河流下厚煤层限厚开采实验研究

高庆丰

摘 要：文章通过对矿井地质条件、覆岩岩性、含（隔）水层特征进行分析，在应用工程类比法确定矿井最大裂采比的基础上，计算了河下安全开采的防水煤岩柱高度，同时运用FLAC3D模拟了断层附近河下安全开采上限，综合拟定了浅部河下特殊开采的原则，划分了河下安全开采的不同限厚区域。

关键词：河下开采；限厚；导水裂隙带；防水煤岩柱；模拟实验

中图分类号：TD823.83 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）26-0165-03

井田内的常年性河流主要流经矿井北翼范围；由于煤层埋藏较浅，在靠近河流地段进行开采时，由于导水裂隙带的影响，地表水可能会进入井下，导致矿井涌水量明显增大；另外，首采面开切眼区域受富含水断层F1（与第四纪含水层沟通）的威胁。根据河流保护煤柱设计范围，河下压覆首采面走向长度多达180 m，剩余有效开采距离不足400 m。因此，为了提高开采效益，降低资源损失，有必要对河流下厚煤层安全开采厚度进行研究。

1 采矿地质条件

1.1 地质条件

井田范围内钻孔揭露地层从老到新依次有：上三叠统延长群、中侏罗统延安组、直罗组与安定组、上第三系甘肃群和第四系。按其含水性与水力特征可划分为，3组承压含水层（延长群（T3yn）、延安组第一段（J2y1）、甘肃群第一段（Ngn1））和1组潜水含水层（第四系全新统（Q4））以及3组有效隔水层[延安组第一段（J2y1）、直罗组与安定组（J2z-J2a）、甘肃群第二段（Ngn2）]。矿井中部以南，河床直接与煤层顶板含水层不整合相接，河床潜水与煤层顶板的含水层成为一体，在井田北部边界存在F1导水大断层。

1.2 采矿条件

井田内存有的常年性河流，流量为0.691～0.702 m3/s，主要接受地表水和大气降水的补给，随季节变化明显，矿井开采受到基岩含水层透水和地表河流的威胁。

井田内含煤地层为中侏罗统延安组地层，主采5#煤厚度为5～11 m（厚-特厚煤层），平均7.27 m；煤层倾角24～28 ？觷（大倾角煤层）；煤层埋深150～400 m，设计采用厚煤层综放开采技术。煤层覆岩以泥岩、粉砂岩、中粒砂岩、粗细砂岩为主，覆岩综合岩性为中等坚硬类型，开采煤层覆岩的岩石物理力学参数见表1。

2 安全开采关键技术分析

2.1 导水裂隙带的分析

《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中给定条件的“导高”预计公式计算值偏差较大，不能满足该区第四系全新统潜水含水层条件下“两带”的预计。依据“兴隆庄矿实测资料”，拟合出了第四系松散含水层下综放开采，覆岩破坏“两带”高度计算公式。

式中：Hk为垮落带高度，m；Hd为导水裂缝带高度，m；M为累计采厚，m。

经计算，当采高为3 m时，导水裂隙带高度为48.6 m；当采高为4 m时，导水裂隙带高度56.7 m；当采高为5 m时，导水裂隙带高度为63.3 m；当采高为6 m时，导水裂隙带高度为68.7 m；当采高为7 m时，导水裂隙带高度为73.3 m；当采高为8 m时，导水裂隙带高度为77.5 m。

裂采比是确定采高的有效方法，以拟合公式计算结果为依据，河流下煤层开采最大的裂采比为16。

2.2 安全防水煤岩柱的分析

按照规程防水安全煤岩柱的垂直高度（Hsh）应≥导水裂缝带的最大高度（Hd）加上保护层厚度Hb。即：按照覆岩层“中硬”计算，考虑到煤层倾角较大，保护层厚度取为5 h；结合选定的16倍的裂采比预计防水安全煤岩柱高度，见表2。

3 限厚开采数值计算模拟

为了探究在首采面不同采厚的情况下导水裂隙带的发育规律，即分析F1断层附近首采工作面的安全开采上限。本模拟设定断层保护煤柱为70 m，采厚设计，按煤厚8 m或限高4 m，分别分析特厚煤层综放开采和限高开采条件下，导水裂隙带发育规律及其与F1断层的影响关系。

