厚松散层超薄基岩煤层开采防砂煤岩柱留设研究

王福清

(皖北煤电集团公司百善煤矿，安徽淮北235154)



厚松散层超薄基岩煤层开采防砂煤岩柱留设研究

王福清

(皖北煤电集团公司百善煤矿，安徽淮北235154)

［摘要］为了解放皖北百善煤矿浅部压煤，合理留设煤层安全保护煤岩柱，采用理论计算和相似材料模拟实验，对厚松散层超薄基岩浅部煤层开采引起覆岩破裂特征及规律进行分析，结果表明，覆岩活动与裂隙发育主要受基本顶关键层控制，采动裂隙呈“马鞍形”分布，垮落带高度保持在9m左右，防砂煤岩柱高度应不小于13.5m。现场通过窥视孔实测得到基本顶位于8.0～13.0m层位，冒落带高度大约为6.0～8.0m，防砂煤岩柱的高度应不小于14m。根据研究和实测，最终将40～60m的安全煤岩柱改设为15m的防砂煤岩柱，可解放9.5Mt左右压煤量，延长矿井的服务年限8～10a。

［关键词］厚松散层;超薄基岩;风化基岩;防砂煤岩柱。

［引用格式］王福清.厚松散层超薄基岩煤层开采防砂煤岩柱留设研究［J］.煤矿开采，2015，20 (2) : 24－26.

Anti-sand Coal and Rock Pillar Design for Mining under Thick Loose Bed and Extremely-thin Basement

皖北百善煤矿煤层上覆有巨厚松散层沉积，在勘探和设计开采时，为安全生产，在浅部留设了40～60m安全煤岩柱，形成了14.0Mt呆滞煤炭，长期得不到及时开发利用，严重制约着矿井生产［1］。随着矿井进入后期开采，解决浅部超薄基岩段煤层开采面临的溃砂问题，合理留设防砂煤岩柱，成为矿井面临的首要技术难题［2］。

本文根据百善矿基岩风化带特性，在分析64采区地质条件的基础上，采用经验公式计算、相似模拟以及现场实测相结合的方法，分析了厚松散层超薄基岩浅部煤层开采引起上覆岩层破裂特征及规律，完成了防砂煤岩柱的合理留设，为相似条件下矿井防砂煤岩柱的留设提供参考和依据。

1　采矿地质条件

百善煤矿64采区上覆基岩厚度为18.0～50.7m，新生界松散覆盖层厚平均为140m，开采已逼近浅部基岩风化带，6415工作面位于64采区浅部，该面为提高上限试采工作面，距离基岩风化带最近处为25m。主采6号煤层倾角5～15°，平均厚度2.85m，赋存总体较稳定［3］。

2　基岩风化带破裂特性分析

所采区域煤层上覆松散层底部基岩强风化深度为7.56～18.3m，其中泥岩及粉砂质泥岩、泥质粉砂岩约占80%，细及中砂岩仅占10%～20%，且呈薄层状夹杂在泥质岩石之间。通过补勘以及“两带”发育高度观测孔测试，6煤顶板中的中细砂岩和粉砂岩多为泥质胶结，其黏土矿物中高岭石和伊利石约占50%，在受风化尤其是强烈风化后，长石颗粒大部分高岭土化，其黏土矿物被水浸泡后膨胀率均在50%以上［4］。基岩风化带在采动过程中其抗压强度将大大降低，塑性和抗变形破坏能力均会增强，能够很好抑制开采引起的冒落裂缝带向上发展，并减弱其储导水能力［5－6］。

同时，根据百善矿近年来在相邻61采区6122，6123，6124，6125工作面提高上限开采实践及64采区已采工作面顶板基岩风化带的实测资料，遭受强风化基岩段具有阻碍上部水垂直下渗和抑制下部采动裂隙向上发展的作用［7］，能有效保护浅部煤层开采免受松散层底部含水层的威胁。因此安全回采64采区浅部煤层，只需要留设一定高度的防砂煤岩柱。

3　经验公式计算防砂煤岩柱高度

根据64采区上覆岩层特征，结合风化带岩石强度，依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》经验公式［8］，按软弱覆岩设计防砂煤岩柱:

Hb= 2M(3)

式中，Hs为防砂煤岩柱高度，m; Hm为垮落带高度，m; Hb为保护层高度，m; M为煤厚，2.85m。

计算得出垮落带高度为4.24～7.24m，保护层厚度为5.7m，防砂煤岩柱高度为9.94～12.94m。

4　覆岩破裂相似模拟研究

4.1相似模拟实验方案

根据相似模拟理论［9－10］，按照6415工作面实际待开采的范围，顶底板岩层的性质和结构，确定模型几何相似比100∶1，密度相似比1.6∶1，模型长×宽×高为2.5m×0.2m×0.4m，各岩层物理力学参数如表1所示。

表1　模型各岩层物理力学参数

模型框架表面设置尺寸50mm×50mm的正方形方格网，从左至右设纵向观测线50条，从上至下设横向观测线15条，其交叉点为观测点。基岩上方的松散沙层按重力比直接加在模型上方，两侧用钢板约束。开挖过程中，按照时间比沿走向每0.05m开挖一步，开切眼一端头留0.4m煤柱，停采线一侧留0.35m煤柱，回采长度1.75m。

4.2相似模拟结果分析

相似模拟结果如图1所示。模型开挖至50m时，直接顶初次垮落，垮落高度2.5m;开挖至65m时，直接顶第2次垮落，之后基本顶关键层与上覆岩层间出现顺层裂隙;开采到70m时，基本顶下分层垮断，发生初次来压，垮落高度约为8m，垮落范围长45m，同时，基本顶上方出现横向裂隙;开采到80m时，基本顶第1次周期来压;开采到120m时，基本顶第3次周期来压，并形成较稳定的铰接结构，基岩裂隙贯通至松散层底部，垮落带高度达到9m;至170m时，开挖完毕，又发生了1次周期来压，采空区中部裂隙已基本被压实闭合，垮落带高度保持在9m左右，没有明显增加。

图1　不同推进距离时上覆岩层垮落状况

相似模拟结果显示薄基岩煤层在开采过程中，将导致上覆岩层不断产生顺层裂缝，并在初次来压至第一次周期来压期间，迅速发育至风化带底部。覆岩活动与裂隙发育主要受基本顶关键层控制［11－13］，随着工作面的推进，覆岩会发生整体下沉;工作面后方约1～2个周期来压距离以后，覆岩裂隙被逐渐压实闭合，垮落带高度基本保持在9m左右，考虑一定的安全系数［14］，防砂煤岩柱高度应不小于13.5m。

5　覆岩破裂实测分析

5.1窥视孔布置方案

采用窥视孔观测法，对工作面及巷道上覆基岩层离层及受采动影响进行工程实测［15］。工作面推进至中部时，在工作面巷道内、工作面中及轨道上山中各布置钻孔观测站: 1号窥视孔，位于上巷入口; 2号窥视孔，位于工作面上端头以下10m; 3号窥视孔，位于工作面上端头。3个测孔均垂直顶板岩层层面打孔，孔深15m。如图2所示。

5.2实测结果及分析

3个测站窥视记录结果如图3所示，覆岩破裂窥视图像如图4所示。

由图3可知，1号窥视孔实测显示，巷道松动圈约为1.6～2.6m;塑性圈范围约为3.0～5.2m;

6.0m以上风化、表现为黏土性质; 2号窥视孔实测显示，工作面上端部，0.5～7.5m范围内粉砂岩整体保持一定的完整性，有一定程度的风化，在3.5m处有薄泥岩夹层，导致部分区域较破碎。无纵向裂隙产生，说明在端部基本顶处于2个周期来压中间、尚未断裂; 3号窥视孔实测显示，工作面中部，0.5～6.5m范围内粉砂岩整体保持一定的完整性，有一定程度的风化，在3.0m，4.0m和5.0m处有薄泥岩夹层，导致部分区域较破碎。8.0 ～9.5m范围内有纵向裂隙，10.0m较硬，在煤壁上方断裂，导致纵向裂隙产生。据此可知，在工作面上端头存在弧三角板结构，基本顶位于8.0～13.0m层位，冒落带高度大约为6.0～8.0m，工作面上方13m左右的岩层完整未破坏，考虑一定的安全高度，防砂煤岩柱的高度应不小于14m。

