厚煤层浅埋深河床下开采技术研究与应用

孙文德++刘洋

摘 要：根据杉木树煤矿河床下占压煤炭储量大、埋深小，煤柱范围开采煤层上覆岩层坚硬且脆性较大、不含隔水层，地表地形复杂的特征，结合理论论证、FLAC3D数值计算论证、F-RFPA数值渗流模拟、类似材料模拟实验、概率积分预计模拟分析等多种研究方法，确定了采深大于等于40倍采高时采全高、小于40倍时控制采高在2.0～2.5m的限高协调减损开采方案。经实践，实现了浅埋深河床下工作面的安全回采，采出占压煤柱49.28万t，采出率达91.7%。

关键词：厚煤层 浅埋深 河床下 限高开采技术

中图分类号：TD823 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）11（a）-0082-03

川煤集团芙蓉公司杉木树煤矿N24采区中部对应地表有一条石炭沟河，河床的宽度为5～10m，走向长度约为1840m；河床两侧为较为陡立的山坡地形，地形复杂；洪水季节水流汇集非常集中，最大达5000m3/h；河床为碎石砂、卵石及基岩裸露形态，不具备隔水性能。河床下预留的煤柱宽度为150～250m，工业储量约260万t，可采储量约186万t。预留煤柱上覆岩层坚硬且脆性较大，基本不含隔水层；煤层厚度一般在3.0m以上，埋深小，工作面距离地表的高度为67～117m，这种河流下煤层开采条件复杂特殊，在国内外尚属少见。

国内外对于河流下煤层的开采主要基于限高开采、条带开采、部分开采和充填开采等方法。通过赴山东、湖南等地实地考察，采用充填开采吨煤成本高、开采速度慢，不适合于南方高瓦斯易发火煤层矿井；而采用条带开采煤炭采出率较低，仅在50%～60%，资源丢失较大，且采用条带开采的采宽一般≤20m，这将给回采准备造成了极大的困难，巷道掘进量大、工作面连续推进短、搬家频繁，工作面单产将受到很大的影响。根据开采区煤层埋深河床范围小、河床两侧山体范围大的特点，采用协调开采无疑是最优的开采方案。

1 实验模拟计算分析研究

1.1 上覆岩层变形规律数值模拟

1.1.1 FLAC3D数值模型的建立

该数值模拟是根据开采区不同位置所做的四个剖面（A—A、B—B、C—C和D—D）针对不同的开采范围分别建立了模型，具体剖面线位置如图1所示。对上覆岩层计算准则采用摩尔—库伦准则，网格划分的原则是依据模拟岩层层位及性质进行划分的，煤层开采高度为3m，模拟尺寸、划分单元网格和节点数具体如下。

（1）根据石炭沟河横向A—A剖面图所建立的模型长350m、宽100m、最大高度约170m，模型共划分10900个单元和14212个节点。

（2）根据石炭沟河横向B—B剖面图所建立的模型长350m、宽100m、最大高度约170m，模型共划分9830个单元和12782个节点。

（3）根据石炭沟河横向C—C剖面图所建立的模型长350m、宽100m、最大高度约170m，模型共划分11440个单元和15147个节点》。

（4）根据石炭沟河横向D—D剖面图所建立的模型长350m、宽100m、最大高度约170m，模型共划分10720个单元和13750个节点。

1.1.2 模拟结果分析

受覆岩载荷分布、工作面布置及煤层地质条件影响，工作面上覆岩层移动呈非对称型分布，上覆岩层变形及破坏呈非对称型分布，地表下沉系数为0.4～0.5。N24102（上）工作面由于河床位于其正上方，地表在石炭沟河附近的沟谷处下沉量最大，为1100～1500mm，最大下沉值位置偏移采空区下山方向约20m。N2492工作面由于河床未在其正上方，石炭沟河附近的地表下沉量并非最大，为500～800mm，而处于采空區正上方的山坡中部则最大，为900～1200mm。

1.2 覆岩导水裂缝带数值模拟

1.2.1 F-RFPA2D固液耦合渗流模拟的建立

本模拟过程使用位移矢量、弹性模量变化、渗透系数及水量渗流来分析上覆岩层裂隙发育及渗流规律，研究不同开采高度下导水裂缝带的分布规律。模拟了采高为3m时，图1中C—C剖面覆岩弹性模量变化、位移矢量、渗透系数及水量渗流等情况。

1.2.2 F-RFPA2D固液耦合渗流模拟结果分析

工作面采高3m时，预计导水裂隙带约105m，工作面采高2m时，预计导水裂隙带约70m，导水裂隙带均是采高的35倍，符合芙蓉矿区实际采高与采深比35～40倍的经验关系值。当采高3m、覆岩高度低于105m时，采高2m、覆岩高度小于70m时，煤层开采后覆岩均会被破坏，河流水会大量渗入到井下，影响安全生产。若开采不采取相应措施，将不能实现杉木树矿河流下占压煤柱的安全回采。

