孙疃矿7211工作面提高回采上限覆岩破坏高度研究

    马晓宇 王来斌

    摘 要：孙疃煤矿矿井设计对浅部煤层按90m煤岩柱高度留设防水煤岩柱，造成大量煤炭资源积压，资源回采率降低。本文以孙疃煤矿81采区7211工作面为例，通过工作面松散层和72煤覆岩水文与工程地质条件分析，采用“三下”规程和FLAC3D数值模拟相结合的研究方法，确定了工作面留设合理的煤岩柱高度25m，回采上限为-209.99m，可解放工作面煤炭资源30万吨。

    关键词：回采上限;含隔水层;两带高度;安全煤柱

    0 引言

    我国华北、华东和东北地区许多大煤田多为隐伏型，煤层上覆盖有130m～300m中松散层沉积，松散层底部常存在着中等富水性、甚至强富水性的含水层。据统计我国中、厚松散层煤柱约有50亿吨，造成了大量煤炭呆滞储量，长期得不到开发利用[1]。因此，在保证安全开采的前提下，设计合理的煤岩柱高度，确定合理的回采上限，对于解放浅部呆滞煤炭资源和提高回采率具有着重要意义。

    1 工作面的地质条件

    孙疃煤矿位于淮北煤田南部临涣矿区，81采区位于矿井中央采区南侧，主要含煤地层为二叠系的山西组、下石盒子组和上石盒子组。7211工作面为81采区72煤层第一水平的第四个综采面，总体上为一走向近于SN，倾向NE的单斜构造，煤层倾角平均16°，无火成岩侵入;DF10断层斜穿工作面，落差为0～8m，呈北东向展布，对工作面的掘进及回采可能存在一定的影响。

    72煤层作为主要可采煤层，赋存于下石盒子组下部，煤层厚度为1.54～3.45m，平均2.9m，属中厚煤层。底板埋深234.42～380.58m，一般含1～3层夹矸，结构较简单，夹矸岩性为泥岩或炭质泥岩。顶板岩性的分布特点为软弱到中硬强度的泥岩与粉砂岩占绝大多数。

    2 松散层水文地质特征

    根据矿区及矿井松散层可岩性组合特征，自上而下可划分为四个含水层和三个隔水层，其中“三隔”和“四含”对浅部煤层开采充水影响较大。作面及附近11个钻孔资料表明，松散层厚度为203.00～210.85m，平均厚度为205.97m。“三隔”平均厚度为69.28m，隔水良好，“四含”底界深度平均205.97m，平均厚度4.45m。通过抽（注）水试验得出的“四含”单位涌水量为0.029l/s.m和渗透系数0.089 m/d，水质类型为HCO3·SO4-Na·Mg，依据《煤矿防治水细则》[2]，7211工作面“四含”为弱富水性含水层类型。

    3 基岩工程地质特征

    该工作面基岩面标高-176.70～-184.99m之间变化，平均为-179.86m。由北向南，地势由高到低，风化带厚度略有增加，平均28.00m左右。工作面附近区域南部风化带分布较北边深，东边风化较西边深。风化带岩性主要由砂岩、泥岩组成，其岩石为抗压强度低，较软弱，但膨胀性好，具有一定的隔水能力。覆岩的砂岩厚度为14.77～102.91m，平均厚度40.99m，泥岩厚度12.74～113.29m，平均厚度60.66m。覆岩砂泥比小于1的有5个钻孔，大于1的有3个钻孔。72煤层直接顶是中砂岩，但沉积厚度不大。72煤层覆岩中，砂岩的抗压强度为11～22.3MPa，根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与开采规程》[3]（以下简称为“三下”规程）规定10～20 MPa 为软弱覆岩，20～40 MPa为中硬覆岩，由此可推断出，7211工作面内72煤层顶板覆岩类型基本上为中硬偏软弱类型。

    4 工作面覆岩破坏特征研究

    4.1 规程计算“两带”高度

    本次采用“三下”规程中硬覆岩类型计算公式预计冒落带和裂隙带的发育高度，72煤层为一次性全采，采厚取煤厚平均值2.9m。

    式中，Hm——为冒落高度，m;Hl ——为导水裂隙带高度，m;ΣM——煤层采厚，m;实际计算时，±2.2、±5.6分别取2.2和5.6，则求得冒落带高度为11.09m，导水裂隙带高度为40.79m。

    4.2 数值模拟计算“两带”高度

    本次根据工作面钻孔资料及矿井岩土试验数据，运用FLAC3D数值模拟软件模拟72煤层开采覆岩变形破坏规律，预计冒落带、裂隙带发育高度及其分布范围。

    4.2.1 计算模型及参数

    （1）模拟模型地质情况。以81采区7211回采工作面地质资料为基础，工作面标高-250～-315m。72煤平均厚度2.9m，倾角16°，工作面走向长862m，倾向长180m。

