松散煤層安全開采煤柱留設可行性分析與應用

邊 龍 龍

（山西焦煤西山煤電礦山救護大隊，山西 太原 030200）

0 引 言

西山煤礦根據礦井所用的采煤方法以及采煤工藝，對3 煤層留設了垂高80 m 的防隔水煤柱，由于防隔水煤柱（厚度≤80 m）范圍主要位于西部的五采區、六采區和八采區，3（3上、3下）煤層防水煤柱儲量為7 184 萬t，基巖厚度在40～80 m 范圍內的儲量僅有4 138 萬t，形成了大量的呆滯煤炭，長期得不到及時開發利用，制約著礦井生產。因此，需要縮小防水安全煤巖柱，變為防砂安全煤巖柱，解放大量的防水煤巖柱內的資源儲量，以提高經濟效益和社會效益。

1 地質概況

西山煤礦核定生產能力為500 萬t/a，煤層絕對瓦斯涌出量為256.43 m3/min，相對瓦斯涌出量為33.58 m3/t，屬于Ⅰ類自燃傾向型煤層。主要開采的8 采區西部、6 采區和5 采區西部，東西方向距離大約1.73 km，南北方向的距離大約8.66 km，面積大約14.98 km2，8 采區3 煤層平均厚9.22 m，6 采區3 煤層平均厚8.59 m，5 采區主采3 煤層厚度平均為8.72 m。使用立井水平大巷開掘，采掘水平面高度設計為-590 m 以及-430 m，采用對角抽出式通風方案[1]。按巖性和完整性將3 煤頂板基巖高度60 m 和底板下22 m 巖層可劃分為底含、底粘、粉細砂巖、泥巖、粉砂巖和煤層等6 個地質巖組。開采3 煤層的頂底板地層特征表1。

表1 3 煤層頂底板地層特征

2 綜放開采覆巖變形破壞特征

2.1 模型的建立

依據西山煤礦5 采區、6 采區以及8 采區所處位置松散煤層薄基巖鉆孔數量統計，研究區80 m 防隔水煤柱區域內綜采情況下煤層垮落帶高度，地質背景為附近鉆孔和西部8 采區、6 采區以及5 采區代表的山西組3 煤層頂底板煤巖層，綜合機械化放頂煤開采情況下工程地質層序結構模型參數研究示意圖如圖1 所示[2]。

圖1 3 煤層綜放開采初始條件和邊界條件示意圖

使用研究區均值設定仿真的地質背景，第4 系厚度208 m，覆巖厚60 m，3 煤層為9 m，按完整性和巖性把3 煤層底板下22m 巖層和頂板基巖60 m 可分類為粉細砂巖、底粘、底含、煤層、粉砂巖、泥巖6 個工程地質巖組，它們的組合結構設置12 層。工程地質數值模型空間范圍沿走向距離200 m，寬度取120 m，底板厚度取22 m，頂板取69 m，上方覆蓋的松散層選擇4.0 MPa。在仿真模型四周都設置30m保護煤柱，開挖區域140m×60m，沿走向方向開挖。

2.2 模擬結果與分析

2.2.1 豎直應力變化特征分析

綜合機械化放頂煤開采9 m 后，垂直應力變化布局云圖如圖2 所示，可以得到，無論是傾向方向或者走向方向，采掘后在開采面2 側煤壁中都有2 個應力升高區域，但是采空區底部、頂部都存在應力正值和極小值，其中正值代表拉伸力。原因是采掘之后破壞了之前的應力平衡，采掘區域發生了應力釋放，還未采掘的區域發生了應力集中引起的[3]。由數值仿真結果可以得到，在采掘前3 煤層頂板存在大約5.7 MPa 的自重應力，采掘140 m 后垂直應力極大值為12.4 MPa，應力集中因子極值為2.2。

圖2 綜放開采完畢后3 煤頂底板豎直應力分布云圖

2.2.2 垂直位移變化特征研究

無論是傾向，又或者是走向，采掘以后采掘煤層的正上方都出現了垂直位移的極大值，并且參數也大體相同，極值都是6.72 m。頂板巖層的向下位移，位移參數為負值，底板巖層出現底鼓現象，則位移參數為正值，底板巖層底鼓量極值大為42 cm，顯然頂板巖層的下沉量遠大于底板巖層的底鼓量。