3.1 模型的建立

应用FLAC3D软件建立特厚煤层综放开采三维数值计算模型，模型仅含一个首采工作面，模型尺寸为825 m×330 m×430 m。模型中均采用Mohr-Coulomb屈服准则判断岩体的破坏，并且均不考虑塑性流动（不考虑剪胀），采用大应变变形模式，整个模型由39 050个单元组成，包括44 459个节点。

三维模型中首采面沿X轴正方向推进，工作面长度为130 m，走向推进480 m，煤层厚度为8.0 m，煤层倾角为25 ？觷，F1断层倾角约为75 ？觷，三维数值计算模型如图1所示。

3.2 模拟结果及分析

3.2.1 煤层开采厚度为8 m

当工作面煤层开采厚度为8.0 m时，导水裂缝带最大高度为109 m，约为采高的13倍，即裂采比为13；上覆岩层移动破坏边界接近发展至断层处，导水裂缝带虽未与断层沟通，但由于边界的破坏，对断层影响较大，如图2、图3所示。

3.2.2 煤层开采厚度为4 m

当工作面煤层开采厚度为4 m时，导水裂缝带最大高度为57 m，约为采高的14倍，即裂采比为14；覆岩移动破坏并未波及到断层处，导水裂缝带明显未与断层相沟通；即覆岩破坏形成的导水裂缝带距河床潜水层有一定的安全距离，开采工作面安全可靠，如图4、图5所示。

4 河流下煤层开采限厚区域划分

通过安全防水煤岩柱的理论分析及断层附近煤层安全开采数值模拟结果，结合河流下煤岩层覆存状态，划分河流下煤层开采的最大厚度。

河流下断层煤柱拟定为70 m，紧邻煤柱50 m范围内限高4 m，在29#勘探线以北限高6 m以内，在29#～28#勘探线间限高4 m以内，28#勘探线以南，建议构筑地表河道防护渠（煤层顶板承压含水层（Jzy3、Jzy2）与河流潜水层间缺失第二隔水层（J2Z），而直接沟通）。

首采面从开切眼起80 m范围内开采厚度按4.0 m限高开采（只采不放），此后按煤层厚度进行正常放顶煤全厚开采，如图6所示。

5 结 语

①采用工程类比法，选择了适合该矿条件的覆岩破坏“两带”高度计算公式，进而确定了河流下煤层开采最大裂采比为16，以此分析了河下开采的安全防水煤岩柱高度。

②运用FLAC3D，模拟了F1断层附近的导水裂隙带高度，结果显示当开采高度为4 m时，最大导水裂缝带高度为57 m，并未与断层沟通；当开采高度为8 m时，最大导水裂缝带高度为109 m，严重影响了断层附近围岩的稳定。

③结合防水煤岩柱高度和数值模拟结果，考虑河下煤岩层的含（隔）水层特征，综合划分了保证河下安全开采的不同限厚区域，同时确定了首采工作面的合理开采方案。

参考文献：

[1] 国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M].北京：煤炭工业出版社，2000.

[2] 许延春，李俊成.综放开采覆岩“两带”高度的计算公式及适用性分析[J].煤矿开采，2011，（2）.

[3] 黄阳，刘宁.彬长矿区导水裂隙带高度的确定方法[J].陕西煤炭，2010，（6）.

[4] 许延春，刘世奇.水体下综放开采的安全煤岩柱留设方法研究[J].煤炭科学技术，2011，（1）.

[5] 葛中华，沈文.水文地质条件对水下开采中安全保护层留设的影响[J].煤田地质与勘探，1990，（6）.

[6] 谭志祥，周鸣，李志恒.断层对“两带”影响的模拟研究[J].矿山压力与顶板管理，1999，（2）.

[7] 吕强.亭南煤矿洛河砂砾岩含水体下合理开采厚度的研究[J].煤矿开采，2007，（3）.

[8] 赵靓，汝连会.刘桥一矿遇断层开采底板突水数值模拟分析[J].中州煤炭，2012，（8）.

