厚煤層淺埋深河床下開采技術(shù)研究與應(yīng)用

孫文德++劉洋

摘 要：根據(jù)杉木樹煤礦河床下占?jí)好禾績(jī)?chǔ)量大、埋深小，煤柱范圍開采煤層上覆巖層堅(jiān)硬且脆性較大、不含隔水層，地表地形復(fù)雜的特征，結(jié)合理論論證、FLAC3D數(shù)值計(jì)算論證、F-RFPA數(shù)值滲流模擬、類似材料模擬實(shí)驗(yàn)、概率積分預(yù)計(jì)模擬分析等多種研究方法，確定了采深大于等于40倍采高時(shí)采全高、小于40倍時(shí)控制采高在2.0～2.5m的限高協(xié)調(diào)減損開采方案。經(jīng)實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了淺埋深河床下工作面的安全回采，采出占?jí)好褐?9.28萬(wàn)t，采出率達(dá)91.7%。

關(guān)鍵詞：厚煤層 淺埋深 河床下 限高開采技術(shù)

中圖分類號(hào)：TD823 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）11（a）-0082-03

川煤集團(tuán)芙蓉公司杉木樹煤礦N24采區(qū)中部對(duì)應(yīng)地表有一條石炭溝河，河床的寬度為5～10m，走向長(zhǎng)度約為1840m；河床兩側(cè)為較為陡立的山坡地形，地形復(fù)雜；洪水季節(jié)水流匯集非常集中，最大達(dá)5000m3/h；河床為碎石砂、卵石及基巖裸露形態(tài)，不具備隔水性能。河床下預(yù)留的煤柱寬度為150～250m，工業(yè)儲(chǔ)量約260萬(wàn)t，可采儲(chǔ)量約186萬(wàn)t。預(yù)留煤柱上覆巖層堅(jiān)硬且脆性較大，基本不含隔水層；煤層厚度一般在3.0m以上，埋深小，工作面距離地表的高度為67～117m，這種河流下煤層開采條件復(fù)雜特殊，在國(guó)內(nèi)外尚屬少見。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于河流下煤層的開采主要基于限高開采、條帶開采、部分開采和充填開采等方法。通過(guò)赴山東、湖南等地實(shí)地考察，采用充填開采噸煤成本高、開采速度慢，不適合于南方高瓦斯易發(fā)火煤層礦井；而采用條帶開采煤炭采出率較低，僅在50%～60%，資源丟失較大，且采用條帶開采的采寬一般≤20m，這將給回采準(zhǔn)備造成了極大的困難，巷道掘進(jìn)量大、工作面連續(xù)推進(jìn)短、搬家頻繁，工作面單產(chǎn)將受到很大的影響。根據(jù)開采區(qū)煤層埋深河床范圍小、河床兩側(cè)山體范圍大的特點(diǎn)，采用協(xié)調(diào)開采無(wú)疑是最優(yōu)的開采方案。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)M計(jì)算分析研究

1.1 上覆巖層變形規(guī)律數(shù)值模擬

1.1.1 FLAC3D數(shù)值模型的建立

該數(shù)值模擬是根據(jù)開采區(qū)不同位置所做的四個(gè)剖面（A—A、B—B、C—C和D—D）針對(duì)不同的開采范圍分別建立了模型，具體剖面線位置如圖1所示。對(duì)上覆巖層計(jì)算準(zhǔn)則采用摩爾—庫(kù)倫準(zhǔn)則，網(wǎng)格劃分的原則是依據(jù)模擬巖層層位及性質(zhì)進(jìn)行劃分的，煤層開采高度為3m，模擬尺寸、劃分單元網(wǎng)格和節(jié)點(diǎn)數(shù)具體如下。

（1）根據(jù)石炭溝河橫向A—A剖面圖所建立的模型長(zhǎng)350m、寬100m、最大高度約170m，模型共劃分10900個(gè)單元和14212個(gè)節(jié)點(diǎn)。

（2）根據(jù)石炭溝河橫向B—B剖面圖所建立的模型長(zhǎng)350m、寬100m、最大高度約170m，模型共劃分9830個(gè)單元和12782個(gè)節(jié)點(diǎn)。

（3）根據(jù)石炭溝河橫向C—C剖面圖所建立的模型長(zhǎng)350m、寬100m、最大高度約170m，模型共劃分11440個(gè)單元和15147個(gè)節(jié)點(diǎn)》。

