放顶煤开采防砂煤柱防水防砂技术研究
2004-12-08 00:00 来源： 我的钢铁 作者：mysteel
摘 要 通过对芦岭煤矿810采区水文地质条件的分析研究， 提出了该采区放顶煤开采防砂煤柱防水防砂技术研究的基本思路是：疏放四含水，降低承压 水头；控制采高，加强顶板管理，控制顶板在工作面斜长方向上的不均匀冒落；确保安全开 采。
1 引言 淮北矿业集团芦岭矿810采区的煤层是新生界松散层覆盖下的全隐伏型煤层，煤系上部 含水砂砾层（ 称四含或底含）直接覆盖在煤层露头上，成为矿井充水的重要补给源并威胁浅部煤层的开采 。仅8、9煤层该采区就有500多万t的防砂煤柱储量。为了回收这部分资源，矿、校合作开 展了全部回收防砂煤柱储量的防水、防砂技术研究与试采，取得了良好的经济效益。
1.1 810采区概况
芦岭矿810采区位于井田西翼，为一孤立的短轴向斜盆地，采区范围内二叠纪煤系下统下 石盒子组8、9煤层为主要可采煤层。该采区8、9煤地质储量504万t，其中可采储量437万t。 采区第四纪松散层厚 183.0～256.5m，平均厚242.52m。自上而下发育 4个含水层和 3个隔 水 层，依次为一含、一隔、二含、二隔、三含、三隔、四含［3］。其中，三含为本区 强含水层 。四含厚度为5.0～22.99 m，虽然厚度不大，但直接覆盖在 8煤层的薄覆岩之上，构成了矿 坑 直接充水水源［2］。 8煤层覆岩厚3.12～17.86m，其中基岩风化带厚3.44～17.86m （根据试验测 定，风化覆岩的水稳性差），未风化覆岩厚度占整个覆岩厚度比例很小。从技术角度来看， 810采区开采的成败，主要取决于能否有效防治水、砂的溃入。
1.2 技术研究的基本思路
基于这些情况，810采区放顶煤开采防砂煤柱防水防砂技术研究的基本思路是：疏放四 含水，降低承压水头；控制采高，使覆岩冒裂带高度不致波及四含的全部厚度，减少对四含 渗流场的扰动；加强顶板管理、控制顶板在工作面斜长方向上的不均匀冒落；加强监测，确保安全开采等。
2 疏放四含水
2.1 放水工程目的
由于810采区勘探程度较低，未做过专门的水文地质勘探或补勘工作，因而，通过放水工程 实施，对四含及基岩风化带水文及工程地质条件、8煤层及覆岩的赋存状况进行探查。
其主要目的是：
（1） 在8102和8101工作面开采范围内疏放四含水，减小局部富水区和富水带的威胁；
（2） 进一步查明8煤层、覆岩及其风化带的厚度变化情况；
(3） 通过钻孔岩芯描述与观测，进一步弄清覆岩及其风化带的岩性特征以及四含、风化带的组成；
（4） 通过颗分试验及破坏性渗透试验,进一步研究四含的渗透稳定性；利用浸水试验，进一步研究风化带的水稳定性；
（5） 取水样化验，分析四含水的水质特征。
810采区疏放水工程施工钻窝29个，放水孔87个，完成进尺2990.10m。
2．2 放水工程效果评价
2.2.1 地层厚度的进一步确认
通过钻探资料分析，8煤层厚度在4.4～10.1 m之间，平均8.53m。8煤层覆岩由泥岩、砂 岩 组成，风化较为严重。其中，泥岩层薄，厚度一般在0.8～2.9 m；砂岩层相对较厚，一般为 6.0～11.6m。
2.2.2 疏水效果良好
放水孔中，最长放水时间达10个月，最短的也有约5个月。钻窝初见最大出水量达100 m3/ h，终孔最大出水量达97.2m3/h 。通过较长时间的疏放水，除强富水区个别钻孔有少量淋 水外，其余大部分放水孔只有滴水，说明放水工程取得了初步成效。通过放水资料分析,得 出以下主要结论：
（1） 四含的富水性在垂向上是不均匀的，中上部富水性较强。
