太平煤礦薄覆巖分層充填開(kāi)采安全防水煤巖柱留設(shè)探討

韓 濤 ，張振鸞，孫慶彬

（山東魯泰控股集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)寧 272000）

1 概 況

太平煤礦6南區(qū)域3煤整體厚度為2.10～9.97m，上覆巖層厚度為0～31.3m，煤層較穩(wěn)定，分布范圍大體南北向，西側(cè)為3煤層露頭，東側(cè)留設(shè)大堤保護(hù)煤柱，北側(cè)臨近6309工作面。共布置6南01、6南02、6南03與6南04等4個(gè)工作面，采用分層開(kāi)采，第一分層回采過(guò)程中各工作面涌水量普遍小于10m3/h，二分層及6南02、6南03工作面三分層膏體充填開(kāi)采過(guò)程中，工作面頂板僅有少量淋水，水量1～5m3/h，回采中沒(méi)有發(fā)生冒頂、潰水潰砂事故，充填質(zhì)量良好，實(shí)現(xiàn)了安全回采，為相同地質(zhì)條件下的其他煤層開(kāi)采提供了基礎(chǔ)資料和借鑒依據(jù)。為充分回收該部分煤炭資源，擬開(kāi)采6南04（3）工作面，為保證安全回踩，需合理確定安全煤柱。

2 三分層膏體充填開(kāi)采覆巖破壞高度計(jì)算

2.1 規(guī)程公式計(jì)算

對(duì)于煤層膏體充填開(kāi)采引起的覆巖破壞規(guī)律，《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》中沒(méi)有直接適合膏體充填開(kāi)采條件下導(dǎo)水裂縫帶高度的計(jì)算公式（單層厚度1～3m），以下以等效開(kāi)采厚度法采用“三下”規(guī)程計(jì)算公式對(duì)六南04（3）回采后對(duì)上覆巖層的變化影響情況進(jìn)行分析，重點(diǎn)對(duì)導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育高度進(jìn)行計(jì)算。

膏體充填為完全充填采空區(qū)的開(kāi)采方法，實(shí)際采厚不能直接用于計(jì)算，為此引入等效采厚的概念：實(shí)際采厚與膏體充填體的有效厚度之差。開(kāi)采后的等效采厚主要由3部分組成：膏體充填前及充填過(guò)程中的頂板下沉量、膏體充填接頂不實(shí)量和膏體凝固過(guò)程中的壓縮量；等效采厚采用法即：M等=M-M膏。

六南采區(qū)各工作面一分層垮落法開(kāi)采1.8m；二分層充填開(kāi)采，采厚2.2m，等效采厚0.58m。開(kāi)采六南02三分層工作面,采厚2.2m時(shí)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間（6個(gè)月后）固結(jié)后，打鉆探測(cè)及實(shí)際揭露數(shù)據(jù)顯示，順槽膏體的穩(wěn)定后厚度為1.75m～2m，平均1.97m；工作面內(nèi)膏體穩(wěn)定后厚度為1.6m～2m，平均1.86m；由于順槽位置充填施工條件較好，效果較好，保守考慮，膏體的有效厚度取為1.86m，據(jù)此估算膏體充填開(kāi)采，控制采高2.2m時(shí)，等效采高為0.34m。二、三分層等效采厚差別加大，主要是一分層未充填、二分層沿采空區(qū)回采，頂板控制難度大，三分層在充填體下回采，頂板平整。

表1 厚煤層分層開(kāi)采的導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算公式

表2 規(guī)程公式計(jì)算的覆巖破壞高度

2.2 本礦實(shí)測(cè)結(jié)果預(yù)計(jì)

太平煤礦8311工作面3煤層基巖厚度厚度5.1～33.3 m，底部黏土厚度 0～6 m，基巖面標(biāo)高 -107.7～-120.5 m，底分層采用膏體充填開(kāi)采，采高2.2 m，實(shí)測(cè)導(dǎo)水裂縫帶最大高度為6.93 m，裂采比為3.15。實(shí)測(cè)表明采用充填開(kāi)采工藝，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度明顯減小。此外8309工作面在覆巖厚度最薄11.4 m情況下，實(shí)現(xiàn)8.8 m采厚按照四個(gè)分層膏體充填安全開(kāi)采。

根據(jù)上述分析，六南04工作面三分層膏體充填開(kāi)采導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算，可采用裂采比數(shù)值為3.15。

