厚煤層工作面覆巖破壞高度確定研究

·試驗(yàn)研究·

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厚煤層工作面覆巖破壞高度確定研究

崔瑞軍

(汾西礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 河?xùn)|煤礦,山西靈石031302)

摘要隨著工作面的不斷向前推進(jìn)，工作面上方巖層垮落高度不斷增加，增大工作面礦山壓力的同時(shí)導(dǎo)通了通水裂隙，直接威脅工作面生產(chǎn)安全。本文以某礦2301N工作面為研究對(duì)象，對(duì)工作面的厚煤層分別從分層開采、網(wǎng)下綜放、綜放開采3種采煤方法的上方巖層垮落高度分析，進(jìn)行比較。研究結(jié)果表明，綜放采煤工藝上覆巖層裂隙發(fā)育最大，網(wǎng)下綜放次之，分層綜采最小，可為上覆巖層含水層及三下采煤提供借鑒。

關(guān)鍵詞厚煤層；上覆巖層；裂隙高度；采煤工藝；對(duì)比

收稿日期：2015-02-08

作者簡(jiǎn)介：崔瑞軍(1981—)，男，山西岢嵐人，2013年畢業(yè)于太原理工大學(xué)，工程師，主要從事采礦技術(shù)管理工作

中圖分類號(hào)：TD823.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-0652(2015)03-0029-04

AbstractWith the working face advancing continuously, the caving height above strata of working face is increasing continuously, which increases mining pressure and conducts water cracks, directly threaten the face production safety. Based on the 2301N mining face as the research object, analyzes and compares the caving height above strata for thick coal seam in the working face through three methods of slicing, offline fully-mechanization and fully-mechanized caving mining. Research results show that in overlying strata, the overburden fracture develops furthest by fully mechanized coal caving minning technology, offline fully-mechanization is next, stratified fully mechanized mining is minimum. Uses for reference for mining under overburden aquifer and coal mining under three circumstances.

1工作面概況

某礦2301N綜放工作面位于-810水平二采區(qū)下山以北，東為尚未準(zhǔn)備的2302N工作面，西為尚未開采的3301綜放工作面，南為二采輔二下山保護(hù)煤柱，北為于莊北斷層煤柱。地表標(biāo)高為+44.2 m，該工作面開采煤層為3煤。根據(jù)該區(qū)域范圍內(nèi)L-2、142、13-1S、13-2S、10-3S號(hào)鉆孔和上平巷、下平巷揭露資料，2301N綜放工作面僅在工作面聯(lián)巷南部L-2鉆孔揭露煤層含0.35 m夾矸，巖性多為炭質(zhì)泥巖。3煤層該區(qū)域?qū)俜€(wěn)定煤層，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單～復(fù)雜。

3煤可采指數(shù)為1，為穩(wěn)定煤層，煤層傾角0.35°～4.0°，平均3.0°.2301N工作面煤層頂?shù)装迩闆r見表1.

厚煤層開采可采用分層綜采、網(wǎng)下綜放開采、綜放開采3種采煤工藝。現(xiàn)分別對(duì)各采煤工藝條件下的覆巖變形破壞情況進(jìn)行預(yù)計(jì)分析。根據(jù)鉆孔揭露，按2301N工作面平均采厚9.2 m進(jìn)行預(yù)計(jì)分析。根據(jù)近期淺部區(qū)域覆巖的巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果顯示，其上部受風(fēng)化的泥巖和細(xì)砂巖單軸抗壓強(qiáng)度為4.9～13.5 MPa，下部砂巖(中砂巖、細(xì)砂巖)的單軸抗壓強(qiáng)度為34.2～64.9 MPa；由于2301N工作面覆巖泥巖含量相對(duì)較多，依據(jù)各巖性含量比例，將2301N工作面淺部區(qū)域基巖的強(qiáng)度類型界定為中硬偏軟。

表1　2301N工作面煤層頂?shù)装迩闆r表

2分層條件下的覆巖破壞高度

分層開采能有效降低覆巖破壞高度，頂分層開采所導(dǎo)致的覆巖破壞高度約占累積厚度開采覆巖破壞高度的70%～80%，且頂分層開采厚度越小，覆巖破壞高度越低。

因此，為盡可能降低分層綜采造成的覆巖破壞高度，2301N工作面3煤層采用分層開采。由于煤層平均厚度9.2 m，若按3個(gè)分層，其單層采厚>3.0 m，不適用于“規(guī)程”公式規(guī)定的厚煤層開采計(jì)算公式要求，因此，按4層進(jìn)行計(jì)算，自上至下分層采厚分別為2.2 m、2.2 m、2.4 m和2.4 m，累計(jì)厚度9.20 m.

1) 按照《規(guī)程》預(yù)計(jì)。

該區(qū)3煤覆巖屬中硬偏軟類型，根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》，按照中硬覆巖類型計(jì)算：

(1)

(2)

式中：

Hm—垮落帶高度最大值，m；

HLi—導(dǎo)水裂縫帶高度最大值，m；

∑M—累計(jì)采厚，m.

