厚松散层薄基岩条件下提高开采上限的研究

赵文涛，翟剑平，李秀山，谭文峰

（1.淄矿集团公司岱庄煤矿，山东 济宁272175；2.山东省充填开采工程技术研究中心，山东 济宁272175；3.山东新巨龙能源有限责任公司，山东 巨野274918）

岱庄煤矿43下20工作面部分区段位于35m防水煤柱线范围内，25m防水煤柱线外，基岩厚度最小为33m，第四系底界底部粘土厚度为25m，基岩加上第四系底部粘土隔水层的总厚度为59m左右，因基岩厚度小于35m，为保证在安全的前提下最大限度地回收煤炭资源，对本工作面外部局部提高开采上限区安全开采可行性进行了综合研究。提高开采上限后本工作面解放了煤炭储量28kt，确保了工作面的安全回采，减少工作面搬家次数，延长矿井服务年限，提高资源回收，带来较大的社会和经济效益。

1 开采技术条件

43下20工作面煤层倾向135°～203°，倾角2°～20°，平均为7°，工作面设计长1702m，宽63.8～248.2m，直接顶为厚1.16m粉砂质泥岩，老顶为3.8m细砂岩，直接底为0.9m泥岩，老底为17.47m中粒砂岩。地面标高为＋38.1m～＋39.3m，工作面标高为－208.7m～－330.4 m，位于35m防水煤柱线范围内，25m防水煤柱线外。基岩厚度最小为33m，第四系底界底部粘土厚度为25m，基岩加上第四系底部粘土隔水层的总厚度为59m左右。

2 工作面外部提高开采上限区SYT探测研究

采用SYT天然场源电磁测深技术对松散层、底粘及基岩厚度变化情况进行探测，以确定这三个层位的厚度在探测区域的分布情况〔1－3〕。

探测工区主要是探测43下20工作面的第四系松散层厚度、底粘厚度及基岩厚度，测线平行于大地坐标，按照20 m×20m的网距布置测线9条（S1～S9线），探测深度1～400m，本次地面SYT法探测工程，地面物理测点总计117个，测线长度共计2160m。

SYT探测第四系下组上段富水性见图1。从探测结果可知：本次探测区域基本上为中等富水，在南部富水性稍强，北部富水性较弱。

图1 第四系下组富水性

从探测结果看，基岩厚度从33.01～48.10m不等，厚度从东部往西部厚度逐渐增大，东部变化梯度小，西部变化梯度大。在本探测区内，底粘的厚度从23.89～26m不等，平均厚25.04m，底粘全探测区都有分布，无缺少层位现象，提高开采上限区基岩＋粘土岩厚度在59～61m范围内变化。从探测结果看，本次探测区域第四系下组上段基本上为中等富水，在南部富水性稍强，北部富水性较弱。

3 数值模拟研究

根据岱庄43下20工作面生产技术条件，结合综合柱状图，模拟工作面不同采高时上覆岩层裂隙带发育高度。整个模型尺寸（宽×高）为475m×70m，上边界载荷按采深250m计算，模型底边界垂直方向固定，左右边界水平方向固定〔4〕。

3.1 上煤层顶板裂隙带分析

由于上覆岩层围岩力学性质不同，其破坏形式一般有两种：弯拉破坏、剪切破坏。一般情况下，岩梁首先发生拉伸裂隙。但当岩梁厚度大、刚度大、弯曲下沉量较小时，由于拉应力超过岩梁抗拉强度，在梁端头产生的裂隙未贯通岩梁全部；所以当工作面推进至岩梁足以形成部分开裂的位置时，上覆岩层在剩余断面上形成的剪应力会超过其抗剪强度，岩梁则被剪断而冒落。

由图2可知，当3上煤层开采后，在采空区上方形成“三带”——跨落带、裂隙带以及其上的弯曲下沉带，其中在采空区中部区域的跨落带高度约为7m，裂隙带高度约为10m左右；而在采场周边的裂隙发育高度较大，且存在拉伸破坏区域，由于拉伸破坏易产生导水裂隙，因此采场边界为易突水区域。由于3上煤层采高较小，为1.9m，采场边界的裂隙带发育高度最大为24m，且裂隙不完全贯通，裂隙带之上仍有35m的隔水层，因此3上煤层的开采是安全的。

图2 采场左边界局部放大

3.2 工作面顶板两带的发育高度分析

由图3可以看出，当43下20工作面开采后，裂隙带发育高度有所增加，在43下20工作面边界处顶板上方14m内为拉伸破坏区（冒落带），该区域内的裂隙易导水；顶板之上的14～33m为主要裂隙带，43下20工作面中部上方裂隙带发育高度为25m，小于43下20工作面边界的裂隙发育高度，仍呈两边高、中间略低 “马鞍型”分布；在裂隙带之上的弯曲下沉带，之内有微裂隙存在，但之内的裂隙不导通，仍具有隔水效果。因此，43下20工作面的回采是安全的。

图3 43下20皮带巷局部放大

3.3 上煤层开采对裂隙带高度发育影响分析

由图4可知，当43下20工作面不受3上煤层开采影响时—即3上煤不开采，其顶板上方裂隙带发育高度为29m，小于综合开采发育高度；其主要原因有：其一，由于上下分层的开采，其综合开采高度约为2.9m，因此其裂隙带发育高度相应增大；其二，3上煤层采高为1.9m，因此其顶板上方的垮落带和裂隙带的发育高度较小，根据理论计算和数值模拟分析可知，其跨落带高度为6m左右，裂隙带高度为24m左右；由于上下分层开采时间间隔较大，上覆岩层具有缓慢下沉的特征，可进一步抑制裂隙带的发育，因此裂隙带发育高度相差不大。

图4 43下20皮带巷局部放大

4 结语

1）基岩探查孔和地质钻孔，表明泥岩类岩层所占比例为60%左右；风化带平均厚度为6m，占基岩比例为18%；覆岩岩性属软弱型，覆岩结构及岩性强度对采动后裂隙带的向上扩展具有抑制作用，对水体下安全开采有利。

2）从数值模拟结果看，43下20工作面提高开采上限区冒落带高度14m，略小于“三下采煤规程”计算值15.5m，导水裂缝带发育高度为30～35m，基本在基岩与第四系底粘交接处，导水裂缝带到达底粘底界基本没有继续向上发育，43下20工作面提高开采上限区开采厚度为2.5m是安全可行的。

3）基岩探查钻孔及地面SYT探测成果表明，该区域基岩厚度在33～35m之间，计算得提高开采上限区允许开采厚度为6.8m，并计算得到不同基岩厚度43下20工作面提高开采上限区允许开采厚度等值线图。

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〔2〕李家卓，刘 杰，谭文峰，等 .薄煤层沿空留巷巷旁充填体宽度模拟分析〔J〕.煤矿开采，2011，16（4）：58–60.

〔3〕王希良，梁建民，王进学 .不同开采条件下煤层底板破坏深度的测试研究〔J〕.煤，2000，9（3）：22–23，38.

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