厚煤层工作面覆岩破坏高度确定研究

2016-01-18崔瑞军

山西焦煤科技 2015年3期

关键词：采煤工艺对比

·试验研究·

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厚煤层工作面覆岩破坏高度确定研究

崔瑞军

(汾西矿业(集团)有限责任公司河东煤矿,山西灵石031302)

摘要随着工作面的不断向前推进，工作面上方岩层垮落高度不断增加，增大工作面矿山压力的同时导通了通水裂隙，直接威胁工作面生产安全。本文以某矿2301N工作面为研究对象，对工作面的厚煤层分别从分层开采、网下综放、综放开采3种采煤方法的上方岩层垮落高度分析，进行比较。研究结果表明，综放采煤工艺上覆岩层裂隙发育最大，网下综放次之，分层综采最小，可为上覆岩层含水层及三下采煤提供借鉴。

关键词厚煤层；上覆岩层；裂隙高度；采煤工艺；对比

收稿日期：2015-02-08

作者简介：崔瑞军(1981—)，男，山西岢岚人，2013年毕业于太原理工大学，工程师，主要从事采矿技术管理工作

中图分类号：TD823.2

文献标识码：B

文章编号：1672-0652(2015)03-0029-04

AbstractWith the working face advancing continuously, the caving height above strata of working face is increasing continuously, which increases mining pressure and conducts water cracks, directly threaten the face production safety. Based on the 2301N mining face as the research object, analyzes and compares the caving height above strata for thick coal seam in the working face through three methods of slicing, offline fully-mechanization and fully-mechanized caving mining. Research results show that in overlying strata, the overburden fracture develops furthest by fully mechanized coal caving minning technology, offline fully-mechanization is next, stratified fully mechanized mining is minimum. Uses for reference for mining under overburden aquifer and coal mining under three circumstances.

1工作面概况

某矿2301N综放工作面位于-810水平二采区下山以北，东为尚未准备的2302N工作面，西为尚未开采的3301综放工作面，南为二采辅二下山保护煤柱，北为于庄北断层煤柱。地表标高为+44.2 m，该工作面开采煤层为3煤。根据该区域范围内L-2、142、13-1S、13-2S、10-3S号钻孔和上平巷、下平巷揭露资料，2301N综放工作面仅在工作面联巷南部L-2钻孔揭露煤层含0.35 m夹矸，岩性多为炭质泥岩。3煤层该区域属稳定煤层，结构简单～复杂。

3煤可采指数为1，为稳定煤层，煤层倾角0.35°～4.0°，平均3.0°.2301N工作面煤层顶底板情况见表1.

厚煤层开采可采用分层综采、网下综放开采、综放开采3种采煤工艺。现分别对各采煤工艺条件下的覆岩变形破坏情况进行预计分析。根据钻孔揭露，按2301N工作面平均采厚9.2 m进行预计分析。根据近期浅部区域覆岩的岩石力学参数测试结果显示，其上部受风化的泥岩和细砂岩单轴抗压强度为4.9～13.5 MPa，下部砂岩(中砂岩、细砂岩)的单轴抗压强度为34.2～64.9 MPa；由于2301N工作面覆岩泥岩含量相对较多，依据各岩性含量比例，将2301N工作面浅部区域基岩的强度类型界定为中硬偏软。

表1　2301N工作面煤层顶底板情况表

2分层条件下的覆岩破坏高度

分层开采能有效降低覆岩破坏高度，顶分层开采所导致的覆岩破坏高度约占累积厚度开采覆岩破坏高度的70%～80%，且顶分层开采厚度越小，覆岩破坏高度越低。

因此，为尽可能降低分层综采造成的覆岩破坏高度，2301N工作面3煤层采用分层开采。由于煤层平均厚度9.2 m，若按3个分层，其单层采厚>3.0 m，不适用于“规程”公式规定的厚煤层开采计算公式要求，因此，按4层进行计算，自上至下分层采厚分别为2.2 m、2.2 m、2.4 m和2.4 m，累计厚度9.20 m.