2.2.3 “兩帶”高度變化特征分析

綜合機械化放頂煤開采后頂底板變形破壞特征的塑性區云圖如圖3 所示，頂板大致呈現正馬鞍形，底板大致呈現倒馬鞍形，拉伸應力為中部的主要應力，剪切破壞為兩側主要應力。依據仿真中劃分的網格，可以得到該采掘情況中垮落帶垮采比為3.3，高度30 m，透水裂隙帶的高度最大延伸至基巖頂部。通過對比研究可知，傾斜方向和走向上垮落帶高度基本相等，然而透水裂隙帶高度有差異[4]。塑性區剪切破壞及拉張破壞云圖和垂直應力分布規律及垂直位移的變化特點擁有良好的相符性，在采掘模型的頂底板存在受拉破壞區，垂直位移和垂直應力也出現正值，都屬于受拉狀態；兩側的剪切塑性區域都發生了應力集中。

圖3 綜放開采完畢后3 煤頂底板塑性區分布云圖

綜上所述，綜合機械化放頂煤開采后可得到研究區的最大應力12.4 MPa，應力集中因數最大為2.2；頂板下沉量極值為6.72 m，底鼓量極值為0.42m，垮落帶高度極值30 m，垮采比約3.3，導水裂縫帶高度最大延伸到基巖頂部。

3 安全開采煤巖柱合理留設

3.1 煤層開采垮落帶高度計算

研究區內6 采區3 煤層厚度平均為8.59 m，5 采區3 煤層厚度平均為8.72 m，8 采區3上煤層厚度平均為5.23 m，3 煤層厚度平均為9.22 m。

“三下規范”垮落帶（Hk）高度計算公式為[5]：

式中：ΣM為累計采厚，m。取5、6、8 采區各煤層厚度的平均值。

為了提高安全可靠性，誤差按正直計算。

各采區開采3 煤層垮落帶高度計算如下：

根據煤礦可行性分析報告可知，綜合機械化放頂煤開采冒高/采厚比為3.5，有垮落帶高度：

式中：M為綜合機械化放頂煤開采厚度，m。

把礦井5、6、8 采區煤層厚度平均值代入公式中，計算得8 采區采掘3上煤層的垮落帶高度為18.3 m，3 個采區開采3 煤層的垮落帶高度依次是30.5、30.1、32.3 m。

為保證安全，垮落帶高度取礦區經驗公式計算值，即5、6、8 采區全煤厚綜合機械化放頂煤開采3 煤層垮落帶高度依次是30.5、30.1、32.3 m；8 采區3上煤層全煤厚綜合機械化放頂煤開采垮落帶高度為18.3 m。

3.2 保護層的選取

由于綜合機械化放頂煤開采時，采厚大，依靠礦區放頂煤水體下采掘經驗，通常選擇采厚的2 倍為保護帶厚度。但考慮到相鄰煤礦綜合機械化放頂煤全厚開采時，選擇采厚的1.5 倍作為保護帶厚度并成功采掘的經驗，考慮開采面上部松散層底含屬弱含水性[6]，按最大煤厚考慮開采面采放厚度，則5、6、8 采區綜合機械化放頂煤開采保護層厚度的最小值依次是：13.1、12.9、13.8 m。

3.3 防砂煤巖柱尺寸選取

經過估算覆巖破壞高度可得，在綜合機械化放頂煤工藝采掘工程當中，它的垮落帶高度的極大值，隨后按防砂煤巖柱的設置方案，把得到的垮落帶高度最大值和保護層厚度代入公式中，計算得到綜放工藝在采掘的條件下最小防砂煤柱高度，5 采區43.6 m、6 采區43.0 m、8 采區46.1 m；8 采區3上煤層全煤厚綜合機械化放頂煤開采，防砂安全煤巖柱高度為26.1 m。