（4）根據(jù)石炭溝河橫向D—D剖面圖所建立的模型長(zhǎng)350m、寬100m、最大高度約170m，模型共劃分10720個(gè)單元和13750個(gè)節(jié)點(diǎn)。

1.1.2 模擬結(jié)果分析

受覆巖載荷分布、工作面布置及煤層地質(zhì)條件影響，工作面上覆巖層移動(dòng)呈非對(duì)稱型分布，上覆巖層變形及破壞呈非對(duì)稱型分布，地表下沉系數(shù)為0.4～0.5。N24102（上）工作面由于河床位于其正上方，地表在石炭溝河附近的溝谷處下沉量最大，為1100～1500mm，最大下沉值位置偏移采空區(qū)下山方向約20m。N2492工作面由于河床未在其正上方，石炭溝河附近的地表下沉量并非最大，為500～800mm，而處于采空區(qū)正上方的山坡中部則最大，為900～1200mm。

1.2 覆巖導(dǎo)水裂縫帶數(shù)值模擬

1.2.1 F-RFPA2D固液耦合滲流模擬的建立

本模擬過(guò)程使用位移矢量、彈性模量變化、滲透系數(shù)及水量滲流來(lái)分析上覆巖層裂隙發(fā)育及滲流規(guī)律，研究不同開采高度下導(dǎo)水裂縫帶的分布規(guī)律。模擬了采高為3m時(shí)，圖1中C—C剖面覆巖彈性模量變化、位移矢量、滲透系數(shù)及水量滲流等情況。

1.2.2 F-RFPA2D固液耦合滲流模擬結(jié)果分析

工作面采高3m時(shí)，預(yù)計(jì)導(dǎo)水裂隙帶約105m，工作面采高2m時(shí)，預(yù)計(jì)導(dǎo)水裂隙帶約70m，導(dǎo)水裂隙帶均是采高的35倍，符合芙蓉礦區(qū)實(shí)際采高與采深比35～40倍的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系值。當(dāng)采高3m、覆巖高度低于105m時(shí)，采高2m、覆巖高度小于70m時(shí)，煤層開采后覆巖均會(huì)被破壞，河流水會(huì)大量滲入到井下，影響安全生產(chǎn)。若開采不采取相應(yīng)措施，將不能實(shí)現(xiàn)杉木樹礦河流下占?jí)好褐陌踩夭伞?/p>

1.3 相似材料模擬實(shí)驗(yàn)

1.3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)采用高寬90cm、10cm，長(zhǎng)100cm的模型架，模型比例選擇1∶400。工作面的沿河流方向推進(jìn)，垂直于剖面，但由于是二維模擬，固采用從左向右的方向?qū)δＰ烷_挖，所以只對(duì)初始和最終模擬形態(tài)分別進(jìn)行分析。

模擬在采高3m時(shí)，覆巖中裂隙帶發(fā)育變化情況。通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M，確定開采過(guò)程中煤層上覆巖層移動(dòng)變形情況和范圍，河床和河床兩側(cè)山體破壞形態(tài)及程度。

1.3.2 相似模擬試驗(yàn)結(jié)果分析

模型采空區(qū)上覆巖層只有兩帶發(fā)育，即冒落帶、裂隙帶，冒落帶高度約為28m，裂隙帶直達(dá)地表；下沉量山區(qū)要比一般的地區(qū)小，導(dǎo)致這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是上覆堅(jiān)硬巖層的結(jié)構(gòu)和巖性造成的；從影響范圍來(lái)說(shuō)，下山的主要影響范圍大于上山方向的影響范圍，在50m以上；開采傾斜煤層時(shí)上部?jī)A斜巖層冒落，山體裂縫最大長(zhǎng)度14m，覆巖內(nèi)部裂縫也達(dá)到了16m，寬度為0.6～0.8m，由于上覆載荷分布不均勻以及煤層存在一定的傾角，導(dǎo)致上覆巖層破壞形態(tài)呈非對(duì)稱型分布，兩側(cè)山體自重可減小裂隙帶高度；模型河床均出現(xiàn)破壞下沉的現(xiàn)象，由于河床埋深最大74m，故推測(cè)裂隙帶高度大于74m。endprint

