薄基巖厚沖積層大采高工作面防砂防水煤巖柱留設實踐

韓久方

（河南能源化工集團，河南 新鄉 453600）

0 引 言

隨著國民經濟的迅速發展，中東部礦區煤炭資源趨近枯竭，許多礦井進入了轉型發展階段，挽救國家煤炭資源，開發中東部地區山東、安徽、河北、河南等省薄基巖特厚松散層覆蓋下的煤炭資源，可以有效緩解中東部地區煤炭供應緊張的局面，對國民經濟平穩運行具有積極作用。但是在薄基巖特厚松散層覆蓋下的生產礦井開始面臨突水潰砂風險，事故時有發生。為此許多專家學者在開采環境不利條件下，為盡可能減少煤炭資源損失開展了研究。楊達明[1]實測及模擬了厚松散層軟弱覆巖下綜放開采導水裂隙帶發育高度；楊洋[2]對淮南巨厚松散層含水層下提高回采上限進行了探討；張安斌[3]對巨厚松散層下導水裂隙帶高度預測試驗探究。以上研究均未在薄基巖厚松散層條件下對于防砂防水煤柱進行合理留設，為此需深入開展大埋深、高應力、薄基巖突水威脅條件下“兩帶”研究，參考張永剛[4-5]煤柱留設類型轉變研究、李江華[6]水壓作用下防砂安全煤（巖）柱失穩突水潰砂機理研究，對于降低煤巖柱高度，最大限度回收煤炭資源，預防頂底板突水事故發生，實現安全高效生產有著一定意義。

趙固二礦井田屬于焦作煤田，井田煤層頂板基巖薄，上部被第四系、新近系巨厚松散層覆蓋，松散層厚度一般為360～ 808 m，基巖厚度薄，埋深大，井田淺部大部分區域基巖厚度小于50 m，采厚為3.5～ 6.5 m。井田地質構造復雜、斷層較多，頂底板含水層通過斷層和隱伏露頭具有較好的連通性。趙固二礦井田煤層上覆松散層厚度大、富水性強、承壓水壓力大，同時其基巖薄、底板隔水層薄，為保證趙固二礦的安全回采工作，需深入研究其“兩帶”發育情況，以及在保證安全回采的前提下提高開采上限，合理論證煤（巖）柱的留設工作。

1 工程背景

趙固二礦11030 工作面位于井田I 盤區中上部，該工作面平均走向長度約2 000 m，平均傾斜長度為161 m，主采二1 煤，厚度5.92～ 6.43 m，平均6.15 m，煤層傾角約為2°，煤層埋深約743 m，其中基巖厚度13～65 m 不等，其余為特厚松散層，屬于中東部地區典型的特厚松散層薄基巖煤層。二1 煤煤質變化較小，層位穩定，中下部含夾矸0～3 層，夾矸厚度0.01～0.03 m，夾矸多為黑色炭質泥巖。煤層結構較簡單，煤質變化小，屬穩定型厚煤層。工作面頂底板巖性見表1。

表1 111030 工作面頂底板巖性Table 1 Lithology of roof and floor in No.111030 Face

2 11030 工作面導水裂隙帶發育高度數值模擬與計算

2.1 模型的建立

此次模擬以趙固二礦11030 工作面為工程背景，基巖段各巖體物理力學參數見表2。

表2 基巖段各巖體物理力學參數Table 2 Physical and mechanical parameters of each rock mass in bedrock section

模擬以勘08 孔揭露地層結構建立模型，通過鉆孔資料中各巖層的厚度以及各巖體物理力學參數，構造出數值模擬模型，煤層厚度為6.20 m，底板厚度為80 m，模擬過程中為便于分析取傾向0，傾角90°。數值模擬模型參數見表3。

表3 模型參數Table 3 Model parameters

計算模型的邊界條件確定如下：

（1）模型前后和左右邊界施加水平約束，即邊界水平位移為零。

（2）模型底部邊界固定，即底部邊界水平、垂直位移均為零。

（3）模型頂部為自由邊界，模型如圖1 所示。

圖1 模型示意Fig.1 Schematic diagram of the model

（4）巖體判別準則。模擬中巖體采用理想彈塑性本構模型，即莫爾－庫侖屈服準則描述。

式中：σ1為最大主應力；σ3為最小主應力；C 為粘聚力；φ為摩擦角。

當滿足式（1）時巖體破壞，此外當拉應力超過巖體單軸抗拉強度時，材料發生拉破壞。

2.2 方案確定

該模型共劃分為14 個地層，共有143 841 個單元，145 376 個節點，模擬煤層開采區域寬為160 m、長為300 m，開采煤層為二1 煤層，模擬方案分為兩種：限厚開采3.10 m；一次采全高6.20 m。