表3 本礦實(shí)測(cè)結(jié)果預(yù)計(jì)的覆巖破壞高度（疊加區(qū)）

2.3 相似模型試驗(yàn)結(jié)果預(yù)計(jì)

開(kāi)采前進(jìn)行三分層膏體充填開(kāi)采覆巖變化情況的的相似模擬研究。選取幾何相似常數(shù)Cl=100:1、時(shí)間相似常數(shù)Ct=10:1、密度相似常數(shù)Cρ=1.67:1進(jìn)行模擬，生產(chǎn)過(guò)程中覆巖裂隙逐漸壓實(shí)，在開(kāi)切眼和停采線等地方裂隙向上發(fā)育，垮落帶基本不變化，轉(zhuǎn)換后導(dǎo)水裂縫帶高度21.33～22.8m。

表4 相似模型試驗(yàn)預(yù)計(jì)的覆巖破壞高度

2.4 覆巖破壞高度綜合確定

從上面計(jì)算的覆巖破壞高度來(lái)看，從工作面實(shí)際開(kāi)采情況考慮以及六采區(qū)其他分層的成功開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，為保證安全開(kāi)采，六南04（3）工作面覆巖破壞高度選用預(yù)測(cè)結(jié)果中的最大值，即覆巖破壞高度選擇規(guī)程公式（一）的計(jì)算結(jié)果。

表5 綜合分析覆巖破壞高度

3 防水煤巖柱尺寸留設(shè)

根據(jù)以往地質(zhì)資料，六南采區(qū)范圍內(nèi)第四系下組屬中等富水性含水層，但總體中等偏弱，頂板砂巖、煤系風(fēng)化帶，含水性微弱，頂板砂巖水會(huì)逐漸隨開(kāi)采而被疏干，第四系底部黏土普遍分布，且具有較好的隔水保護(hù)層作用，工程地質(zhì)類型以中細(xì)砂巖和泥巖為主，基本為軟弱～中硬偏軟弱類型，采動(dòng)的水體等級(jí)為Ⅰ-Ⅱ之間，保守設(shè)計(jì)，全部按照Ⅰ級(jí)留設(shè)即頂板安全防水煤巖柱。

頂板防水安全煤巖柱計(jì)算方法為：

式中：Hsh為防水安全煤巖柱厚度，m；Hli為導(dǎo)水裂縫帶高度，m；Hb為保護(hù)層厚度，m。

表6 保護(hù)層厚度計(jì)算方法（不適用于綜放開(kāi)采） 單位：m

表7 防水煤巖柱尺寸設(shè)計(jì)

經(jīng)一、二分層的開(kāi)采擾動(dòng)，三分層開(kāi)采時(shí)頂板巖性考慮為軟弱，安全起見(jiàn)保護(hù)層厚度考慮為3A厚度。

4 結(jié)論和建議

1）采取“三下”采煤規(guī)程經(jīng)驗(yàn)公式、本礦實(shí)測(cè)的分層開(kāi)采和鄰近工作面模型試驗(yàn)預(yù)計(jì)，并結(jié)合六南044 結(jié)論和建議

2）采取“三下”采煤規(guī)程經(jīng)驗(yàn)公式、本礦實(shí)測(cè)的分層開(kāi)采和鄰近工作面模型試驗(yàn)預(yù)計(jì)，并結(jié)合六南04（3）工作面上方已經(jīng)開(kāi)采的一分層、二分層開(kāi)采范圍、采厚等工程地質(zhì)條件以及鄰近工作面的開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算六南04第三分層開(kāi)采的垮落帶、導(dǎo)水裂縫帶高度，即垮落帶未進(jìn)一步發(fā)育，采厚分別為2.2m和1.8m，導(dǎo)水裂縫帶高度分別為24.25m和24.08m；

3）由于開(kāi)采上限的限制，第一分層工作面和二三分層工作面在采準(zhǔn)巷道上位置不同；不同開(kāi)采方法疊加的部位，有可能是導(dǎo)水裂縫帶高度發(fā)育較大的部位。

4）煤層回采過(guò)程中要注意斷層的影響，做好超前探測(cè)工作。

5）設(shè)計(jì)的防水煤柱，比本礦已采工作面實(shí)測(cè)值偏大，開(kāi)采過(guò)程中要做好相關(guān)數(shù)據(jù)的觀測(cè)，進(jìn)一步改進(jìn)。