（2） 四含富水性在平面上具有分区的特点，钻窝涌水量的分布明显出现三个区：强富水区 、弱水区、弱富水区。
（3） 涌水量衰减速度差异较大。强富水区水量衰减较快。进一步分析认为，这与该处的四 含粗粒含量较高、透水性较好有关。
3 允许采放煤高度的确定
煤矿开采实践证明，采后覆岩的变形破坏波及的范围和冒落裂隙带的发育高度与采高有密切 关系。因而，控制放煤高度是防止四含水、砂溃入的重要措施之一。根据数值模拟结果，不 同 放采比下,覆岩应力、位移及最大导高、冒高发育高度有所不同。根据有限元理论，建立走 向、倾向模型，按不同的放采比进行数值模拟计算，结合相似材料模拟试验结果，在采放高 度为6.0m的情况下(放采比为2∶1)，最大导高达到四含底部，最大冒高接近达到老顶中部( 风 化带内)。在采放高度为7.0m时(放采比为2.5∶1)，最大导高达到四含中部，最大冒高接近 达到四含底部 (见表1)。
表1 最大裂隙带和冒落带高度及位置（略）
通过对四含水的疏放，取得了较好的效果，同时得出了两点重要结论：一是四含中上 部富水性较强，二是在平面上四含有强富水区和弱富水区之分。
在这种情况下，若考虑 最大冒高不是大量波及四含中上部(四含中上部富水性相对较强)，则允许采放煤高度为6.5 ±0.5m，即，若采高为2.0m，则允许放煤高度为4.5±0.5m (弱富水区取“+”、强富水区 取“-”)。
4 覆岩剪切破坏的控制
根据相似材料模拟和数值模拟，在首采区工作面两端因覆岩应力集中而产生剪切破裂，为溃 水 、溃砂提供了可能通道。为了防止在切眼及收作线附近覆岩产生过大的剪切破坏，阻隔 四含水、砂溃入，在开采初期，放煤高度从零开始逐渐增大，推进一定距离后方可达到允许 放 煤高度(4.5±0.5m)，形成台阶状。在收作前(距收作线一定距离)，放煤高度从4.5±0.5m逐 渐减小为零，也形成台阶状。经过不同台阶长度时的数值模拟，并结合相似材料模拟试验成 果，得出沿推进方向的台阶长度以6.0m为宜。
在开采初期，只采不放，工作面推进6.0m后，放煤2.0m，再推进6.0m后，放煤高度增加2.0m 左右，然后正常推进(放煤4.5±0.5m)。工作面推进至离收作线12m时，减小放煤高度2.0m, 继续推进6.0m后，再减小放煤高度2.0m，然后只采不放直至工作面收作。
值得强调的是，实际开采时，不可能是台阶状，而是形成一定的坡度。这种情况下，只要坡 度控制在30°左右，也能达到同样的效果。
5 加强顶板管理，控制顶板不均匀冒落
810采区可采煤层较厚，倾角缓，适宜放顶煤开采。考虑四含水、砂的威胁，决定采用简易 放顶煤开采。该工艺具有效率较高、操作简便、灵活性大、开采成本低等特点，其回采率可 控性强。
5．1 铺设双抗网再生假顶
为了更有效防止四含及风化带水、砂的溃入, 同时因工作面跟底托顶回采有利于采空区放煤 ，采煤过程中，顶板铺设双抗网。
图1 移架操作程序示意图（略）
5．2 移挪梁必须规范，严禁空顶作业
若顶板产生不均匀冒落，冒落处的覆岩内会形成应力集中，可能导致水砂大量涌入，后果 不堪设想。为此，移挪梁时必须严格遵守作业规程和有关技术要求，严禁空顶作业。
6 在操作过程中的注意事项
（1） 支柱必须垂直于顶底板，定位要准确；
（2） 漏冒顶处，必须用木料接实背严；
（3） 若煤壁有片帮现象，应采取切实有效的措施将煤壁背严；
（4） 移梁时，严禁大面积对子棚错梁；
（5） 给同一棚支柱补液时,要保持支柱受力均衡,防止倒柱伤人；
（6） 回柱时按自下而上、由里向外的顺序进行。回柱前必须对主梁柱进行重新补液；
（7） 回柱前，要检查回柱地点的支架情况，发现问题，必须先处理，确认无问题后，方可 进行回柱操作；
