承压开采放顶煤试验技术研究

刘 阳

（冀中能源股份有限责任公司东庞矿，河北 邢台 054201）

0 引言

冀中能源股份有限公司的东庞矿北井主采太原组（下组煤）9#煤层，通过多年的探索与实践，将工作面长度确定为88 m，由于这样的工作面长度相对较短，导致区段煤柱丢失较多。特别是9209 工作面，受到矿井初设及安全专篇的影响，如果按照原设计的工作面长度进行开采布局，工作面与-300 m 等高线将会余留宽约28 m 左右的一条煤柱，此煤柱厚度给后续带来一个难题，不加以开采，造成资源的浪费；再次布置工作面，工作面太短不利于回采。因此，针对矿井采掘接替关系应当做好协调管理工作，全面考虑煤炭资源采出效率，根据采矿实际情况，适当增加工作面。此外，在回采工作开展中，工作面长度的增加，很有可能造成底板安全厚度发生变化，导致底板隔水带临界水压增加，对承压开采工作人员的生命安全将会构成威胁[1]。为此，在本次试验技术研究中，从承压开采工作面长度进行具体分析，对底板岩层的影响以及破坏程度进行科学论证。

1 “下三带”理论底板突水机制分析

在采煤工作开展中，工作面底板存在“三带”，主要以下几方面：底板采动破坏带。该破坏带主要是指在才采煤的过程中，矿压压力发生变化，对底板岩层部位造成严重破坏。同时在采煤工作面底板位置的导水性能在发生变化的情况下，底板受到采矿区域压力影响，对底板造成破坏，其破坏深度记作h1；完整岩层带。该岩石带主要是指在采煤的过程中，底板岩层依旧保持完整状态，岩层厚度则记作h2；承压水导升带。该水导升带主要就是水层中的承压部位，将含水层顶面部位岩层厚度记作h3。

针对采煤工作面的行进方向，结合采煤工作底板的“下三带”实际分布情况，制作成剖面图，如图1 所示。如图1 所示，其中每层与底板含水层之间的厚度则是下三带厚度的总和，其中L 位置则属于采空区中的控顶距。

图1 底板“下三带”划分示意图

从底板完整岩层带中任意取一厚度为dy的单元体，根据图1 所示，将O 作为坐标系原点，而完整岩层带横向位置则在坐标系中作为X，纵向位置在坐标系中作为Y。如图2 所示。在坐标系中，σx则作为横向应力，而σy作为垂向应力，τ 则摩擦阻力。

图2 完整岩层带单元体受力分析图

根据相关理论得出，在采煤期间内，底板位置在无任何变化下，岩层带保持完整状态，那么垂向应力平衡点Fy数值则为0，即式（1）：

根据Mohr-Coulomb 强度准则，可知式（2）：

式中：c 取值为3.1 MPa，是底板岩石的内聚力；φ 取值为26°，是底板岩石内摩擦角。结合Mohr-Coulomb强度准则，根据采煤岩体破坏的实际情况，对岩层的破坏极限平衡条件进行具体分析，如式（3）所示：

将式（2）和（4）代入（1）式，并整理得式（5）：

解此微分方程，可得式（6）：

在微分方程（6）中，其初始条件则是在y=0 的情况下，那么σy=γh1，其中γ 则是指底板岩石层的容重。将y=0 导入到公示（6）后，则可以得出式（7）：

在公示中，如果y=h2的情况下，与H-h1-h3所得出的最终数值相同时，那么σy=p-γ（H-h3），将该公示导入到式（7）当中，即可通过式（8），计算出底板隔水带临界水压。

在式（8）中，根据最终的计算结果，可以快速判断出承压水上采煤的安全性。当采煤工作的中，工作面面底板实际水压在到处临时水压的情况下，那么隔水层将会受到严重影响，甚至在高水压的情况下，引发突水事故。而在实际水压小于临时水压的情况下，那么底板隔水层将会保持完成，也不会发生突水事故。

2 底板安全厚度及临界水压计算

东庞矿北井9209 工作面9#煤底板至奥灰顶界面平均厚度37 m 左右，通过钻探、物探等探测手段，根据奥灰含水层的水头标高，可计算得到煤层板隔水层实际承受的奥灰水压为2.05～2.58 MPa。工作面内煤层的最大埋深高390 m，底板岩层平均倾角12°，增加工作面长度最大至96 m，底板岩层平均凝聚力取3.1 MPa，内摩擦角取26°。

