于 輝 李照棟 郭東芝 劉春霖 秦 佳 劉博文

（中國礦業(yè)大學(xué) （北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083）

姚橋煤礦1976年12月投產(chǎn)，現(xiàn)擬開采新東四采區(qū)7708工作面，原設(shè)計方案為一次采全高，由于安全開采上限與采高密切相關(guān)，為了減少安全煤巖柱留設(shè)，決定對原方案進行優(yōu)化，即實行分段開采，從開切眼一定高度上只開采底分層，工作面推進一定距離后再一次采全高，從而提高開采上限，解放其中的一部分壓滯煤炭。該優(yōu)化方案的主要工作是確定兩種開采方法的覆巖破壞高度，求出安全煤巖柱垂高，進而獲得各自的開采上限。

1 7708工作面水文地質(zhì)條件

7708工作面位于新東四采區(qū)，工作面長度約為180 m。開采7＃煤層，煤層厚度約4.3～6.07m，平均5.2 m。本區(qū)第四系沖積層廣泛分布，為全掩蓋式煤田。通過水文地質(zhì)條件分析和開采實踐表明，工作面開采主要受第四系底部含水層的影響。

第四系底部含水層直接覆蓋于基巖上，底板埋深104.10～163.60m，一般埋深131m 左右。一般厚度3～5m ，巖性以中、粗砂為主，局部含砂礫。砂層厚度2～4m 左右。據(jù)西風(fēng)檢孔抽水試驗資料得知，水位標(biāo)高-34.65m，該組局部含水豐富，富水性中等，直接與基巖地下水產(chǎn)生水力聯(lián)系，是礦井開采的主要充水因素。

2 開采覆巖破壞高度研究

由于7708 工作面采用傾斜布置，俯斜開采，因而涉及基巖柱厚度由小到大的變化，隨著工作面推進，基巖柱逐漸增大，應(yīng)根據(jù)基巖柱厚度，立足于一次采全高 （采高5.2m）和只采底分層 （采高2.5m）兩種方法，合理制定開采方案。其覆巖破壞高度應(yīng)按照兩種采煤方法條件下，通過類比法分別預(yù)計。

2.1 一次采全高條件下覆巖破壞高度預(yù)計

根據(jù)孔莊礦7501綜放工作面地面 “兩帶”孔實測結(jié)果，7＃煤層一次采全高的導(dǎo)水裂縫帶高度為61m，采高為5.2m，裂采比為12.2；垮落帶高度為32m，垮采比為6.4。姚橋礦在7507工作面井下仰上孔實測的導(dǎo)水裂縫帶高度為63.6 m，采高4.7m，裂采比為13.53?？梢妰蓚€礦導(dǎo)水裂縫帶高度比較接近。

由此可以得到一次采全高條件下姚橋礦7708工作面導(dǎo)水裂縫帶高度為70.3 m （采高×裂采比），預(yù)計垮落帶高度為33.3m （采高×垮采比）。

表1 姚橋煤礦實測導(dǎo)水裂縫帶和垮落帶高度

2.2 只采底分層條件下覆巖破壞高度預(yù)計

設(shè)計只開采底分層的采高按2.5 m 考慮。姚橋煤礦通過在7208和7404工作面施工兩帶孔，實測得到炮采和分層綜采條件下導(dǎo)水裂縫帶和垮落帶高度，具體結(jié)果見表1。

預(yù)計得到7708工作面開采厚度2.5m 時導(dǎo)水裂縫帶高度為37.5～44.6m，垮落帶高度為9.85～26.75m。

為保證安全，確定采高為2.5 m 時的導(dǎo)水裂縫帶和垮落帶高度分別為45m 和27m。

3 數(shù)值模擬法確定 “兩帶”高度

3.1 數(shù)值模型的建立

7708工作面擬采用傾斜布置，俯斜開采。工作面長度180m，在確定工作面的走向長度時，需要考慮兩邊各150 m 的邊界影響范圍，再加上選取工作面實際推進長度180 m，這樣模型長度為480m。在模型垂直方向上，按實際的厚度來模擬煤層、頂?shù)装寮吧细菜缮⒑畬印８鶕?jù)地質(zhì)材料確定模型的垂直高度為135 m。建立的7708工作面的模型支架用BEAM 單元模擬，層理弱面用INTERFACE模擬。

模型邊界條件的確定：模型頂部為自由邊界；模型底部邊界固定，即底部邊界水平、垂直位移均為零；模型前后和左右邊界施加水平約束，即邊界水平位移為零。煤巖物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 巖石力學(xué)參數(shù)

3.2 模擬結(jié)果的分析

煤層開采后，上覆巖層自上而下可以分為4個區(qū)，分別為未破壞區(qū)、剪切破壞區(qū)、拉伸裂隙區(qū)和拉伸破壞區(qū)。其中產(chǎn)生拉伸裂隙區(qū)的原因是由于巖石某一方向的拉應(yīng)力超過了巖體的抗拉強度，從而產(chǎn)生一定方向的張裂隙，產(chǎn)生的這些張裂隙由于連通情況和寬度不一樣，對巖體的破壞程度和滲透性也是不一樣的。產(chǎn)生拉伸破壞區(qū)的原因是由于巖石在雙向拉應(yīng)力作用下，被拉斷、垮落產(chǎn)生的一片區(qū)域。判斷裂隙帶和冒落帶的發(fā)育高度可以根據(jù)拉伸裂隙區(qū)以及拉伸破壞區(qū)的區(qū)域大小來確定。