（8） 回柱放顶时，不许将采空区支柱全部回出；
（9） 要保证工作面快速均衡推进(工作面宽度不宜过大，保证推进速度为正常情况下的1.5 ～2.0倍)，实现正规循环作业；
（10） 顶板管理主要参数(见表2)。（略）
7 其它方面的监测及防范措施
（1）加强水情、砂情监测，发现水、砂涌入工作面时，除采用有效措施堵、截外，还要 同时观测水、砂量，并取样化验。
（2）增大矿井排水能力，并且要保证疏排水路畅通。芦岭矿 在8102面机巷下方，设置一条专门的泄水(砂)巷，与机巷以溜眼相连(每50m施工一个溜眼， 或根据有关设计技术要求进行)。
（3）强化顶板管理，煤帮用大笆背实靠严，做到采空区、顶板、煤壁“三封闭”，杜绝 漏冒顶事故发生。
（4）确保安全避灾路线的畅通无阻。
参考文献
1 桂和荣. 防水煤(岩)柱合理留设的应力分析计算方法［M］. 北京: 煤炭工业出版社,199 7
2 桂和荣. 厚松散层下及超薄覆岩条件下放顶煤开采防砂煤柱［J］.煤田地质与勘探,20 02(2):36～39
3 桂和荣.芦岭矿区810采区第四采区含水层渗透稳定性研究［J］.煤炭科学技术.2002(2): 32～34
4 煤炭科学研究院北京开采所. 煤矿地表移动与覆岩破坏规律及其应用［M］. 北京: 煤炭 工业出版社, 1981. 12
1 引言 淮北矿业集团芦岭矿810采区的煤层是新生界松散层覆盖下的全隐伏型煤层，煤系上部 含水砂砾层（ 称四含或底含）直接覆盖在煤层露头上，成为矿井充水的重要补给源并威胁浅部煤层的开采 。仅8、9煤层该采区就有500多万t的防砂煤柱储量。为了回收这部分资源，矿、校合作开 展了全部回收防砂煤柱储量的防水、防砂技术研究与试采，取得了良好的经济效益。
1.1 810采区概况
芦岭矿810采区位于井田西翼，为一孤立的短轴向斜盆地，采区范围内二叠纪煤系下统下 石盒子组8、9煤层为主要可采煤层。该采区8、9煤地质储量504万t，其中可采储量437万t。 采区第四纪松散层厚 183.0～256.5m，平均厚242.52m。自上而下发育 4个含水层和 3个隔 水 层，依次为一含、一隔、二含、二隔、三含、三隔、四含［3］。其中，三含为本区 强含水层 。四含厚度为5.0～22.99 m，虽然厚度不大，但直接覆盖在 8煤层的薄覆岩之上，构成了矿 坑 直接充水水源［2］。 8煤层覆岩厚3.12～17.86m，其中基岩风化带厚3.44～17.86m （根据试验测 定，风化覆岩的水稳性差），未风化覆岩厚度占整个覆岩厚度比例很小。从技术角度来看， 810采区开采的成败，主要取决于能否有效防治水、砂的溃入。
1.2 技术研究的基本思路
基于这些情况，810采区放顶煤开采防砂煤柱防水防砂技术研究的基本思路是：疏放四 含水，降低承压水头；控制采高，使覆岩冒裂带高度不致波及四含的全部厚度，减少对四含 渗流场的扰动；加强顶板管理、控制顶板在工作面斜长方向上的不均匀冒落；加强监测，确保安全开采等。
2 疏放四含水
2.1 放水工程目的
由于810采区勘探程度较低，未做过专门的水文地质勘探或补勘工作，因而，通过放水工程 实施，对四含及基岩风化带水文及工程地质条件、8煤层及覆岩的赋存状况进行探查。
其主要目的是：
（1） 在8102和8101工作面开采范围内疏放四含水，减小局部富水区和富水带的威胁；
（2） 进一步查明8煤层、覆岩及其风化带的厚度变化情况；
(3） 通过钻孔岩芯描述与观测，进一步弄清覆岩及其风化带的岩性特征以及四含、风化带的组成；
（4） 通过颗分试验及破坏性渗透试验,进一步研究四含的渗透稳定性；利用浸水试验，进一步研究风化带的水稳定性；