模擬方案充分考慮了二1 煤層，限厚開采與一次采全高的不同情況，找到其影響的結果，為大埋深、高應力、薄基巖具有突水危險煤層的安全回采工作提供一定的科學依據。

為保證模擬實驗的準確性，模型與工作面垂直走向邊界留有220 m 寬的煤柱，與工作面平行傾向邊界留有200 m 寬的煤柱，以減少模型運算過程中產生的邊界效應。模擬計算分步進行，每次計算推進長度為5 m，共計推進60 次。

根據FLAC3D 運算的結果，結合李全生[7]基于Hoek_Brown 準則的薄基巖厚松散層覆巖變形破壞特征研究對其位移場、應力場、塑性區進行分析對比得出結果。

2.3 覆巖破壞特征模擬結果及分析

（1）上覆巖層位移場分布特征。

煤層的采出對頂板產生巨大擾動，在重力作用以及各煤層間的相互疊加影響下下沉以至垮落，通過模擬豎向位移的變化可以了解上覆巖層在煤層采出后豎直方向的運動狀況及離層情況等。圖2、圖3 分別為一次采全高回采二1 煤層與限厚開采二1煤從煤層底板直至地表的覆巖垂直位移變化情況。

圖2 二1 煤層一次采全高模型豎向位移等值線圖Fig.2 The contour map of vertical displacement with full-height mining of second1 coal seam

圖3 二1 煤層限厚開采模型豎向位移等值線圖Fig.3 The contour map of vertical displacement with thickness-limiting mining of second1 coal seam

從以上豎向位移等值線圖中可以看出，一次采全高回采后其頂板下沉量比限厚開采的頂板下沉量大，前者頂板下沉量已超過后者2 倍，說明煤層采出越多其頂板下沉越大，對于覆巖破壞移動影響也就越大。

（2）煤層采出后鉛垂應力場分布特征。

煤層開采引起的覆巖破壞、移動過程也是地下應力場重新分布的過程[8]。煤層采出后，工作面的兩幫、頂底板將形成自由空間，原來的應力平衡狀態受到擾動重新分布。隨著工作面不斷推進，圍巖一直處在失穩-平衡不斷交替變化的過程。圖4、圖5 分別為一次采全高回采二1 煤層與限厚開采二1 煤其采空區周圍應力場情況。

圖4 二1 煤層一次采全高模型鉛垂應力等值線圖Fig.4 The vertical stress contour map with full-height mining of second1 coal seam

圖5 二1 煤層限厚開采模型鉛垂應力等值線圖Fig.5 The vertical stress contour map with thicknesslimiting mining of second1 coal seam

從工作面開采后，頂板在水平方向與垂直方向上都經歷了動態變化的過程。水平方向上，隨著工作面的推進，工作面后方采空區的頂板經歷了垮落、壓實，到逐漸穩定；垂直方向上，頂板依次分布著垮落帶、裂縫帶，開采結束后，“兩帶”發育高度趨于穩定。在采空區的兩端部形成了剪切滑移區，即形成頂板斷裂線，由于上覆巖層的重力作用，在端部的實體煤中形成了應力升高區，成為影響區段煤柱穩定性的主要因素。

（3）煤層開采引起的上覆巖層塑性區的破壞情況。

數值模擬計算將根據拉伸破壞區和剪切破壞區發育高度的上限值來分別確定垮落帶和導水裂隙帶的高度。圖6、圖7 為分別模擬一次采全高開采二1 煤與限厚開采二1 煤覆巖塑性區破壞模擬結果。

圖6 二1 煤層一次采全高模型塑性區破壞模擬結果Fig.6 Plastic zone failure modeling results with fullheight mining of second1 coal seam

圖7 二1 煤層限厚開采模型塑性區破壞模擬結果Fig.7 Plastic zone failure modeling results with thicknesslimiting mining of second1 coal seam

可以看出一次采全高回采二1 煤產生的垮落帶高度為23 m，裂隙帶高度為56 m，其底板破壞深度達到了31 m；限厚開采二1 煤產生的垮落帶高度為15 m，裂隙帶高度為38 m，底板破壞深度8.2 m。一次采全高后其塑性區的破壞范圍比較大，不僅其兩帶發育高度比限厚開采的兩帶高度要高，而且其底板破壞深度也比較深。對于底板奧灰水的突水防治不利，但亦可以通過降低采高，采用限厚開采來對底板奧灰水進行防治。

按照模擬的覆巖豎向位移等值線圖和塑性區中敘述的關于垮落帶和裂隙帶破壞特征和判斷依據，綜合分析得到11030 工作面一次采全高回采時的導水裂隙帶高度和垮落帶高度及限厚開采時垮落帶和裂隙帶高度，見表4。

表4 數值模擬在不同回采條件下覆巖破壞高度Table 4 Overburden failure height under different mining conditions of numerical simulation