图2　窥视孔布置方案

图3　测站窥视实测结果记录

图4　覆岩破裂窥视图像

6　结论

(1)对百善煤矿64采区松散层底部基岩风化带的分析以及相邻61采区6122，6123，6124，6125工作面的开采实践表明，64采区顶板强风化基岩段具有阻碍上部水垂直下渗和抑制下部采动裂隙向上发展的作用，有效保护浅部煤层开采免受松散层底部含水层的威胁。

(2)经验公式计算得出防砂煤岩柱高度为9.94～12.94m;相似模拟显示薄基岩煤层在开采过程中，垮落带高度基本保持在9m左右，防砂煤岩柱高度应不小于13.5m;根据钻孔窥视结果，基本顶位于8.0～13.0m层位，冒落带高度大约为6.0～8.0m，防砂煤岩柱的高度应不小于14m。

(3)结合经验公式计算、相似模拟以及现场实测数据，最终将40～60m的安全煤岩柱改设为15m的防砂煤岩柱，可解放9.5Mt左右压煤量，延长矿井的服务年限8～10a。

［参考文献］

［1］周增强，张枫林.安徽百善煤矿超薄基岩区域地质特征及对煤层安全开采影响［J］.中国煤炭地质，2013，25 (9) .

［2］中国煤田地质总局.中国煤田水文地质学［M］.北京:煤炭工业出版社，2001.

［3］姚多喜，成春奇.皖北百善煤矿基岩风化带含水隔水型研究［J］.煤炭科学技术，1996，24 (6) : 10－13.

［4］范振伯，徐明初，吴帮全.基岩风化带的工程地质特征与缩小防护煤柱机理的研究［J］.矿业安全与环保，2002，29 (6) : 19－20，62.

［5］代长青，宣以琼，杨本水.含水松散层下风氧化带内煤层安全开采技术［J］.煤炭科学技术，2007，35 (7) : 22－26.

［6］宣以琼，武强，杨本水，等.岩石的风化损伤特征与缩小防护煤柱机理［J］.中国矿业大学学报，2004，33 (6) .

［7］杨本水，段文进.风氧化带内煤层安全开采关键技术的研究［J］.煤炭学报，2003，28 (6) : 608－612.

［8］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［M］.北京:煤炭工业出版社，2000.

［9］刘纯贵.马脊梁煤矿浅埋煤层开采覆岩活动规律的相似模拟［J］.煤炭学报，2011，36 (1) : 7－11.

［10］肖鹏，李树刚，林海飞，等.基于物理相似模拟实验的覆岩采动裂隙演化规律研究［J］.中国安全生产科学技术，2014，10 (4) : 18－23.

［11］钱鸣高，缪协兴，许家林，等.岩层控制的关键层理论［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2000.

［12］李佩全，白汉营，马杰，等.厚松散层薄基岩综采面覆岩破坏高度发育规律［J］.煤炭科学技术，2012，40(1) : 35－37，41.

［13］方新秋，黄汉福，金桃，等.厚表土薄基岩煤层开采覆岩移动规律［J］.岩石与力学工程学报，2008，27 (S1) : 2700－2706.

［14］温亮，姚多喜，鲁海峰.近松散含水层下煤层安全开采留设防砂煤柱可行性研究［J］.中国煤炭地质，2013，25 (6) : 42－45.

［15］徐智敏，孙亚军.综合探测技术在覆岩破坏观测中的应用研究［J］.煤炭工程，2008 (3) : 69－72.

［责任编辑:邹正立］

［作者简介］王福清(1965－)，男，湖南澧县人，正高级工程师，长期从事煤矿技术管理工作。

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11－3677/td.2015.02.007

［收稿日期］2014－09－27

［中图分类号］TD822.3

［文献标识码］B

［文章编号］1006-6225 (2015) 02-0024-03