厚松散層薄基巖條件下提高開(kāi)采上限的研究

趙文濤，翟劍平，李秀山，譚文峰

（1.淄礦集團(tuán)公司岱莊煤礦，山東 濟(jì)寧272175；2.山東省充填開(kāi)采工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)寧272175；3.山東新巨龍能源有限責(zé)任公司，山東 巨野274918）

岱莊煤礦43下20工作面部分區(qū)段位于35m防水煤柱線范圍內(nèi)，25m防水煤柱線外，基巖厚度最小為33m，第四系底界底部粘土厚度為25m，基巖加上第四系底部粘土隔水層的總厚度為59m左右，因基巖厚度小于35m，為保證在安全的前提下最大限度地回收煤炭資源，對(duì)本工作面外部局部提高開(kāi)采上限區(qū)安全開(kāi)采可行性進(jìn)行了綜合研究。提高開(kāi)采上限后本工作面解放了煤炭?jī)?chǔ)量28kt，確保了工作面的安全回采，減少工作面搬家次數(shù)，延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限，提高資源回收，帶來(lái)較大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

1 開(kāi)采技術(shù)條件

43下20工作面煤層傾向135°～203°，傾角2°～20°，平均為7°，工作面設(shè)計(jì)長(zhǎng)1702m，寬63.8～248.2m，直接頂為厚1.16m粉砂質(zhì)泥巖，老頂為3.8m細(xì)砂巖，直接底為0.9m泥巖，老底為17.47m中粒砂巖。地面標(biāo)高為＋38.1m～＋39.3m，工作面標(biāo)高為－208.7m～－330.4 m，位于35m防水煤柱線范圍內(nèi)，25m防水煤柱線外。基巖厚度最小為33m，第四系底界底部粘土厚度為25m，基巖加上第四系底部粘土隔水層的總厚度為59m左右。

2 工作面外部提高開(kāi)采上限區(qū)SYT探測(cè)研究

采用SYT天然場(chǎng)源電磁測(cè)深技術(shù)對(duì)松散層、底粘及基巖厚度變化情況進(jìn)行探測(cè)，以確定這三個(gè)層位的厚度在探測(cè)區(qū)域的分布情況〔1－3〕。

探測(cè)工區(qū)主要是探測(cè)43下20工作面的第四系松散層厚度、底粘厚度及基巖厚度，測(cè)線平行于大地坐標(biāo)，按照20 m×20m的網(wǎng)距布置測(cè)線9條（S1～S9線），探測(cè)深度1～400m，本次地面SYT法探測(cè)工程，地面物理測(cè)點(diǎn)總計(jì)117個(gè)，測(cè)線長(zhǎng)度共計(jì)2160m。

SYT探測(cè)第四系下組上段富水性見(jiàn)圖1。從探測(cè)結(jié)果可知：本次探測(cè)區(qū)域基本上為中等富水，在南部富水性稍強(qiáng)，北部富水性較弱。

圖1 第四系下組富水性

從探測(cè)結(jié)果看，基巖厚度從33.01～48.10m不等，厚度從東部往西部厚度逐漸增大，東部變化梯度小，西部變化梯度大。在本探測(cè)區(qū)內(nèi)，底粘的厚度從23.89～26m不等，平均厚25.04m，底粘全探測(cè)區(qū)都有分布，無(wú)缺少層位現(xiàn)象，提高開(kāi)采上限區(qū)基巖＋粘土巖厚度在59～61m范圍內(nèi)變化。從探測(cè)結(jié)果看，本次探測(cè)區(qū)域第四系下組上段基本上為中等富水，在南部富水性稍強(qiáng)，北部富水性較弱。

3 數(shù)值模擬研究

根據(jù)岱莊43下20工作面生產(chǎn)技術(shù)條件，結(jié)合綜合柱狀圖，模擬工作面不同采高時(shí)上覆巖層裂隙帶發(fā)育高度。整個(gè)模型尺寸（寬×高）為475m×70m，上邊界載荷按采深250m計(jì)算，模型底邊界垂直方向固定，左右邊界水平方向固定〔4〕。

3.1 上煤層頂板裂隙帶分析

由于上覆巖層圍巖力學(xué)性質(zhì)不同，其破壞形式一般有兩種：彎拉破壞、剪切破壞。一般情況下，巖梁首先發(fā)生拉伸裂隙。但當(dāng)巖梁厚度大、剛度大、彎曲下沉量較小時(shí)，由于拉應(yīng)力超過(guò)巖梁抗拉強(qiáng)度，在梁端頭產(chǎn)生的裂隙未貫通巖梁全部；所以當(dāng)工作面推進(jìn)至巖梁足以形成部分開(kāi)裂的位置時(shí)，上覆巖層在剩余斷面上形成的剪應(yīng)力會(huì)超過(guò)其抗剪強(qiáng)度，巖梁則被剪斷而冒落。