3 個采區5、6、8 采區，在不同開采條件下防砂安全煤巖柱設立見表2。根據已有數據，8 采區3上煤層上側基巖石柱的最薄為31.26 m（165 號孔），3 煤層上側基巖石柱的最薄為47.09 m，都比設置防砂安全煤巖柱全煤厚綜合機械化放頂煤開采需要的煤巖柱厚度需要要更大，所以8 采區的3、3上煤層可開采全煤厚綜合機械化放頂煤。

4 安全性分析

結合西山煤礦5 采區、6 采區和8 采區開采面區域的實地情況和相關數據，從防砂煤巖柱的隔水阻砂性能、組合結構特征和巖性開展深入研究，確認綜合機械化放頂煤開采工藝下防砂煤巖石柱最小的厚度，來評定采掘區開采面設立防砂安全煤巖石柱的可靠、安全性。

從基巖特征角度研究5 采區開采面3 煤頂板，該地區防砂煤巖柱安全可靠的主要原因是基巖的結構性特點。開采面近處第4 系下組各亞分層富水性弱，并且2 隔與1 隔水層中的粘土厚度大、結構穩定，造成了3 含水層（底含）補給情況不佳，開采面基巖最薄地方（切眼處）尤為明顯，全區最大水層厚度出現在2 隔與1 隔，3 含（底含）含粘高而且薄，富水性極弱，滲透性差。所以，5 采區開采面周圍的第4 系下組各段組合結構特點提供了安全保障及有利基礎。5 采區采用綜合機械化放頂煤開采條件下所需留設防砂安全煤巖柱最小高度為43.6 m，由基巖厚度研究認為5 采區開采面采掘設置煤巖石柱是可靠的。

依據6 采區基巖厚度分布情況，基巖厚度遠遠比所留設最小防砂煤巖柱高度要大，大部分區域基巖厚度要比煤巖柱的高度更大，而且基巖風化帶的組成成分為膠結的泥巖和砂巖，而且遇到水的浸潤容易發生膨脹泥化、崩解的特征，采動、原生裂縫發生彌合、壓密，使滲透性變小，阻砂隔水特性加強。而從基巖風化帶方向研究，6 采區開采面基巖上側風氧化巖層擁有抑制裂縫擴展和阻砂隔水的雙重優點。6 采區采用綜合機械化放頂煤開采需要設置的煤巖柱高度最小為43.0 m，所以，從基巖厚度方面研究認為6 采區工作面開采留設防砂安全煤巖柱也是可靠的。

8 采區開采面周圍基巖風化帶的組成成分為泥質膠結的砂巖和泥巖，這一種巖石經過風化之后，會使得粘土成分增加、強度降低和可塑性增大，也就是強風化段時，可以出現1 道優秀的阻砂隔水的屏蔽。所以，由基巖風化帶特點方向研究，開采面基巖上側的風氧化巖層擁有一定的抑制裂縫擴展和阻砂隔水的雙重優點，所以更加加強了防砂安全煤巖柱的可靠性。8 采區運用綜合機械化放頂煤開采需要設置的煤巖柱高度最小為46.1 m，8 采區3上煤層全煤厚綜合機械化放頂煤開采，防砂安全煤巖柱高度是26.1 m，所以，從基巖厚度方向研究確認8 采區工作面開采留設防砂安全煤巖柱是可靠的。

5 結 論

1）根據西山煤礦松散煤層綜合機械化放頂煤開采覆巖變形破壞特征的數值仿真，得到采動覆巖變形破壞特征量化數值，綜合機械化放頂煤開采后最大應力為12.4 MPa，應力集中系數最大為2.2；頂板下沉量最大為6.72 m，底鼓量最大為0.42 m，垮落帶高度最大為30 m，垮采比為3.3，導水裂縫帶高度最大延伸至基巖頂部。

2）研究區3 煤層綜合機械化放頂煤開采，5、6、8 采區防砂安全煤巖柱依次是43.6、43.0、46.1 m，8 采區3上煤層全煤厚綜合機械化放頂煤開采，防砂安全煤巖柱是26.1 m，從基巖厚度方向研究認定各開采面采掘留設防砂安全煤巖柱是可靠且安全的。