孙疃矿7211工作面提高回采上限覆岩破坏高度研究
时间：2022-09-04 09:10:04 来源：千叶帆 本文已影响人
摘 要：孙疃煤矿矿井设计对浅部煤层按90m煤岩柱高度留设防水煤岩柱，造成大量煤炭资源积压，资源回采率降低。本文以孙疃煤矿81采区7211工作面为例，通过工作面松散层和72煤覆岩水文与工程地质条件分析，采用“三下”规程和FLAC3D数值模拟相结合的研究方法，确定了工作面留设合理的煤岩柱高度25m，回采上限为-209.99m，可解放工作面煤炭资源30万吨。
关键词：回采上限;含隔水层;两带高度;安全煤柱
0 引言
我国华北、华东和东北地区许多大煤田多为隐伏型，煤层上覆盖有130m～300m中松散层沉积，松散层底部常存在着中等富水性、甚至强富水性的含水层。据统计我国中、厚松散层煤柱约有50亿吨，造成了大量煤炭呆滞储量，长期得不到开发利用[1]。因此，在保证安全开采的前提下，设计合理的煤岩柱高度，确定合理的回采上限，对于解放浅部呆滞煤炭资源和提高回采率具有着重要意义。
1 工作面的地质条件
孙疃煤矿位于淮北煤田南部临涣矿区，81采区位于矿井中央采区南侧，主要含煤地层为二叠系的山西组、下石盒子组和上石盒子组。7211工作面为81采区72煤层第一水平的第四个综采面，总体上为一走向近于SN，倾向NE的单斜构造，煤层倾角平均16°，无火成岩侵入;DF10断层斜穿工作面，落差为0～8m，呈北东向展布，对工作面的掘进及回采可能存在一定的影响。
72煤层作为主要可采煤层，赋存于下石盒子组下部，煤层厚度为1.54～3.45m，平均2.9m，属中厚煤层。底板埋深234.42～380.58m，一般含1～3层夹矸，结构较简单，夹矸岩性为泥岩或炭质泥岩。顶板岩性的分布特点为软弱到中硬强度的泥岩与粉砂岩占绝大多数。
2 松散层水文地质特征
根据矿区及矿井松散层可岩性组合特征，自上而下可划分为四个含水层和三个隔水层，其中“三隔”和“四含”对浅部煤层开采充水影响较大。作面及附近11个钻孔资料表明，松散层厚度为203.00～210.85m，平均厚度为205.97m。“三隔”平均厚度为69.28m，隔水良好，“四含”底界深度平均205.97m，平均厚度4.45m。通过抽（注）水试验得出的“四含”单位涌水量为0.029l/s.m和渗透系数0.089 m/d，水质类型为HCO3·SO4-Na·Mg，依据《煤矿防治水细则》[2]，7211工作面“四含”为弱富水性含水层类型。
3 基岩工程地质特征
该工作面基岩面标高-176.70～-184.99m之间变化，平均为-179.86m。由北向南，地势由高到低，风化带厚度略有增加，平均28.00m左右。工作面附近区域南部风化带分布较北边深，东边风化较西边深。风化带岩性主要由砂岩、泥岩组成，其岩石为抗压强度低，较软弱，但膨胀性好，具有一定的隔水能力。覆岩的砂岩厚度为14.77～102.91m，平均厚度40.99m，泥岩厚度12.74～113.29m，平均厚度60.66m。覆岩砂泥比小于1的有5个钻孔，大于1的有3个钻孔。72煤层直接顶是中砂岩，但沉积厚度不大。72煤层覆岩中，砂岩的抗压强度为11～22.3MPa，根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与开采规程》[3]（以下简称为“三下”规程）规定10～20 MPa 为软弱覆岩，20～40 MPa为中硬覆岩，由此可推断出，7211工作面内72煤层顶板覆岩类型基本上为中硬偏软弱类型。
4 工作面覆岩破坏特征研究
4.1 规程计算“两带”高度
本次采用“三下”规程中硬覆岩类型计算公式预计冒落带和裂隙带的发育高度，72煤层为一次性全采，采厚取煤厚平均值2.9m。
式中，Hm——为冒落高度，m;Hl ——为导水裂隙带高度，m;ΣM——煤层采厚，m;实际计算时，±2.2、±5.6分别取2.2和5.6，则求得冒落带高度为11.09m，导水裂隙带高度为40.79m。
4.2 数值模拟计算“两带”高度
本次根据工作面钻孔资料及矿井岩土试验数据，运用FLAC3D数值模拟软件模拟72煤层开采覆岩变形破坏规律，预计冒落带、裂隙带发育高度及其分布范围。
4.2.1 计算模型及参数
（1）模拟模型地质情况。以81采区7211回采工作面地质资料为基础，工作面标高-250～-315m。72煤平均厚度2.9m，倾角16°，工作面走向长862m，倾向长180m。
（2）模型参数。a.该模型几何形状：宽200m，长200m，高150m，模拟岩层倾角为16°。b.边界条件设置：底部全固定，四周水平方向限制，顶部自由边界，并施加上覆岩土荷载。c.初始应力条件：施加渐变内部应力。顶部施压为6.25Mpa，底部为7.88Mpa，泊松值取0.33。尽量与边界条件平衡，然后运行1072步达到初始应力真正平衡。d.模型力學参数与具体网格划分见表1。
采用一次采全高的开采方法，模拟了斜长为100m。根据莫尔库仑理论，采用迭代法并利用FLAC计算出72煤层开采后底板岩层的采动变形破坏特征，获得顶板岩层屈服破坏特征图、工作面顶板岩层应力云图等，具体见图1。
4.2.2 计算结果分析
由图1（a～d）分析表明，通过用FLAC3D软件对81采区7211工作面的数值模拟结果表明，超前支承压力对顶板的破坏高度约为13m，老顶初次来压对顶板岩层的破坏高度约为40m，周期来压对顶板岩层的破坏高度大约为36～40m[6]。
4.3 “两带”高度取值
通过经验公式、数值模拟“两带”高度，按照安全第一的原则，在“两带”高度取值的中以取最大值为原则，得出最终7211工作面 “两带”高度值为：冒高为13.00m，裂高为40m，按煤层均厚2.9m计算，则冒采比为5.68，裂采比为19.72。 相关热词搜索：回采，工作面，上限，高度，破坏，