將2301N工作面3煤層各分層累積采厚(自上而下2.20 m、4.40 m、6.80 m和9.20 m)分別代入式(1)、式(2)可以得出，一分層開采后其垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶最大發(fā)育高度分別為7.5 m、30.9 m；二分層開采后覆巖“兩帶”最大發(fā)育高度分別為11.1 m、41.4 m；三分層后覆巖“兩帶”最大發(fā)育高度分別為13.4 m、47.0 m；四分層開采后覆巖“兩帶”最大發(fā)育高度分別為14.8 m、50.3 m.

2) 經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)計(jì)。

根據(jù)相鄰的兗州礦區(qū)實(shí)際觀測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析，綜采工作面中硬覆巖垮落帶高度(Hm)與采厚(M)的關(guān)系為：

(3)

式中：

Hm—垮落帶高度最大值，m；

∑M—累計(jì)采厚，m.

將各分層累計(jì)采厚分別代入式(3)，計(jì)算得出2301N工作面四分層綜采，其垮落帶發(fā)育最大高度分別為12.4 m、14.8 m、14.9 m和16.5 m(各分層自上而下)。

根據(jù)興隆莊礦對(duì)分層綜采條件下的覆巖破壞進(jìn)行了大量觀測(cè)，得出分層綜采條件下覆巖破壞最大高度與采厚的關(guān)系式：

(4)

式中：

HLi—導(dǎo)水裂縫帶高度最大值，m；

∑M—累計(jì)采厚，m.

將各分層累計(jì)采厚分別代入式(4)，計(jì)算得出2301N工作面四分層綜采，其導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育最大高度分別為37.3 m、40.0 m、41.1 m和41.6 m(各分層自上而下)。

3) 2301N工作面分層綜采覆巖破壞高度綜合分析。

比較兩種預(yù)計(jì)方法，預(yù)計(jì)結(jié)果存在差異，分層開采時(shí)，根據(jù)興隆莊礦經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)計(jì)的2301N工作面導(dǎo)水裂縫帶高度小于根據(jù)“規(guī)程”預(yù)計(jì)的高度。分析原因，在基巖柱厚度較小時(shí)，基巖風(fēng)化帶所占基巖柱比例增大，而基巖風(fēng)化帶強(qiáng)度相對(duì)未風(fēng)化基巖強(qiáng)度大幅度降低，導(dǎo)致導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度降低，由此可見，基巖風(fēng)化帶對(duì)導(dǎo)水裂縫帶向上發(fā)育的抑制作用明顯。楊村礦第四系表土層下近煤層露頭附近開采的實(shí)測(cè)結(jié)果也證明了這一點(diǎn)(個(gè)別煤礦甚至出現(xiàn)了二分層開采后導(dǎo)水裂縫帶高度略有下降的現(xiàn)象)。因此，多分層開采時(shí)，根據(jù)興隆莊礦實(shí)測(cè)結(jié)果預(yù)計(jì)的導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育高度小于按照中硬覆巖預(yù)計(jì)的高度，按照興隆莊礦實(shí)測(cè)結(jié)果預(yù)計(jì)的導(dǎo)水裂縫帶高度更符合2301N工作面的實(shí)際情況。

綜上所述，為安全起見，垮落帶最大發(fā)育高度取較大值。導(dǎo)水裂縫帶最大發(fā)育高度取經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果，分層開采“兩帶”最大發(fā)育高度結(jié)果見表2.

表2　分層開采“兩帶”最大發(fā)育高度預(yù)計(jì)結(jié)果表　　m

3網(wǎng)下綜放開采條件下覆巖破壞高度

網(wǎng)下綜放中頂分層的提前開采，既降低了煤層全部開采后的覆巖破壞發(fā)育高度，又對(duì)煤層開采后覆巖的破壞情況有一定的指導(dǎo)作用。本次頂分層采厚選取2.2 m，網(wǎng)下綜放厚度為7.0 m.

1) 類比分析。

興隆莊礦二采區(qū)網(wǎng)下綜放開采的垮高與采厚比為2.4～3.1，裂高與采厚比為4.3～4.1(23S1網(wǎng)下綜放開采的實(shí)測(cè)裂采比為4.3～4.4)，二采區(qū)實(shí)測(cè)結(jié)果見表3，4。從表4可以看出，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度不僅與煤層開采厚度有關(guān)，而且與工作面基巖柱垂高有關(guān)，基巖柱垂高大則裂縫帶發(fā)育高度一般較高，基巖柱垂高小則裂縫帶發(fā)育高度一般較低。

表3　興隆莊礦網(wǎng)下綜放開采條件下垮落帶高度實(shí)測(cè)結(jié)果表

表4　興隆莊礦網(wǎng)下綜放開采條件下導(dǎo)水裂縫帶高度實(shí)測(cè)結(jié)果表

類比分析認(rèn)為，興隆莊礦2303工作面的開采條件與2301N工作面條件較為相近。為安全起見，垮采比和裂采比均取最大值，分別為3.1、4.1，則類比分析預(yù)計(jì)2301N工作面網(wǎng)下綜放開采垮落帶最大高度為28.6 m，導(dǎo)水裂縫帶最終發(fā)育高度為47.0 m.