摘 要：文章通过对矿井地质条件、覆岩岩性、含（隔）水层特征进行分析，在应用工程类比法确定矿井最大裂采比的基础上，计算了河下安全开采的防水煤岩柱高度，同时运用FLAC3D模拟了断层附近河下安全开采上限，综合拟定了浅部河下特殊开采的原则，划分了河下安全开采的不同限厚区域。

关键词：河下开采；限厚；导水裂隙带；防水煤岩柱；模拟实验

中图分类号：TD823.83 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）26-0165-03

井田内的常年性河流主要流经矿井北翼范围；由于煤层埋藏较浅，在靠近河流地段进行开采时，由于导水裂隙带的影响，地表水可能会进入井下，导致矿井涌水量明显增大；另外，首采面开切眼区域受富含水断层F1（与第四纪含水层沟通）的威胁。根据河流保护煤柱设计范围，河下压覆首采面走向长度多达180 m，剩余有效开采距离不足400 m。因此，为了提高开采效益，降低资源损失，有必要对河流下厚煤层安全开采厚度进行研究。

1 采矿地质条件

1.1 地质条件

井田范围内钻孔揭露地层从老到新依次有：上三叠统延长群、中侏罗统延安组、直罗组与安定组、上第三系甘肃群和第四系。按其含水性与水力特征可划分为，3组承压含水层（延长群（T3yn）、延安组第一段（J2y1）、甘肃群第一段（Ngn1））和1组潜水含水层（第四系全新统（Q4））以及3组有效隔水层[延安组第一段（J2y1）、直罗组与安定组（J2z-J2a）、甘肃群第二段（Ngn2）]。矿井中部以南，河床直接与煤层顶板含水层不整合相接，河床潜水与煤层顶板的含水层成为一体，在井田北部边界存在F1导水大断层。

1.2 采矿条件

井田内存有的常年性河流，流量为0.691～0.702 m3/s，主要接受地表水和大气降水的补给，随季节变化明显，矿井开采受到基岩含水层透水和地表河流的威胁。

井田内含煤地层为中侏罗统延安组地层，主采5#煤厚度为5～11 m（厚-特厚煤层），平均7.27 m；煤层倾角24～28 ？觷（大倾角煤层）；煤层埋深150～400 m，设计采用厚煤层综放开采技术。煤层覆岩以泥岩、粉砂岩、中粒砂岩、粗细砂岩为主，覆岩综合岩性为中等坚硬类型，开采煤层覆岩的岩石物理力学参数见表1。

2 安全开采关键技术分析

2.1 导水裂隙带的分析

《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中给定条件的“导高”预计公式计算值偏差较大，不能满足该区第四系全新统潜水含水层条件下“两带”的预计。依据“兴隆庄矿实测资料”，拟合出了第四系松散含水层下综放开采，覆岩破坏“两带”高度计算公式。

式中：Hk为垮落带高度，m；Hd为导水裂缝带高度，m；M为累计采厚，m。

经计算，当采高为3 m时，导水裂隙带高度为48.6 m；当采高为4 m时，导水裂隙带高度56.7 m；当采高为5 m时，导水裂隙带高度为63.3 m；当采高为6 m时，导水裂隙带高度为68.7 m；当采高为7 m时，导水裂隙带高度为73.3 m；当采高为8 m时，导水裂隙带高度为77.5 m。

裂采比是确定采高的有效方法，以拟合公式计算结果为依据，河流下煤层开采最大的裂采比为16。

2.2 安全防水煤岩柱的分析

按照规程防水安全煤岩柱的垂直高度（Hsh）应≥导水裂缝带的最大高度（Hd）加上保护层厚度Hb。即：按照覆岩层“中硬”计算，考虑到煤层倾角较大，保护层厚度取为5 h；结合选定的16倍的裂采比预计防水安全煤岩柱高度，见表2。

3 限厚开采数值计算模拟

为了探究在首采面不同采厚的情况下导水裂隙带的发育规律，即分析F1断层附近首采工作面的安全开采上限。本模拟设定断层保护煤柱为70 m，采厚设计，按煤厚8 m或限高4 m，分别分析特厚煤层综放开采和限高开采条件下，导水裂隙带发育规律及其与F1断层的影响关系。