    （2）模型参数。a.该模型几何形状：宽200m，长200m，高150m，模拟岩层倾角为16°。b.边界条件设置：底部全固定，四周水平方向限制，顶部自由边界，并施加上覆岩土荷载。c.初始应力条件：施加渐变内部应力。顶部施压为6.25Mpa，底部为7.88Mpa，泊松值取0.33。尽量与边界条件平衡，然后运行1072步达到初始应力真正平衡。d.模型力學参数与具体网格划分见表1。

    采用一次采全高的开采方法，模拟了斜长为100m。根据莫尔库仑理论，采用迭代法并利用FLAC计算出72煤层开采后底板岩层的采动变形破坏特征，获得顶板岩层屈服破坏特征图、工作面顶板岩层应力云图等，具体见图1。

    4.2.2 计算结果分析

    由图1（a～d）分析表明，通过用FLAC3D软件对81采区7211工作面的数值模拟结果表明，超前支承压力对顶板的破坏高度约为13m，老顶初次来压对顶板岩层的破坏高度约为40m，周期来压对顶板岩层的破坏高度大约为36～40m[6]。

    4.3 “两带”高度取值

    通过经验公式、数值模拟“两带”高度，按照安全第一的原则，在“两带”高度取值的中以取最大值为原则，得出最终7211工作面 “两带”高度值为：冒高为13.00m，裂高为40m，按煤层均厚2.9m计算，则冒采比为5.68，裂采比为19.72。

    5 防砂安全煤岩柱高度计算及回采上限确定

    5.1 防砂安全煤岩柱高度计算

    依据“三下”规程，“四含”属弱含水层，采动等级为Ⅱ级。据“三下”规程规定，这类水体是允许受采动的，即在这种水文地质条件下，可以采用防砂煤岩柱进行开采，导水裂隙带可以波及到此含水层，但不允许冒落带接近该层底部，即安全煤岩柱高度=冒落带高度+保护层厚度，保护层厚度按“三下”规程规定，可按“松散层底部粘性土层或弱含水层厚度大于累计采厚，中硬覆岩”的情况选取，即：HS≥Hm+ Hb，Hb =3A，其中采厚A取煤层平均厚度。

    = Hm+ Hb=11.09+2.9×3=19.79m

    结合工作面的具体条件，选取工作面72煤的防砂安全煤柱保护层尺寸（垂高）取14.56m（表2）。综合考虑风化带深度等因素，防砂煤柱垂高取25.00m[7]。

    5.2 回采上限的确定

    7211工作面基岩面标高在-176.70～-184.99m之间变化，平均为-179.86m。起伏不大，安全考虑，上限的确定按照-184.99m为基准，回采上限为：-184.99-25= -209.99m;可多开采多数煤炭资源。

    6 结论

    本项目研究在充分收集孙疃煤矿矿井及7211工作面地质与水文地质资料的基础上，通过众多试验研究，采用FLAC3D数值模拟和理论分析方法，获得了以下基本结论：

    （1）通过计算机数值模拟计算和计算，7211工作面72煤层开采最大冒落带高度为13.00m，最大导水裂隙带高度为40.00m。

    （2）7211工作面“四含”q<0.1L/s.m，为弱富水含水层，根据 “三下”规程确定7211工作面采动等级为II级，可按防砂安全煤岩柱设计回采上限。在采动72煤层时，其采厚为3.45m情况下，最终得出防砂煤岩柱垂高为25.00m;因7211工作面在隐伏露头处无工作面回采经验，为确保试采安全稳妥进行，本次计算留有较大的安全系数。从导、冒高发育普遍规律以及邻近矿井导、冒高发育规律看，实现含水层下7211工作面安全开采在条件是可行的。

    （3）原7211工作面回采上限為-315m～-250m，通过本项目的研究，提高开采上限到-209.99m，若以-210m为开采上限，可解放72煤层约30万吨的资源采出量。

    参考文献：

    [1]王国才.关于潘谢矿区提高回采上限的初步探讨[J].淮南工业学院学报.

    [2]国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局.煤矿防治水规定[M].煤炭工业出版社.

    [3]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[S].2000，5（26）.

    [4]李佳宇，张子新.FLAC3D快速入门及简单实例[M].中国建筑工业出版社，2016（11）.

    [5]刘瑞新.松散含水层下提高开采上限的研究与实践[J].煤炭科学技术，2010（11）.

    [6]薛禹群，朱学愚.地下水动力学[M].北京（第一版）地质出版社，1979（07）.

    [7]邓雪杰，谭辅清，房萧.五沟煤矿第四含水层下合理开采上限分析[J].煤炭工程，2012（04）.