2) 經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)計(jì)。

據(jù)綜放開采條件下預(yù)計(jì)覆巖破壞高度的經(jīng)驗(yàn)公式：

(5)

根據(jù)目前資料，頂分層開采厚度為2.2 m，網(wǎng)下綜放厚度為7.0 m，累積厚度為9.2 m.將累計(jì)厚度9.2 m代入式(5)，計(jì)算出2301N工作面網(wǎng)下綜放開采時(shí)的垮落帶發(fā)育高度約為24.9 m.

根據(jù)兗州礦區(qū)經(jīng)驗(yàn)，網(wǎng)下綜放導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度計(jì)算公式：

(6)

將累積厚度9.2 m代入式(6)，計(jì)算得出2301N工作面網(wǎng)下綜放開采時(shí)的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為44.5 m.

3) 2301N工作面網(wǎng)下綜放覆巖破壞高度綜合分析。

以上兩種方法預(yù)測(cè)結(jié)果較為接近，本著安全的目的，取較大值。因此，網(wǎng)下綜放開采后垮落帶最大高度為28.6 m，導(dǎo)水裂縫帶最大發(fā)育高度為47.0 m.

4 綜放開采條件下的覆巖破壞高度

放頂煤開采一次采放高度大，其開采造成的導(dǎo)水裂縫帶和垮落帶高度均將相應(yīng)增大，由于《規(guī)程》對(duì)綜放開采條件下的覆巖破壞發(fā)育高度預(yù)計(jì)沒有規(guī)定，目前，對(duì)綜放開采條件下的覆巖破壞發(fā)育高度預(yù)計(jì)，主要根據(jù)類似條件礦井綜放開采條件下的覆巖破壞實(shí)測(cè)結(jié)果，通過經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)計(jì)“兩帶”高度。

1) 利用經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)計(jì)。

根據(jù)兗州礦區(qū)多年來實(shí)際觀測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析，歸結(jié)出“兩帶”高度的經(jīng)驗(yàn)公式，具體如下：

整層綜放條件下垮落帶高度按4倍采厚進(jìn)行預(yù)計(jì)：

Hm=4×∑M

(7)

導(dǎo)水裂縫帶最大高度與采厚的關(guān)系為：

(8)

式中：

Hm—垮落帶高度最大值，m；

MLi—導(dǎo)水裂縫帶高度最大值，m；

∑M—累計(jì)采厚，m.

將2301N工作面最大采厚9.2 m代入式(7)、(8)，計(jì)算出其垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶高度分別為36.8 m、71.0 m.

2) 利用裂采比預(yù)計(jì)。

兗州煤業(yè)股份有限公司鮑店礦在5306、1316工作面進(jìn)行了導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度的實(shí)測(cè)，具體實(shí)測(cè)結(jié)果見表5.

表5　5306、1316工作面導(dǎo)水裂縫帶高度實(shí)測(cè)結(jié)果表

楊村礦利用瞬變電磁法對(duì)綜放開采條件下的覆巖破壞發(fā)育高度進(jìn)行了探測(cè)，探測(cè)結(jié)果見表6.

表6　楊村301工作面綜放條件下礦區(qū)實(shí)測(cè)結(jié)果表

興隆莊礦四、五采區(qū)全煤厚綜放開采的裂高采厚比為6.5～8.5，見表7.

表7　綜放開采條件下導(dǎo)水裂縫帶高度實(shí)測(cè)結(jié)果表

結(jié)合2301N工作面開采范圍內(nèi)的具體條件，通過類比分析，選取全煤厚綜放開采的裂高采厚比為8.0，則得出導(dǎo)水裂縫帶高度預(yù)計(jì)值為：

HLi=8×∑M=73.6 m

3) 2301N工作面綜放覆巖破壞高度綜合分析。

以上兩種方法預(yù)測(cè)結(jié)果較為接近，本著安全的目的，取較大值。因此，2301N工作面全厚綜放開采時(shí)，垮落帶最大高度為36.8 m，導(dǎo)水裂縫帶最大發(fā)育高度為73.6 m.

通過采用不同的方法分別對(duì)2301N工作面分層開采、網(wǎng)下綜放及綜放開采條件下的覆巖破壞高度進(jìn)行預(yù)計(jì)，最終的預(yù)計(jì)結(jié)果見表8.

表8不同開采條件下覆巖破壞高度預(yù)計(jì)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

5結(jié)論

分層開采和網(wǎng)下綜放垮落帶最大發(fā)育高度略大于經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果，分層、網(wǎng)下綜放和綜放開采3種采煤工藝條件下導(dǎo)水裂縫帶高度小于經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果。各研究方法都不可避免產(chǎn)生誤差，忽略誤差之后，得到的數(shù)據(jù)是可以作為參考的。

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Study on Damage Height Determination of Overburden Rock in

Thick Coal Seam Working Face

CUI Ruijun

Key wordsThick coal seam; Overlying strata; Fracture height; Coal mining process; Contrast