1) 按照《规程》预计。

该区3煤覆岩属中硬偏软类型，根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，按照中硬覆岩类型计算：

(1)

(2)

式中：

Hm—垮落带高度最大值，m；

HLi—导水裂缝带高度最大值，m；

∑M—累计采厚，m.

将2301N工作面3煤层各分层累积采厚(自上而下2.20 m、4.40 m、6.80 m和9.20 m)分别代入式(1)、式(2)可以得出，一分层开采后其垮落带和导水裂缝带最大发育高度分别为7.5 m、30.9 m；二分层开采后覆岩“两带”最大发育高度分别为11.1 m、41.4 m；三分层后覆岩“两带”最大发育高度分别为13.4 m、47.0 m；四分层开采后覆岩“两带”最大发育高度分别为14.8 m、50.3 m.

2) 经验公式预计。

根据相邻的兖州矿区实际观测结果统计分析，综采工作面中硬覆岩垮落带高度(Hm)与采厚(M)的关系为：

(3)

式中：

Hm—垮落带高度最大值，m；

∑M—累计采厚，m.

将各分层累计采厚分别代入式(3)，计算得出2301N工作面四分层综采，其垮落带发育最大高度分别为12.4 m、14.8 m、14.9 m和16.5 m(各分层自上而下)。

根据兴隆庄矿对分层综采条件下的覆岩破坏进行了大量观测，得出分层综采条件下覆岩破坏最大高度与采厚的关系式：

(4)

式中：

HLi—导水裂缝带高度最大值，m；

∑M—累计采厚，m.

将各分层累计采厚分别代入式(4)，计算得出2301N工作面四分层综采，其导水裂缝带发育最大高度分别为37.3 m、40.0 m、41.1 m和41.6 m(各分层自上而下)。

3) 2301N工作面分层综采覆岩破坏高度综合分析。

比较两种预计方法，预计结果存在差异，分层开采时，根据兴隆庄矿经验公式预计的2301N工作面导水裂缝带高度小于根据“规程”预计的高度。分析原因，在基岩柱厚度较小时，基岩风化带所占基岩柱比例增大，而基岩风化带强度相对未风化基岩强度大幅度降低，导致导水裂缝带发育高度降低，由此可见，基岩风化带对导水裂缝带向上发育的抑制作用明显。杨村矿第四系表土层下近煤层露头附近开采的实测结果也证明了这一点(个别煤矿甚至出现了二分层开采后导水裂缝带高度略有下降的现象)。因此，多分层开采时，根据兴隆庄矿实测结果预计的导水裂缝带的发育高度小于按照中硬覆岩预计的高度，按照兴隆庄矿实测结果预计的导水裂缝带高度更符合2301N工作面的实际情况。

综上所述，为安全起见，垮落带最大发育高度取较大值。导水裂缝带最大发育高度取经验公式计算结果，分层开采“两带”最大发育高度结果见表2.

表2　分层开采“两带”最大发育高度预计结果表　　m

3网下综放开采条件下覆岩破坏高度

网下综放中顶分层的提前开采，既降低了煤层全部开采后的覆岩破坏发育高度，又对煤层开采后覆岩的破坏情况有一定的指导作用。本次顶分层采厚选取2.2 m，网下综放厚度为7.0 m.

1) 类比分析。

兴隆庄矿二采区网下综放开采的垮高与采厚比为2.4～3.1，裂高与采厚比为4.3～4.1(23S1网下综放开采的实测裂采比为4.3～4.4)，二采区实测结果见表3，4。从表4可以看出，导水裂缝带发育高度不仅与煤层开采厚度有关，而且与工作面基岩柱垂高有关，基岩柱垂高大则裂缝带发育高度一般较高，基岩柱垂高小则裂缝带发育高度一般较低。