分析實驗結果可以看出，數值模擬得出的“兩帶”高度結果與實際生產過程中監測分析比較接近，但由于模擬軟件的局限性，其模擬狀態與實際生產過程中的破壞發展形態會有些許差別，但模擬實驗的結果對于驗證垮落帶和導水裂隙帶發育形態、研究覆巖破壞規律具有重要的參考價值。

2.4 覆巖“兩帶”高度經驗公式

《三下采煤規范》（2017）版中并未明確給出大于3 m 一次采全高的“兩帶”經驗公式，依據其厚煤層分層開采所計算的垮落帶與裂隙帶與實際一次采全高生產過程所形成的“兩帶”有所出入，在此開采條件下《三下采煤規范》的經驗公式顯然不再適用。參考文獻根據大量的現場生產實測數據所總結的大采高一次采全高“兩帶”公式更為準確，分別計算二1 煤一次采全高與限厚開采工作面垮落帶、導水裂隙帶最大高度。

一次采全高回采二1 煤垮落帶：

導水裂縫帶：

限厚開采二1煤垮落帶：

導水裂縫帶：

經過計算，根據“兩帶”高度經驗公式計算結果與根據鄰近趙固一礦實測獲得的導水裂縫帶高度接近，經驗公式垮落帶高度較高。為保證安全開采，取導水裂縫帶高度92.80 m、垮落帶33.73 m作為趙固二礦11030 工作面一次采全高的“兩帶”發育高度值。

3 11030 工作面安全煤巖柱留設

3.1 煤柱的合理留設

依據“兩帶”高度的模擬、計算結果，結合11030 工作面頂板基巖實際探測厚度變化情況，煤柱的留設工作如下。

（1）根據工作面施工的11030 工作面頂板孔資料顯示，上20-2 頂、上21-1 頂、上21-2 頂、下21-1 頂和下21-3 頂5 個孔基巖厚度在38.3～42 m 區域，因此11030 工作面在回采到上順槽通尺2 054 m 和下順槽2 065 m 之前，開采頂層4 m。

（2）根據工作面施工的11030 工作面頂板孔資料顯示，上順槽18～20 號鉆場和下順槽19～20號鉆場10 個孔基巖厚度在42～52 m 區域，因此11030 工作面在回采到上順槽通尺1 873.5 m 和下順槽1 843.5 m 之前，采用大采高5 m 開采。

（3）根據工作面施工的11030 工作面頂板孔資料顯示，上順槽16～17 號鉆場和下順槽16～18號鉆場10 個孔基巖厚度大于52 m，因此11030 工作面在回采到上順槽通尺1 873.5 m 和下順槽1 843.5 m 之后，采用大采高6.3 m 一次采全高。

3.2 工作面煤巖柱安全性評價

井下探測孔探測表明工作面區域新近系底部為厚度大于5 m 粘土層，且工作面區域上方新近系底部礫石含水層極少分布，頂板疏放鉆孔涌水量小于15 m3/h，底礫富水性弱，留設防砂安全煤巖柱。

煤層上部覆巖以泥類巖為主，并且受風化影響。根據開采保護層最小安全厚度法，保護層厚度選2.8M=17.25 m，M 為采出總厚度。

根據防砂安全煤巖柱垂高（Hs）應大于或等于垮落帶最大高度Hm加上保護層厚度Hb計算：

11030 工作面基巖最小厚度38.3 m 左右，按防砂安全煤巖柱，工作面部分區段不符合大采高一次采全高條件，部分回采段需按照分層開采進行。

11030 一次采全高工作面從2014 年3 月開始回采至回采結束，通過該方法留設防砂煤巖柱后，回采期間工作面總涌水量5～15 m3/h 左右，未發生過突水、漏砂事故，解放安全煤量300 余萬噸。

因此，薄基巖厚沖積層大采高條件下防水防砂煤巖柱留設方法為受同類條件制約礦井提供借鑒。

4 結 論

（1）對比分析數值模擬結果，選取模擬數據垮采比3.70，裂采比9.10，預計趙固二礦薄基巖區覆巖破壞“兩帶”高度，并與大采高一次采全高“兩帶”高度經驗公式計算進行比較，選取較大值作為“兩帶”高度值。

（2）根據模擬與計算的“兩帶”高度結合現場實測情況，最終確定“兩帶”的發育值，采用合理的方法選取保護層的厚度，最終確定了防砂隔水安全煤柱的高度。

（3）通過對安全煤（巖）柱的分析研究，得出基巖較薄的區域可實現只采上分層，解放出大量的淺部煤炭資源；基巖較厚的區域可變分層開采為大采高一次采全高，使得開采強度增加，降低回采成本，提高了采出率，保障礦井實現高產高效安全回采。