2.1 底板导水破坏带深度（h1）的计算

根据相关建筑规程，在采煤压力的影响下，底板在受到破坏时，破坏深度计算则如式（9）所示：

式中：H 为工作面内的煤层埋藏深度，m；α 为煤层倾角，（°）；L 为壁式工作面的斜长，m。

考虑到工作面周边的断层及相邻的9207 工作面采空区情况，采动导水破坏带深度需在计算值的基础上，考虑1.5 倍的安全系数，所以底板导水破坏带深度为：h1=1.5×（0.008 5H+0.166 5α+0.107 9L-4.357 9）=17.97 m。

以上计算结果表明，9209 工作面开采后将在底板岩层内形成17.97 m 深的采动破坏带。

2.2 有效隔水带（h2）的计算

同样根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》附录中给出的经验公式[2]，采用薄板理论计算隔水带厚度的式（10）为：

式中：h2为底板隔水带厚度，m；h1为底板采动破坏深度，m；P 为作用于该区底部的水压，按最大值取2.58 MPa；St为底板岩体的抗拉强度，一般取岩石抗拉强度的0.15 倍，MPa；γ 为底板岩石的平均容重，kN/m3。

式中：L 为壁式工作面的斜长，m；Ly为老顶初次来压步距（此处参照9207 工作面的初次来压步距取32 m）。

当水压为2.58 MPa 时，需要的有效隔水带的临界厚度为：

也即，东庞北井9209 工作面具体的煤层赋存条件和开采技术条件下，若工作面长度增加到96m 时，按“下三带”理论要求的有效（完整）隔水层厚度至少要达到13.64 m，才能确保安全。

2.3 承压水导升带高度（h3）的计算确定

“下三带”理论认为，工作面煤层底板至下覆的承压含水层间，除有底板采动破坏带和完整岩层带以外，还有一部分为承压水导高带[3]。根据文献《底板突水机制及预测预报》（中国矿业大学出版社）和《岩体力学》（中国地质大学出版社）中提供的计算方法，以9209 工作面的基本条件为计算基出，可以计算得出承压水的导升高度h3。

9209 工作面平均采高6.2 m（含放煤高度），煤层平均倾角12°，煤层最大埋藏深度390 m，工作面长度96 m，下覆奥灰含水层水压最高达2.58 MPa，此时，按经验公式，承压水导升高度为式（12）所示：

在公示（12）中，B 代表了采矿工作面长度，K 则取值83.6，作为裂缝粗糙程度，R 则作为静水压力粗糙度，计算公式如式（13）所示：

式中：D 数值可以取1-2 区间中的任意数值，将其作为分形维数，h 则作为结构面平均起伏差，L 则作为结构面基线长度。

当工作面长度增加到B=125 m，D=1.5，R=57 时，由式（12）求得：x=9.5 m。

最终得出影响承压水导升带的因素相对较多，其中包含了底板隔水层与工作面斜长[4]。

2.4 底板安全厚度校核

基于“下三带”理论和“三带”厚度的理论计算结果，可以对9209 工作面底板厚度进行校核，讨论面长增加到96 时是否能够保证安全生产。

按“下三带”理论要求的底板安全临界厚度：

从上面的计算结果可以看出，9209 工作面9#煤底板至奥灰顶界面的实际平均厚度为37 m，小于把面长增加到96 m 时所要求的底板隔水层临界安全厚度，也即，仅注浆加固本灰，不能满足安全生产的要求，需要对奥灰含水层顶部的“风化壳”进行注浆，将部分奥灰顶部含水层改造成相对隔水层后，方可满足安全回采所要求的底板隔水层厚度[5]。

2.5 底板隔水带破坏的临界水压力

结合上面的理论分析结果，除校核底板隔水层厚度是否满足面长增加的需要外，还需按式（8）的判别标准，从临界水压的角度讨论96 m 长的9209 工作面带压开采是否安全。若实际水压在超出临时水压的情况下，底板隔水层被破坏的概率则会增加，造成突水事故的可能性也会增加[6]。当实际水压在小于临时水压的情况下，底板隔水层则不会受到采煤工作面增长影响，可以保障采煤安全。引起9209 工作面底板隔水层破坏带的临界水压按式（8）计算可得：

由于底板奥灰承压水的最大值为2.58 MPa，远小于上面计算得出的临界水压，也即，从水压角度上看，对本灰注浆加固，改造其为相对隔水层后，整个底板隔水层可以承受底部奥灰含水层的水压。

3 结论

9209 工作面煤层底板的岩层结构与组成，需要在采煤的过程中，落实好注浆加固工作，结合本文研究的底板岩层“下三带”理论，及时明确采煤底板的安全厚度，控制好采煤过程中底板隔水带临界水压力，并9209 工作面增煤层底板工作面加长的最大限值进行分析，保障每层底板工作面的工作安全性。根据隔水层的实际厚度与临界水压结果，及时做好注浆改造工作，从而延长采煤工作面，延长长度达到96 m。