3.1 模型的建立

应用FLAC3D软件建立特厚煤层综放开采三维数值计算模型，模型仅含一个首采工作面，模型尺寸为825 m×330 m×430 m。模型中均采用Mohr-Coulomb屈服准则判断岩体的破坏，并且均不考虑塑性流动（不考虑剪胀），采用大应变变形模式，整个模型由39 050个单元组成，包括44 459个节点。

三维模型中首采面沿X轴正方向推进，工作面长度为130 m，走向推进480 m，煤层厚度为8.0 m，煤层倾角为25 ？觷，F1断层倾角约为75 ？觷，三维数值计算模型如图1所示。

3.2 模拟结果及分析

3.2.1 煤层开采厚度为8 m

当工作面煤层开采厚度为8.0 m时，导水裂缝带最大高度为109 m，约为采高的13倍，即裂采比为13；上覆岩层移动破坏边界接近发展至断层处，导水裂缝带虽未与断层沟通，但由于边界的破坏，对断层影响较大，如图2、图3所示。

3.2.2 煤层开采厚度为4 m

当工作面煤层开采厚度为4 m时，导水裂缝带最大高度为57 m，约为采高的14倍，即裂采比为14；覆岩移动破坏并未波及到断层处，导水裂缝带明显未与断层相沟通；即覆岩破坏形成的导水裂缝带距河床潜水层有一定的安全距离，开采工作面安全可靠，如图4、图5所示。

4 河流下煤层开采限厚区域划分

通过安全防水煤岩柱的理论分析及断层附近煤层安全开采数值模拟结果，结合河流下煤岩层覆存状态，划分河流下煤层开采的最大厚度。

河流下断层煤柱拟定为70 m，紧邻煤柱50 m范围内限高4 m，在29#勘探线以北限高6 m以内，在29#～28#勘探线间限高4 m以内，28#勘探线以南，建议构筑地表河道防护渠（煤层顶板承压含水层（Jzy3、Jzy2）与河流潜水层间缺失第二隔水层（J2Z），而直接沟通）。

首采面从开切眼起80 m范围内开采厚度按4.0 m限高开采（只采不放），此后按煤层厚度进行正常放顶煤全厚开采，如图6所示。

5 结 语

①采用工程类比法，选择了适合该矿条件的覆岩破坏“两带”高度计算公式，进而确定了河流下煤层开采最大裂采比为16，以此分析了河下开采的安全防水煤岩柱高度。

②运用FLAC3D，模拟了F1断层附近的导水裂隙带高度，结果显示当开采高度为4 m时，最大导水裂缝带高度为57 m，并未与断层沟通；当开采高度为8 m时，最大导水裂缝带高度为109 m，严重影响了断层附近围岩的稳定。

③结合防水煤岩柱高度和数值模拟结果，考虑河下煤岩层的含（隔）水层特征，综合划分了保证河下安全开采的不同限厚区域，同时确定了首采工作面的合理开采方案。

参考文献：

[1] 国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M].北京：煤炭工业出版社，2000.

[2] 许延春，李俊成.综放开采覆岩“两带”高度的计算公式及适用性分析[J].煤矿开采，2011，（2）.

[3] 黄阳，刘宁.彬长矿区导水裂隙带高度的确定方法[J].陕西煤炭，2010，（6）.

[4] 许延春，刘世奇.水体下综放开采的安全煤岩柱留设方法研究[J].煤炭科学技术，2011，（1）.

[5] 葛中华，沈文.水文地质条件对水下开采中安全保护层留设的影响[J].煤田地质与勘探，1990，（6）.

[6] 谭志祥，周鸣，李志恒.断层对“两带”影响的模拟研究[J].矿山压力与顶板管理，1999，（2）.

[7] 吕强.亭南煤矿洛河砂砾岩含水体下合理开采厚度的研究[J].煤矿开采，2007，（3）.

[8] 赵靓，汝连会.刘桥一矿遇断层开采底板突水数值模拟分析[J].中州煤炭，2012，（8）.

