奥灰顶部井下注浆加固承压开采工作面合理长度研究

分类：矿业论文发表 时间：2018-07-28 10:31 关注：(1)

　　贾　维

　　(冀中能源股份有限公司东庞矿技术科，河北　邢台　054200)

　　摘　要： 根据东庞矿北井以往开采下组煤的经验，得出了工作面具备增加长度实施承压开采的基本条件。工长度增大到90m后，比原设计提高了20m，提高幅度达到了28.5%，大大提高了采面的可采储量和服务期限，提了矿井的资源回收率。

　　关键词： 下组煤;工作面长度;移动;垮落;矿压;承压开采

　　中图分类号： TD265.4;TD353　　文献标识码： B　　文章编号： 1004-275X(2018)04-020-02

　　冀中能源股份有限公司的东庞矿北井主采太原组(下组煤) 9# 煤层。通过多年的探索与实践，将工作面长度确定为 70m 左右。

　　由于这样的工作面长度相对较短，导致矿井存在着掘进率高、接替紧张、区段煤柱丢失较多等一系列问题。特别是 9210 工作面，受 9200 采区轨道巷二期护巷煤柱的影响，如果按照原设计的工作面长度进行开采布局，工作面与 9200 采区轨道巷二期护巷煤柱间将会余留宽约 52m 左右的一条煤柱，如若不加以开采，则将会造成5.87 万 t 左右的资源浪费。因此，从有利于协调矿井的采掘接替关系、增加资源采出率等方面考虑，适当增加工作面长度是十分必要的。但同时，回采工作面长度的增加可能导致底板岩层破坏深度的增加，从而影响承压开采工作的安全性。因此研究承压开采工作面长度对底板岩层破坏深度与底板突水风险的影响，是一项既有理论意义又有工程应用价值的研究课题。

　　1 工作面底板岩层的结构特点及增加工作面长度实施承压开采的基本条件

　　随着煤层的开采，采场上覆岩层将自下而上依次垮落和断裂，形成垮落带、裂隙带和弯曲下沉带，三带的几何尺寸及其运动特征，直接影响采场的矿压显现特征及围岩控制方法。

　　基于覆岩“三带” 理论，计算确定了 9210 工作面的基本顶为 8 煤上方的大青灰岩，主关键层为煤层上方 30m 左右的、厚度 8 m 左右的细砂岩。

　　东庞北井开采下组煤的主要充水水源为太原组大青灰岩水、本溪灰岩水、奥陶系灰岩水以及小煤窑采空区积水。 9# 煤开采防治水的重点是防止奥灰突水，奥灰水是影响 9# 煤安全开采的主要水患因素。实施工作面带压开采，必须有完善的探、放水措施。

　　9210 工作面 9# 煤层底板至奥灰顶界面之间的距离大约在 40m 左右。隔水层厚度相对较大(注浆加固改造本溪灰岩后，使本溪灰岩变成一个强度较高的隔水层)，因此对 9# 煤承压开采来说相对有利。一般来说，隔水层厚度越大，底板突水的可能性就越小 ;反之，隔水层厚度薄，底板突水可能性就大。

　　在隔水层岩性组成中，泥质类岩石(包括泥岩、砂质泥岩、铝土岩)所占比例在 50% 左右。这说明隔水层泥质类岩石所占比例相对较高，正常条件下隔水层隔水性能相对较好。

　　根据 9210 工作面附近的煤层赋存条件和开采技术条件 ： 9# 煤底板距奥灰顶界面的平均距离为 37m，工作面最低标高为 -220m，奥灰水头标高按峰值位置 +46m 考虑，在不考虑底板采动破坏深度的情况下，突水系数最大值约为 0.072MPa/m，也即工作面部分区域处于突水威胁区。因此，要解放受底板奥灰高承压水威胁的下组煤，就必须从水文地质勘测、回采工作引起的底板岩层破坏深度、底板岩层注浆加固等多个层面开展系统的科学研究，研究承压开采工作面长度对底板岩层破坏深度及底板突水风险的影响，才能达到安全、高效承压开采的最终目的。

