浅部厚煤层开采上限确定关键技术研究

陈军涛，孙洪华，蔡 辉

（1．山东科技大学 矿山灾害预防控制教育部重点实验室，山东 青岛266510；2．蔡园生建煤矿，山东 济宁277606；3．星村煤矿，山东 济宁272100）

济宁市蔡园生建煤矿3上煤层下距3下煤层0．60 （S1）～11．45m （B2），平均3．82m。直接顶板多为泥岩、碳质泥岩及砂泥岩互层。底板多为泥岩、碳质泥岩。煤层全层厚度3．00～5．80m（I42），平均4．47m，偶含一层碳质泥岩夹石，煤层结构简单。

3下煤层平均38．11m。顶板多为泥岩、碳质泥岩。底板主要为泥岩。煤层全层厚度1．25（B1）～4．98m （I58），平均3．83m，偶含一层泥岩、碳质泥岩夹石，煤层结构简单。

1 四采区北部第四系高密度电阻率层析成像（CT）探测

1.1 高密度电阻率层析成象探测技术

高密度电阻率层析成像测量，对于测构造、空区和含水层等是物探中较先进有效的方法之一［1］。

第四系松散层中，高阻部分为含水砂砾层，低阻部分为隔水黏土层，下覆基岩由于胶结程度好，电阻率比第四系地层高。

第四系地层底界面深度在90～105m之间变化，全区相对稳定，未见局部增厚现象。第四系底界面起伏变化较小，与钻探控制深度及变化相一致。

第四系地层上部为高阻的含水层，中下部为低阻的隔水层。

第四系上部含水层厚度42．7～30．0m。

2 蔡园煤矿 “两带”高度现场实测

为了安全回收处于开采上限区域的部分煤炭资源，最大限度的提高煤炭回收率，蔡园煤矿在3下煤已开采区域开展了井下观测工作。

2.1 探测孔布置

钻孔的相关数据为：钻孔倾角：75°；钻孔方位：钻孔为236°；钻孔布置：钻孔以略偏离竖直方向与其呈75°倾角为宜；钻孔深度：1＃钻孔斜长55m。两带观测孔布孔如图1所示。

图1 “两带”观测钻孔布置图

2.2 图像的采集与储存

随着探头的升降，在图像接受器上可清楚直观地获得整个钻孔围岩采动影响图像信息。图像采集时，应分几步进行：第一步，先升降图像探头沿整个钻孔往返1～2次，从宏观上获得整个钻孔围岩情况；第二步，分析整个钻孔资料信息，对发生采动影响的突出部位进行定位采集图像；第三步，将获得大量图像信息进行归纳汇总存档，注明每幅图像采集时间、地点、层位等等，为后续分析对比保留可靠的基础依据；第四步，也是最后一步，分析、对比采集图像，然后确定 “两带”高度分布范围。

2.3 探测成果分析

实测垮落带高度。在获取的录象资料中，通过对比分析以及实测折算，确定3煤开采后的垮落带高度为7．1～10m，与理论计算确定的8．5～11．5m，基本一致，符合我国同类岩性矿井的大量统计结果。图2～图5所示为换算成垂直高度后“两带”观测成果图。

图2 距煤层4m处

图3 距煤层9.4m处

图4 距煤层17.9m处

图5 距煤层21.5m处

从以上资料分析，煤层开采后其垮落带高度大体在29．2m左右。从现场观测情况结合计算，可以确定3煤层开采以后其裂隙带的发展情况，在大于41m高度以上，裂隙发展基本停止。现场钻孔布置在3下煤底板中距3下煤约6m处，其中3上、3下煤层采厚8．9m，中间夹矸3．3m，换算为垂直高度，垮落带、裂隙带高度分别为：

3 计算机数值模拟

本次模拟以－140东大巷上部已采区域为原形，按其覆岩顶板岩体分布实际状况建立模型，分层开采，并对3煤各分层开采完毕时的覆岩破坏情况做了分析。

3.1 数值模拟材料及其屈服准则

岩石材料的本构模型选取 Mohr－Coulomb准则，即

式中：F、Q分别为屈服势函数和应变势函数；c为黏聚力；φ为内摩擦角；δ为剪胀角。

3.2 计算区域及模型参数

根据采矿理论及模拟实际，模拟范围取开挖空间跨度的10～12倍。模拟条件：采场埋深为170m左右，模型尺寸为700m×1m×220m。

3.3 覆岩参数的选取

采用FLAC3D软件对开采过程进行数值模拟，并分析煤层顶板的破坏情况。计算所用的有关岩石的物理力学，根据相似岩石同时参考相邻矿井岩性对比得到岩性参数，见表1。

表1 煤层及顶、底板岩层的物理力学参数

3.4 物理模型的建立及几何边界条件

根据煤层开采情况，选取在三维坐标系统中，以煤层底板基点为坐标原点，基岩底面为XOY平面，倾斜水平投影方向为X正方向，矿体走向为Y方向，垂直向上为Z轴正方向。计算范围：

几何尺寸和开挖范围：走向X方向700m，Y方向取1m，Z方向取220m。

约束：首先模拟巷道围岩在自重应力下的静力稳定性，其边界条件为：左侧和右侧边界约束水平方向位移，底部边界约束垂直方向位移。

网格划分：在有限差分模型基础上生成的网格划分。模型共划分为4830个单元，共9940个节点，其中开挖部分采用零空单元模拟。

通过采用计算机模拟，3煤分层开采以后，在煤壁附近塑性区发展比较充分，其发展的最大高度也出现在这些位置；各分层开采以后，在煤壁强方出现不同程度的应力集中；各分层开采以后，在煤层位移最大值出现在顶板中部；各分层开采以后，在煤壁附近顶、底板岩层中出现不同程度的拉应力。通过模拟分析，可以得出各分层开采以后的裂隙带高度分别为：