摘 要：文章通过对矿井地质条件、覆岩岩性、含（隔）水层特征进行分析，在应用工程类比法确定矿井最大裂采比的基础上，计算了河下安全开采的防水煤岩柱高度，同时运用FLAC3D模拟了断层附近河下安全开采上限，综合拟定了浅部河下特殊开采的原则，划分了河下安全开采的不同限厚区域。

关键词：河下开采；限厚；导水裂隙带；防水煤岩柱；模拟实验

中图分类号：TD823.83 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）26-0165-03

井田内的常年性河流主要流经矿井北翼范围；由于煤层埋藏较浅，在靠近河流地段进行开采时，由于导水裂隙带的影响，地表水可能会进入井下，导致矿井涌水量明显增大；另外，首采面开切眼区域受富含水断层F1（与第四纪含水层沟通）的威胁。根据河流保护煤柱设计范围，河下压覆首采面走向长度多达180 m，剩余有效开采距离不足400 m。因此，为了提高开采效益，降低资源损失，有必要对河流下厚煤层安全开采厚度进行研究。

1 采矿地质条件

1.1 地质条件

井田范围内钻孔揭露地层从老到新依次有：上三叠统延长群、中侏罗统延安组、直罗组与安定组、上第三系甘肃群和第四系。按其含水性与水力特征可划分为，3组承压含水层（延长群（T3yn）、延安组第一段（J2y1）、甘肃群第一段（Ngn1））和1组潜水含水层（第四系全新统（Q4））以及3组有效隔水层[延安组第一段（J2y1）、直罗组与安定组（J2z-J2a）、甘肃群第二段（Ngn2）]。矿井中部以南，河床直接与煤层顶板含水层不整合相接，河床潜水与煤层顶板的含水层成为一体，在井田北部边界存在F1导水大断层。

1.2 采矿条件

井田内存有的常年性河流，流量为0.691～0.702 m3/s，主要接受地表水和大气降水的补给，随季节变化明显，矿井开采受到基岩含水层透水和地表河流的威胁。

井田内含煤地层为中侏罗统延安组地层，主采5#煤厚度为5～11 m（厚-特厚煤层），平均7.27 m；煤层倾角24～28 ？觷（大倾角煤层）；煤层埋深150～400 m，设计采用厚煤层综放开采技术。煤层覆岩以泥岩、粉砂岩、中粒砂岩、粗细砂岩为主，覆岩综合岩性为中等坚硬类型，开采煤层覆岩的岩石物理力学参数见表1。

2 安全开采关键技术分析

2.1 导水裂隙带的分析

《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中给定条件的“导高”预计公式计算值偏差较大，不能满足该区第四系全新统潜水含水层条件下“两带”的预计。依据“兴隆庄矿实测资料”，拟合出了第四系松散含水层下综放开采，覆岩破坏“两带”高度计算公式。

式中：Hk为垮落带高度，m；Hd为导水裂缝带高度，m；M为累计采厚，m。

经计算，当采高为3 m时，导水裂隙带高度为48.6 m；当采高为4 m时，导水裂隙带高度56.7 m；当采高为5 m时，导水裂隙带高度为63.3 m；当采高为6 m时，导水裂隙带高度为68.7 m；当采高为7 m时，导水裂隙带高度为73.3 m；当采高为8 m时，导水裂隙带高度为77.5 m。

裂采比是确定采高的有效方法，以拟合公式计算结果为依据，河流下煤层开采最大的裂采比为16。

2.2 安全防水煤岩柱的分析

按照规程防水安全煤岩柱的垂直高度（Hsh）应≥导水裂缝带的最大高度（Hd）加上保护层厚度Hb。即：按照覆岩层“中硬”计算，考虑到煤层倾角较大，保护层厚度取为5 h；结合选定的16倍的裂采比预计防水安全煤岩柱高度，见表2。

3 限厚开采数值计算模拟

为了探究在首采面不同采厚的情况下导水裂隙带的发育规律，即分析F1断层附近首采工作面的安全开采上限。本模拟设定断层保护煤柱为70 m，采厚设计，按煤厚8 m或限高4 m，分别分析特厚煤层综放开采和限高开采条件下，导水裂隙带发育规律及其与F1断层的影响关系。