　　2 工作面长度增加时的底板破坏深度

　　当承压开采工作面底板岩层在采动应力的作用下产生一定深度的破坏时，相当于减少了煤层和承压含水层之的隔水层厚度，从而增大了底板的突水风险。工作面底板岩层的破坏深度越深，承压开采工作面的安全性就越差。底板岩层的破坏深度及其对底板突水风险的影响，是进行承压开采工作面安全评价与设计必须首先解决的关键问题。

　　由于 9210 工作面西侧是已回采完毕的 9208 工作面采空区，东侧是 9200 采区轨道巷实体煤柱，是一般意义上的正常接续工作面。老顶岩层在煤柱所在位置垂直方向的位移将会受到约束，但微小转动不会受到约束 ;而在煤壁所在位置垂直方向的位移和微小转动均会受到约束。因此应将老顶岩层在煤柱一侧的边界考虑成简支边，而在煤壁处的一侧考虑成固支边。

　　工作面初次来压时，老顶岩层可以简化成承受均布荷载的三面固支、一面简支的矩形板。

　　当顶板上的最大拉应力达到岩层的极限抗拉强度时，顶板将会断裂、垮落。因此，当工作面长度一定时，使顶板的最大拉应力恰好达到岩层的极限抗拉强度的推进长度即为来压步距。反之当工作面长度发生变化时，每一个工作面长度都有一个与之相对应的老顶来压步距，继而直接影响工作面周围煤体所受的剪力和弯矩及其煤体塑性区宽度，从而对工作面周围底板岩层的最大破坏深度产生直接影响。

　　东庞矿北井工作面现开采宽度一般为 70m，采动底板最大破坏深度实测为 14.96m( 9202 工作面)。通过理论计算，当 9210 工作面增加到 125m 时，正常区域的底板最大破坏深度计算为 16.08m，工作面长度增加对底板岩层破坏深度的影响是有限的。通过改造奥灰顶界面，工作面具备增加长度至 125m 的条件。

　　3 工作面底板下伏岩层“二带”划分的矿井防治水方略

　　传统的承压开采理论以及邢台矿区以往注浆加固本灰的过程中，从煤层底板到底部承压含水层顶面之间可以划分为下“三带”，即底板采动裂隙带 h1，完整有效隔水层保护带 h2 及承压水导升裂隙带 h3，如图 1( a)所示。在采动裂隙带 h1 中，岩层主要受采动压力的影响而产生次生采动裂隙 ;在完整有效隔水层带 h2 中，其受到的采动压力影响程度明显减弱，基本上没有产生破坏裂隙 ;承压水导升裂隙带 h3 主要受承压水的作用，水压楔入岩体空隙造成承压水导升。由于采动裂隙带及导升带不能有效地起到阻隔承压水的作用，因此底板是否发生突水，主要取决于有效隔水层带的厚度及其承载能力。

　　与传统的注浆改造本灰为相对隔水层而起主要承载作用，下部仍需要考虑奥灰水导高所不同，将注浆钻孔穿过本灰而直抵奥灰顶界面进行注浆时，所改变的不仅仅是增加了奥灰顶界面“风化壳” 内的注浆段长度，更主要的是在此过程中，一并将奥灰的原始导高(无论有没有，导高是高还是低)都通过浆液结石体封闭起来，使本灰下部的岩层也成为真正的隔水层，从而使这种注浆加固情况下的底板岩层，只存在着底板采动破坏带和注浆加固阻水带等“二带”，大大提高了底板的阻水能力，提高了承压开采工作面的安全性。

　　课题的研究成果已于 2016 年 12 月通过了公司组织的专家验收，并应用于工程实践之中。现场实际的工作面长度从原设计的 70m 增大到 90m，比原设计提高20m，提高幅度达到了 28.5%，大大提高了采面的可采储量和服务期限，提高了矿井的资源回收率，获得了良好的社会和经济效益。

　　参考文献 ：

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