由圖2可知，當(dāng)3上煤層開(kāi)采后，在采空區(qū)上方形成“三帶”——跨落帶、裂隙帶以及其上的彎曲下沉帶，其中在采空區(qū)中部區(qū)域的跨落帶高度約為7m，裂隙帶高度約為10m左右；而在采場(chǎng)周邊的裂隙發(fā)育高度較大，且存在拉伸破壞區(qū)域，由于拉伸破壞易產(chǎn)生導(dǎo)水裂隙，因此采場(chǎng)邊界為易突水區(qū)域。由于3上煤層采高較小，為1.9m，采場(chǎng)邊界的裂隙帶發(fā)育高度最大為24m，且裂隙不完全貫通，裂隙帶之上仍有35m的隔水層，因此3上煤層的開(kāi)采是安全的。

圖2 采場(chǎng)左邊界局部放大

3.2 工作面頂板兩帶的發(fā)育高度分析

由圖3可以看出，當(dāng)43下20工作面開(kāi)采后，裂隙帶發(fā)育高度有所增加，在43下20工作面邊界處頂板上方14m內(nèi)為拉伸破壞區(qū)（冒落帶），該區(qū)域內(nèi)的裂隙易導(dǎo)水；頂板之上的14～33m為主要裂隙帶，43下20工作面中部上方裂隙帶發(fā)育高度為25m，小于43下20工作面邊界的裂隙發(fā)育高度，仍呈兩邊高、中間略低 “馬鞍型”分布；在裂隙帶之上的彎曲下沉帶，之內(nèi)有微裂隙存在，但之內(nèi)的裂隙不導(dǎo)通，仍具有隔水效果。因此，43下20工作面的回采是安全的。

圖3 43下20皮帶巷局部放大

3.3 上煤層開(kāi)采對(duì)裂隙帶高度發(fā)育影響分析

由圖4可知，當(dāng)43下20工作面不受3上煤層開(kāi)采影響時(shí)—即3上煤不開(kāi)采，其頂板上方裂隙帶發(fā)育高度為29m，小于綜合開(kāi)采發(fā)育高度；其主要原因有：其一，由于上下分層的開(kāi)采，其綜合開(kāi)采高度約為2.9m，因此其裂隙帶發(fā)育高度相應(yīng)增大；其二，3上煤層采高為1.9m，因此其頂板上方的垮落帶和裂隙帶的發(fā)育高度較小，根據(jù)理論計(jì)算和數(shù)值模擬分析可知，其跨落帶高度為6m左右，裂隙帶高度為24m左右；由于上下分層開(kāi)采時(shí)間間隔較大，上覆巖層具有緩慢下沉的特征，可進(jìn)一步抑制裂隙帶的發(fā)育，因此裂隙帶發(fā)育高度相差不大。

圖4 43下20皮帶巷局部放大

4 結(jié)語(yǔ)

1）基巖探查孔和地質(zhì)鉆孔，表明泥巖類(lèi)巖層所占比例為60%左右；風(fēng)化帶平均厚度為6m，占基巖比例為18%；覆巖巖性屬軟弱型，覆巖結(jié)構(gòu)及巖性強(qiáng)度對(duì)采動(dòng)后裂隙帶的向上擴(kuò)展具有抑制作用，對(duì)水體下安全開(kāi)采有利。

2）從數(shù)值模擬結(jié)果看，43下20工作面提高開(kāi)采上限區(qū)冒落帶高度14m，略小于“三下采煤規(guī)程”計(jì)算值15.5m，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為30～35m，基本在基巖與第四系底粘交接處，導(dǎo)水裂縫帶到達(dá)底粘底界基本沒(méi)有繼續(xù)向上發(fā)育，43下20工作面提高開(kāi)采上限區(qū)開(kāi)采厚度為2.5m是安全可行的。

3）基巖探查鉆孔及地面SYT探測(cè)成果表明，該區(qū)域基巖厚度在33～35m之間，計(jì)算得提高開(kāi)采上限區(qū)允許開(kāi)采厚度為6.8m，并計(jì)算得到不同基巖厚度43下20工作面提高開(kāi)采上限區(qū)允許開(kāi)采厚度等值線圖。

〔1〕陸士良，湯 雷，楊新安 .錨桿錨固力與錨固技術(shù)〔M〕.北京：煤炭工業(yè)出版社，1998.

〔2〕李家卓，劉 杰，譚文峰，等 .薄煤層沿空留巷巷旁充填體寬度模擬分析〔J〕.煤礦開(kāi)采，2011，16（4）：58–60.

〔3〕王希良，梁建民，王進(jìn)學(xué) .不同開(kāi)采條件下煤層底板破壞深度的測(cè)試研究〔J〕.煤，2000，9（3）：22–23，38.

〔4〕張紅日，張文泉，溫興林，等 .礦井底板采動(dòng)破壞特征連續(xù)觀測(cè)的工程設(shè)計(jì)與實(shí)踐〔J〕.礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2000，20（4）：1–4.

〔5〕鄭 鑫，李家卓，韓 偉 .傾向條帶矸石膠結(jié)充填開(kāi)采技術(shù)研究及應(yīng)用〔J〕.江西煤炭科技，2011，3：68–69.

〔6〕李家卓，馬學(xué)民，吳志堅(jiān)，等 .矸石充填置換條帶遺留煤柱技術(shù)〔J〕.煤礦安全，2013，44（11）：94–97.