3.1 模型的建立

应用FLAC3D软件建立特厚煤层综放开采三维数值计算模型，模型仅含一个首采工作面，模型尺寸为825 m×330 m×430 m。模型中均采用Mohr-Coulomb屈服准则判断岩体的破坏，并且均不考虑塑性流动（不考虑剪胀），采用大应变变形模式，整个模型由39 050个单元组成，包括44 459个节点。

三维模型中首采面沿X轴正方向推进，工作面长度为130 m，走向推进480 m，煤层厚度为8.0 m，煤层倾角为25 ？觷，F1断层倾角约为75 ？觷，三维数值计算模型如图1所示。

3.2 模拟结果及分析

3.2.1 煤层开采厚度为8 m

当工作面煤层开采厚度为8.0 m时，导水裂缝带最大高度为109 m，约为采高的13倍，即裂采比为13；上覆岩层移动破坏边界接近发展至断层处，导水裂缝带虽未与断层沟通，但由于边界的破坏，对断层影响较大，如图2、图3所示。

3.2.2 煤层开采厚度为4 m

当工作面煤层开采厚度为4 m时，导水裂缝带最大高度为57 m，约为采高的14倍，即裂采比为14；覆岩移动破坏并未波及到断层处，导水裂缝带明显未与断层相沟通；即覆岩破坏形成的导水裂缝带距河床潜水层有一定的安全距离，开采工作面安全可靠，如图4、图5所示。

4 河流下煤层开采限厚区域划分

通过安全防水煤岩柱的理论分析及断层附近煤层安全开采数值模拟结果，结合河流下煤岩层覆存状态，划分河流下煤层开采的最大厚度。

河流下断层煤柱拟定为70 m，紧邻煤柱50 m范围内限高4 m，在29#勘探线以北限高6 m以内，在29#～28#勘探线间限高4 m以内，28#勘探线以南，建议构筑地表河道防护渠（煤层顶板承压含水层（Jzy3、Jzy2）与河流潜水层间缺失第二隔水层（J2Z），而直接沟通）。

首采面从开切眼起80 m范围内开采厚度按4.0 m限高开采（只采不放），此后按煤层厚度进行正常放顶煤全厚开采，如图6所示。

5 结 语

①采用工程类比法，选择了适合该矿条件的覆岩破坏“两带”高度计算公式，进而确定了河流下煤层开采最大裂采比为16，以此分析了河下开采的安全防水煤岩柱高度。

②运用FLAC3D，模拟了F1断层附近的导水裂隙带高度，结果显示当开采高度为4 m时，最大导水裂缝带高度为57 m，并未与断层沟通；当开采高度为8 m时，最大导水裂缝带高度为109 m，严重影响了断层附近围岩的稳定。

③结合防水煤岩柱高度和数值模拟结果，考虑河下煤岩层的含（隔）水层特征，综合划分了保证河下安全开采的不同限厚区域，同时确定了首采工作面的合理开采方案。

参考文献：

[1] 国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M].北京：煤炭工业出版社，2000.

[2] 许延春，李俊成.综放开采覆岩“两带”高度的计算公式及适用性分析[J].煤矿开采，2011，（2）.

[3] 黄阳，刘宁.彬长矿区导水裂隙带高度的确定方法[J].陕西煤炭，2010，（6）.

[4] 许延春，刘世奇.水体下综放开采的安全煤岩柱留设方法研究[J].煤炭科学技术，2011，（1）.

[5] 葛中华，沈文.水文地质条件对水下开采中安全保护层留设的影响[J].煤田地质与勘探，1990，（6）.

[6] 谭志祥，周鸣，李志恒.断层对“两带”影响的模拟研究[J].矿山压力与顶板管理，1999，（2）.

[7] 吕强.亭南煤矿洛河砂砾岩含水体下合理开采厚度的研究[J].煤矿开采，2007，（3）.

[8] 赵靓，汝连会.刘桥一矿遇断层开采底板突水数值模拟分析[J].中州煤炭，2012，（8）.