2 影響函數(shù)預(yù)計(jì)分析及開采方案的確定

運(yùn)用西安科技大學(xué)基于概率積分理論為基礎(chǔ)研制的YLH-12預(yù)計(jì)模擬程序，在反映出開采后地表全盆地移動(dòng)變形分布情況的基礎(chǔ)上，獲得地表移動(dòng)變形等值線分析圖，借助地表移動(dòng)變形等值線分析圖分析開采地表移動(dòng)變形與地表建筑物間的關(guān)系，進(jìn)一步對(duì)開采參數(shù)和開采方案進(jìn)行優(yōu)化。

通過(guò)上覆巖層變形規(guī)律數(shù)值模擬、覆巖導(dǎo)水裂縫帶數(shù)值模擬、相似材料模擬及基于概率積分的開采影響函數(shù)分析，確定了采深大于等于40倍采高時(shí)采全高、小于40倍時(shí)控制采高在2.0～2.5m的限高協(xié)調(diào)減損開采方案。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果分析

3.1 采高控制及原煤產(chǎn)出情況

杉木樹煤礦N24102上工作面于2012年8月20日開始調(diào)采，2012年9月1號(hào)開始正式回采，到2013年4月30日工作面回采結(jié)束，共采出煤炭49.28萬(wàn)t，采出率達(dá)91.7%。整個(gè)開采期間避開雨季，同時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)開采影響范圍地表河床、建筑物受損情況和裂縫發(fā)展情況，及時(shí)采取措施處置。

N24102（上）工作面實(shí)際開采厚度、原煤產(chǎn)量情況，如圖2、圖3所示。

3.2 地表河床裂縫破壞及滲水情況

2012年9～12月經(jīng)地面連續(xù)觀測(cè)，在工作面以后約20m處河床及河床兩側(cè)最大下沉量為25mm、水平位移量為65mm；在離開切眼約60m處河床及河床兩側(cè)最大下沉量為20mm、水平位移量為30mm；在離開切眼約100m處河床及河床兩側(cè)最大下沉量為35mm、水平位移量為50mm。河床兩側(cè)的移動(dòng)變形表明，下沉量小于水平移動(dòng)量，符合預(yù)計(jì)的河床受兩側(cè)山體擠壓影響情況，水平移動(dòng)值大于下沉值，這種情況有利于河床下部巖層中裂縫的閉合，能夠有效降低河床水的下滲量。

在整個(gè)開采過(guò)程中工作面平均涌水量18.2m3/h，最大涌水量36.3m3/h，涌水量變化不大，控制在預(yù)計(jì)涌水增量范圍內(nèi)。

3.3 河床排導(dǎo)渠防護(hù)效果

開采期間地表河床理論平均滲水量259.39m3/h、滲水率14.64%；工作面回采完成待覆巖下沉變形穩(wěn)定后，工作面對(duì)應(yīng)河床段采取了施工混凝土排導(dǎo)渠以減少滲水量的措施，排導(dǎo)渠施工完成后，地表河床理論平均滲水量、滲水率降為了155.60m3/h和7.45%。實(shí)踐表明，河床排導(dǎo)渠防護(hù)工程實(shí)施投入使用后，河床流量損失降低了約50%。

4 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用FLAC3D數(shù)值模擬開采覆巖應(yīng)力應(yīng)變和破壞分布情況，應(yīng)用F-RFPA2D數(shù)值試驗(yàn)?zāi)M固液耦合條件下開采引起覆巖導(dǎo)水裂縫帶的高度，應(yīng)用相似材料模擬實(shí)驗(yàn)方法模擬開采引起覆巖冒裂帶發(fā)育高度、范圍和地表裂縫情況，結(jié)合理論分析給出了40倍采高的安全防水煤巖柱的結(jié)論。模擬計(jì)算分析了應(yīng)用限高協(xié)調(diào)開采方法降低及減輕覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度的可行性，為石炭溝河下安全開采提供了充分的依據(jù)，提出了適應(yīng)機(jī)械化長(zhǎng)壁工作面開采的限高協(xié)調(diào)減損+地表河床構(gòu)筑排導(dǎo)渠防護(hù)結(jié)合避開洪水季節(jié)的開采方法。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了杉木樹煤礦厚煤層淺埋深河床下N24102（上）工作面的安全回采，取得的研究成果可在類似條件的“三下”開采中推廣應(yīng)用。

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