4 综合分析

4.1 关于第四系厚度及含、隔水层

（1）采用高密度电阻率层析成像 （CT）探测技术确定的第四系底界面深度，在90～105m之间变化，全区相对稳定。推算第四系底界面相对位置标高为－56．5～－71．5m之间。

（2）探测第四系上部含水层厚度为－30．0～42．7m，含水层底界面相对位置标高在＋3．5～－9．2m。

4.2 关于两带高度的理论计算

导水裂隙带和垮落带的发育高度，是决定水体下采煤安全与否的关键。因此，在工作面开采之前，需对放顶煤条件下的最大断裂带高度和垮落带高度进行预计［2］。

4．2．1 垮落带高度

3上、3下采用分层开采时，第一分层垮落带高度为3．3～6．3m；第二分层垮落带高度为5．9～8．9m；第三分层垮落带高度为7．4～10．4m；第四层垮落带高度为8．5～11．5m。

4．2．2 裂隙带高度

4.3 计算机数值模拟导水裂隙带高度

4.4 采用电视成像技术实测垮落带和导水裂隙带高度

垮落带高度为10．0m；导水裂隙带高度为21．5m。两带高度计算及实测成果见统计表2。

4.5 防水煤岩柱高度的确定

矿井初步设计中提出，若科研工作和生产实际可取得较可靠的资料，可对设计所规定的防水煤柱高度作适当的调整［3］。通过理论计算和数值分析可能看出，计算结果与实测结果基本一致，实测结果与计算和模拟确定的平均法 （22．1～22．4m）基本一致。故此次论证以实测结果为准，导水裂隙带高度Hl为21．5m。

表2 裂隙带高度综合成果表／m

式中：Hb为保护层厚度，m；∑M 为累计采厚，m；n为开采分层数。

防水煤岩柱高度Hsh为［4］：故在该区域开采防水煤岩柱高度为25．7m。

4.6 开采上限的确定

确定砾岩强含水层水下煤层开采上限，关键是安全而又合理地预计防水煤柱尺寸［5］。

本次论证确定合理开采上限区域为4340，对拉工作面4个分层和4360区段的最下分层 （4364工作面），两个区段共有煤炭储量为24．96万t。

按确定的防水煤界柱高度25．7m计算，防砂煤岩柱留设是可行的，不会出现大规模的涌水、涌砂现象［6］。4360区段所处钻孔为B13，该钻孔实际揭露3上煤顶板距第四系底界面为27．6m，距含水层底界面为101．4m，煤岩柱尺寸大于防水煤岩柱25．7m，故该区段开采是安全可靠的。

5 结论

本次通过在采空区内向煤层顶板打观测钻孔，利用电视成象仪对煤层上覆岩层破坏分带情况进行观测，基本上搞清了3煤顶板破坏情况，对其“两带”有了直观清楚的认识。结合理论计算和计算机模拟结果以及地面电法勘探，得到了以下

保护层厚度Hb为 （按四分层全采时）结论：

（1）通过电法勘测第四系地层底界面深度在90～105m之间变化，全区相对稳定，其中上部为高阻的含水层，下部为低阻的隔水层。

（2）利用电视成像仪对煤层上覆岩层破坏分带情况进行观测的方法是可行的，对3层煤的垮落带有了清楚的认识，基本上搞清了3煤层顶板破坏情况。

（3）在钻孔中距煤层顶板小于10m这段范围内，覆岩破坏很不规则，其断裂块度大小不均，排列杂乱。当钻孔中距煤层顶板距离大于10m时，覆岩破坏规则，并未出现杂乱的堆积，已进入裂隙带。采用电视成像法测得的3煤层全采后 （4个分层），垮落带高度为10m左右，与理论计算确定的8．5～11．5m基本一致。井下实测3层煤4个分层全采后，导水裂隙带的高度为21．5m，与理论计算和数值分析结果基本一致。

（4）按实测确定的导水裂隙带高度计算确定的防水煤岩柱尺寸为25．7m，4360和4340区段只是在B11钻孔附近小于25．7m，但考虑到第四系底部为弱含水层，且3上煤顶板距第第四系含水层距离达78．65m，其余区域均大于防水煤岩柱尺寸，故区段实现4个分层全采是安全可靠的，可回收煤炭24．96万t，社会效益和经济效益显著。

［1］ 冯治斌，秦爱新．高密度电阻率层析成像测量在开采损害鉴定中的应用 ［J］．煤炭工程，2003（7）：18－19．

［2］ 韩云．龙东矿7125综放工作面开采上限研究与确定 ［J］．能源技术与管理，2008（4）：63－64．

［3］ 张利书，王厚柱，李德忠．新集二矿夹片灰岩下提高上限安全开采技术研究与实践 ［J］．能源技术与管理，2008（4）：60－62．

［4］ 邵明喜，马庆福．杨村煤矿305工作面提高开采上限研究［J］．煤炭现代化，2006 （增）：29－30．

［5］ 程金泉．鹤壁八矿三采区砾岩水下二1煤层开采上限研究［J］．中州煤炭，2002 （1）：1－2．

［6］ 朱泽虎，危天宝，柴兆华，等．泉上煤矿全面提高3下煤层开采上限可行性分析 ［J］．煤炭开采，1997 （3）：39－40．