1.3 相似材料模拟实验

1.3.1 实验模型的设计及实验分析

实验采用高宽90cm、10cm，长100cm的模型架，模型比例选择1∶400。工作面的沿河流方向推进，垂直于剖面，但由于是二维模拟，固采用从左向右的方向对模型开挖，所以只对初始和最终模拟形态分别进行分析。

模拟在采高3m时，覆岩中裂隙带发育变化情况。通过实验模拟，确定开采过程中煤层上覆岩层移动变形情况和范围，河床和河床两侧山体破坏形态及程度。

1.3.2 相似模拟试验结果分析

模型采空区上覆岩层只有两带发育，即冒落带、裂隙带，冒落带高度约为28m，裂隙带直达地表；下沉量山区要比一般的地区小，导致这种现象出现的原因是上覆坚硬岩层的结构和岩性造成的；从影响范围来说，下山的主要影响范围大于上山方向的影响范围，在50m以上；开采倾斜煤层时上部倾斜岩层冒落，山体裂缝最大长度14m，覆岩内部裂缝也达到了16m，宽度为0.6～0.8m，由于上覆载荷分布不均匀以及煤层存在一定的倾角，导致上覆岩层破坏形态呈非对称型分布，两侧山体自重可减小裂隙带高度；模型河床均出现破坏下沉的现象，由于河床埋深最大74m，故推测裂隙带高度大于74m。endprint

2 影响函数预计分析及开采方案的确定

运用西安科技大学基于概率积分理论为基础研制的YLH-12预计模拟程序，在反映出开采后地表全盆地移动变形分布情况的基础上，获得地表移动变形等值线分析图，借助地表移动变形等值线分析图分析开采地表移动变形与地表建筑物间的关系，进一步对开采参数和开采方案进行优化。

通过上覆岩层变形规律数值模拟、覆岩导水裂缝带数值模拟、相似材料模拟及基于概率积分的开采影响函数分析，确定了采深大于等于40倍采高时采全高、小于40倍时控制采高在2.0～2.5m的限高协调减损开采方案。

3 现场应用及效果分析

3.1 采高控制及原煤产出情况

杉木树煤矿N24102上工作面于2012年8月20日开始调采，2012年9月1号开始正式回采，到2013年4月30日工作面回采结束，共采出煤炭49.28万t，采出率达91.7%。整个开采期间避开雨季，同时跟踪监测开采影响范围地表河床、建筑物受损情况和裂缝发展情况，及时采取措施处置。

N24102（上）工作面实际开采厚度、原煤产量情况，如图2、图3所示。

3.2 地表河床裂缝破坏及渗水情况

2012年9～12月经地面连续观测，在工作面以后约20m处河床及河床两侧最大下沉量为25mm、水平位移量为65mm；在离开切眼约60m处河床及河床两侧最大下沉量为20mm、水平位移量为30mm；在离开切眼约100m处河床及河床两侧最大下沉量为35mm、水平位移量为50mm。河床两侧的移动变形表明，下沉量小于水平移动量，符合预计的河床受两侧山体挤压影响情况，水平移动值大于下沉值，这种情况有利于河床下部岩层中裂缝的闭合，能够有效降低河床水的下渗量。

在整个开采过程中工作面平均涌水量18.2m3/h，最大涌水量36.3m3/h，涌水量变化不大，控制在预计涌水增量范围内。

3.3 河床排导渠防护效果

开采期间地表河床理论平均渗水量259.39m3/h、渗水率14.64%；工作面回采完成待覆岩下沉变形稳定后，工作面对应河床段采取了施工混凝土排导渠以减少渗水量的措施，排导渠施工完成后，地表河床理论平均渗水量、渗水率降为了155.60m3/h和7.45%。实践表明，河床排导渠防护工程实施投入使用后，河床流量损失降低了约50%。

4 结语

应用FLAC3D数值模拟开采覆岩应力应变和破坏分布情况，应用F-RFPA2D数值试验模拟固液耦合条件下开采引起覆岩导水裂缝带的高度，应用相似材料模拟实验方法模拟开采引起覆岩冒裂带发育高度、范围和地表裂缝情况，结合理论分析给出了40倍采高的安全防水煤岩柱的结论。模拟计算分析了应用限高协调开采方法降低及减轻覆岩导水裂隙带高度的可行性，为石炭沟河下安全开采提供了充分的依据，提出了适应机械化长壁工作面开采的限高协调减损+地表河床构筑排导渠防护结合避開洪水季节的开采方法。通过现场应用，实现了杉木树煤矿厚煤层浅埋深河床下N24102（上）工作面的安全回采，取得的研究成果可在类似条件的“三下”开采中推广应用。

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