综放开采露头区防砂防塌煤柱覆岩破坏高度研究

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 0  引言

按“三下”采煤规程规定，风氧化带煤炭属于防砂防塌煤柱的范畴。邢台矿基岩厚10m以上的煤炭基本未被风氧化，具有较好的开采价值。开采该部分资源对延长矿井服务年限、提高资源回收率、维持矿井稳产高产具有重要意义。该部分煤炭资源过去一直采用分层开采，但随着采煤机械化的发展，工作面一次采高逐渐加大，综放开采取代分层开采经济效益显著。本文拟对复杂条件下综放开采露头区防砂防塌煤柱时对覆岩“两带”(垮落带、裂隙带)破坏进行试验研究，为进一步研究综放开采防砂防塌煤柱技术提供必要前提。

1试验工作面的工程地质条件

    7816工作面位于邢台矿东翼八采区，走向长1000m，倾向长40～70m，工作面基岩柱厚17～51m(见图1)，绝大部分覆岩厚30～40m。受古风化影响煤层顶板风化严重，强度低，均属于软弱一极软弱型顶板；工作面下部为F10-1断层，落差25m，上部为F21边界断层，工作面位于F10-1断层的下盘。由于两断层的存在，岩层被切割成一块独立的岩体，使工作面处于地质断裂构造抬升部位，造成7816工作面顶板压力过大，给采掘造成极大困难；其所采煤层是2#煤层，为一复杂结构的稳定厚煤层，倾角40～180。

2试验内容

对7816工作面采用综放开采，“两带”高度不能应用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采的规程》分层开采的预计方法来评价；由于该矿露头区综放开采试验工作面冲积层厚达300m以上，作为观测段的基岩厚度又薄，达不到采用传统钻探方法观测“两带”高度的要求，这里采用有限差分法计算和相似材料模型试验对综放开采覆岩破坏“两带”高度进行试验研究。

2．1  工作面采动破坏与有限差分法模拟分析

    应用数值模拟软件对邢台矿7816综放工作面在采高2．6m、放煤高度3．8m时，顶煤顶板垮落状态进行模拟分析，分别按照工作面推进距离为16、32、48、56、64、72、80和88m时进行分析计算，得出裂隙发育区域顶端距离煤层底板的距离。其跨落高度和裂隙发展高度见表1，模型建立及破坏后的形态见图2。

    从表1可以看出，根据目前关于工作面顶板垮落带和裂隙带高度的计算规定，可以得到邢台矿2#煤层综采工作面顶板垮落带高约20．5m，而裂隙带高约36m。

2．2相似材料模拟试验

    为了取得开采后覆岩破坏产生的“两带”高度，针对邢台矿7816工作面的采矿地质条件，采用平面应力模型架，模拟采深290m，其中岩柱高74m、松散层高216m、煤厚6．4m。模型的几何尺寸为2．4m×0．4m×2m，按照1：100比例系数进行模拟，见图3。相似模拟试验结果分析：

    ——煤层上覆岩层破坏特征及导水裂隙带的最大高度。下分层(采高2．6m)开采后，当工作面采至距切眼22m时，直接顶开始冒落，冒高2m，裂高4m。随着工作面推进顶板冒高及裂高逐渐增大；采至距切眼42m，老顶开始初次垮落，此时冒高9．5m，裂高22 m；待采至距切眼54m时，老顶开始第一次周期来压；采至距切眼66m时，老顶第二次周期来压，老顶周期来压步距为12m。之后老顶每隔12m左右垮落一次。下分层采后间隔一天开始放顶煤，放煤高3．8m，累计采厚6．4m。工作面开采20m后开始首次放顶；采至40m时老顶垮落，冒高13．5m；采至60m时冒高21．3m，裂高36．3m。裂高随工作面推进距离的关系见图4～7。

    ——煤层上覆岩层位移变化规律。位于切眼外煤柱上方顶板内部的位移随着工作面开采变化量很小，最大位移量为47m。同样具有距煤层往上越远位移量越小，越靠近煤柱内部位移量越小的规律。

    顶板上部不同位置上顶板的最大下沉系数见表2。

    ——顶板应力变化规律：1)位于煤柱区的顶板应力一直处于逐渐增压的状态下；2)位于切眼处的顶板压力一直处于逐渐降压的状态下；3)位于下沉推进状态下的顶板应力处于采前增压、采后降压及逐渐恢复状。

3类比法分析

兴隆庄矿在巨厚含水砂层下进行综采覆岩破坏高度观测研究，分析得出了中硬覆岩条件下综采工作面分层开采的覆岩破坏高度，其顶分层的冒采比和裂采比分别为3．6～6和9．5～12．8，而邢台矿7816工作面顶板为软弱覆岩，按前述方法计算，7816工作面冒采比应分别为2．3～3．8和4．7～6．4，工作面回采率按80％计算，即最大冒落高度19．38m，最大裂隙高32．64m。

4覆岩“两带”高度结果分析

    露头区防砂防塌煤柱综放开采后，通过理论分析计算、相似模拟试验和类比法得出覆岩破坏所产生的冒落带、导水裂隙带的高度值，结果见表3。

综上所述3种方法，7816综放工作面最大冒落高度范围19．4～21．3m，最大裂隙高34．5～36．3m。由此确定综放开采条件下防水、防砂、防塌煤柱高度，制定了分阶段阶梯式限厚放顶煤开采方案，决定在基岩厚>25m的块段采用全厚放顶煤开采，基岩柱厚15～25m的块段限厚放顶煤开采，确保了7816综放工作面的试采成功。

5结语

    通过对综放开采露头区防砂防塌煤柱覆岩破坏高度的有限差分模拟、相似模拟试验和类比法分析，确定了该复杂地质条件下覆岩“两带”的高度，并作如下结论：

    ——露头区防砂防塌煤柱综放开采后，覆岩的“两带”高度不遵循“三下”《规程》中“两带”高度的计算方法；

    ——采用有限差分模拟、相似模拟试验和类比分析相结合的分析方法，可确定出该条件下覆岩“两带”的破坏高度范围，最大冒落高度范围19．4～21．3m，最大裂隙高度34．5～36．3m；

    ——确定了综放开采条件下防水、防砂、防塌煤柱高度，制定了分阶段阶梯式限厚放顶煤开采方案，以确保7816综放工作面的试采成功，对类似工程地质条件下的其它矿区也有一定的借鉴作用。