通過模擬結(jié)果可以看出一次采全高條件下7708工作面垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度分別為25m和60m 左右；只采底分層條件下垮落帶高度和最大導(dǎo)水裂隙帶高度分別為21 m 和42 m 左右。所得結(jié)果與采用類比法預(yù)計結(jié)果比較接近。具體結(jié)果見表3。

表3 7708工作面數(shù)值模擬與類比法確定高度對照

將類比法和數(shù)值模擬法所取得數(shù)值進行對比分析，取最大值以保證安全。即在一次采全高條件下，垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度分別為33.3 m 和70.3m，在只采底分層條件下，垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度分別為27m 和45m。

4 確定開采上限及優(yōu)化開采方案

4.1 留設(shè)安全煤巖柱類型分析

目前在國內(nèi)很多存在類似松散含水層的礦區(qū)都成功試驗完成了留設(shè)不同類型安全煤巖柱的開采。

通過對比類似礦區(qū)可以看到，姚橋煤礦新東四采區(qū)的底含較其他礦區(qū)薄，楊村、許廠煤礦都實現(xiàn)了留設(shè)防砂煤柱開采，而邢臺和柴里煤礦則經(jīng)過多年的開采試驗，實現(xiàn)了留設(shè)防塌煤柱開采。

通過對松散層底含的分布以及巖性結(jié)構(gòu)分析，對照含水層劃分指標(biāo)及含水層富水性等級標(biāo)準(zhǔn)認為新東四采區(qū)淺部松散層底含富水性不均勻，部分區(qū)域存在底含缺失區(qū)，并且具有隔水性較好的底粘。該底粘不僅可以有效抑制導(dǎo)水裂縫帶向上發(fā)展，而且可以阻止底含向工作面充水，在7708工作面通過補勘Y3鉆孔可見，7708工作面為松散層底含的缺失區(qū)，按照有關(guān)規(guī)定，可以在7708工作面按防砂煤柱類型留設(shè)安全保護煤柱。

4.2 開采上限的確定

留設(shè)防砂安全煤巖柱的目的是允許導(dǎo)水裂縫帶波及松散孔隙弱含水層水體，但不允許垮落帶波及該水體。按照 《三下采煤規(guī)程》規(guī)定，需要留設(shè)的防砂安全煤巖柱的垂高應(yīng)大于或等于垮落帶的最大高度與保護層厚度之和，即：

式中：Hs——防砂安全煤巖柱的垂高，m；

Hm——垮落帶最大高度，m；

Hb——保護層厚度，m。

按照 《規(guī)程》規(guī)定，松散層底部粘性土層或弱含水層厚度大于累計采厚時，保護層厚度選取2倍采高，即10.4m，由此可以得到在一次采全高條件下的防砂安全煤巖柱的厚度約為44 m；當(dāng)開采厚度為2.5 m 時，保護層厚度選取2 倍采高，即5m，因而防砂安全煤巖柱的厚度約為33m。具體結(jié)果詳見表4。

表4 煤層防砂煤巖柱計算結(jié)果

根據(jù)新東四采區(qū)7＃煤層露頭的鉆孔 （H48，H43和H47），確定防砂安全煤柱開采上限標(biāo)高，見表5。由于各鉆孔位置開采上限標(biāo)高值接近，取一次采全高的開采標(biāo)高為-147m，只采底分層的開采上限標(biāo)高為-135m。

4.3 7708工作面開采方案優(yōu)化設(shè)計

設(shè)計7708工作面2種回采方案：

（1）優(yōu)化方案：采用分區(qū)段只采底分層和一次采全高相結(jié)合。開切眼處最小煤巖柱厚度大于33 m，工作面只采底分層；當(dāng)煤巖柱厚度大于一次采全高的最小防砂安全煤柱后 （大于44 m）進行一次采全高。

根據(jù)上述預(yù)測結(jié)果，當(dāng)采厚為2.5 m 時，可以得到回采上限即開切眼位置的標(biāo)高為-135 m；當(dāng)推進至距開切眼70m 時，采用一次采全高，此時基巖柱厚度大于44 m，滿足 《三下采煤規(guī)程》關(guān)于留設(shè)防砂煤巖柱的要求；當(dāng)基巖柱厚度大于80m 時，此時采用一次采全高，達到留設(shè)防水安全煤巖柱標(biāo)準(zhǔn)。

（2）原方案：只進行一次采全高，開切眼處最小煤巖柱厚度大于44m。

根據(jù)上述預(yù)計結(jié)果，按照留設(shè)防砂煤巖柱要求確定7708工作面開采上限為-147m。

具體方案參數(shù)見表6。

表5 防砂安全煤柱開采上限

表6 7708工作面開采方案對比

可以看出，如果按原有方案開采，從開切眼一次采全高，其安全開采上限為-147m，而實行分段開采后，開采上限提高了12 m，多開采煤量約2.6萬t，經(jīng)濟效益顯著。

5 結(jié)論

（1）通過對工作面水文地質(zhì)條件進行分析，并與相似礦區(qū)進行類比，確定工作面可采用防砂煤柱作為安全保護煤柱的類型。

（2）用類比法并運用數(shù)值模擬預(yù)測在兩種開采條件下覆巖破壞高度，當(dāng)采用一次采全高時，垮落帶高度為33.3m，最小防砂煤巖柱厚度44m，開采上限-147m。當(dāng)采用只采底分層時，垮落帶高度為27m，最小防砂煤巖柱厚度33m，開采上限-135m。

（3）采用分區(qū)段只采底分層和一次采全高相結(jié)合的方法開采，提高工作面開采上限12 m，多開采儲量2.6萬t，取得了巨大的經(jīng)濟效益。

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