長采煤工作面，延長長度達到96 m。