（5） 取水样化验，分析四含水的水质特征。
810采区疏放水工程施工钻窝29个，放水孔87个，完成进尺2990.10m。
2．2 放水工程效果评价
2.2.1 地层厚度的进一步确认
通过钻探资料分析，8煤层厚度在4.4～10.1 m之间，平均8.53m。8煤层覆岩由泥岩、砂 岩 组成，风化较为严重。其中，泥岩层薄，厚度一般在0.8～2.9 m；砂岩层相对较厚，一般为 6.0～11.6m。
2.2.2 疏水效果良好
放水孔中，最长放水时间达10个月，最短的也有约5个月。钻窝初见最大出水量达100 m3/ h，终孔最大出水量达97.2m3/h 。通过较长时间的疏放水，除强富水区个别钻孔有少量淋 水外，其余大部分放水孔只有滴水，说明放水工程取得了初步成效。通过放水资料分析,得 出以下主要结论：
（1） 四含的富水性在垂向上是不均匀的，中上部富水性较强。
（2） 四含富水性在平面上具有分区的特点，钻窝涌水量的分布明显出现三个区：强富水区 、弱水区、弱富水区。
（3） 涌水量衰减速度差异较大。强富水区水量衰减较快。进一步分析认为，这与该处的四 含粗粒含量较高、透水性较好有关。
3 允许采放煤高度的确定
煤矿开采实践证明，采后覆岩的变形破坏波及的范围和冒落裂隙带的发育高度与采高有密切 关系。因而，控制放煤高度是防止四含水、砂溃入的重要措施之一。根据数值模拟结果，不 同 放采比下,覆岩应力、位移及最大导高、冒高发育高度有所不同。根据有限元理论，建立走 向、倾向模型，按不同的放采比进行数值模拟计算，结合相似材料模拟试验结果，在采放高 度为6.0m的情况下(放采比为2∶1)，最大导高达到四含底部，最大冒高接近达到老顶中部( 风 化带内)。在采放高度为7.0m时(放采比为2.5∶1)，最大导高达到四含中部，最大冒高接近 达到四含底部 (见表1)。
表1 最大裂隙带和冒落带高度及位置（略）
通过对四含水的疏放，取得了较好的效果，同时得出了两点重要结论：一是四含中上 部富水性较强，二是在平面上四含有强富水区和弱富水区之分。
在这种情况下，若考虑 最大冒高不是大量波及四含中上部(四含中上部富水性相对较强)，则允许采放煤高度为6.5 ±0.5m，即，若采高为2.0m，则允许放煤高度为4.5±0.5m (弱富水区取“+”、强富水区 取“-”)。
4 覆岩剪切破坏的控制
根据相似材料模拟和数值模拟，在首采区工作面两端因覆岩应力集中而产生剪切破裂，为溃 水 、溃砂提供了可能通道。为了防止在切眼及收作线附近覆岩产生过大的剪切破坏，阻隔 四含水、砂溃入，在开采初期，放煤高度从零开始逐渐增大，推进一定距离后方可达到允许 放 煤高度(4.5±0.5m)，形成台阶状。在收作前(距收作线一定距离)，放煤高度从4.5±0.5m逐 渐减小为零，也形成台阶状。经过不同台阶长度时的数值模拟，并结合相似材料模拟试验成 果，得出沿推进方向的台阶长度以6.0m为宜。
在开采初期，只采不放，工作面推进6.0m后，放煤2.0m，再推进6.0m后，放煤高度增加2.0m 左右，然后正常推进(放煤4.5±0.5m)。工作面推进至离收作线12m时，减小放煤高度2.0m, 继续推进6.0m后，再减小放煤高度2.0m，然后只采不放直至工作面收作。
值得强调的是，实际开采时，不可能是台阶状，而是形成一定的坡度。这种情况下，只要坡 度控制在30°左右，也能达到同样的效果。
5 加强顶板管理，控制顶板不均匀冒落
810采区可采煤层较厚，倾角缓，适宜放顶煤开采。考虑四含水、砂的威胁，决定采用简易 放顶煤开采。该工艺具有效率较高、操作简便、灵活性大、开采成本低等特点，其回采率可 控性强。
5．1 铺设双抗网再生假顶
为了更有效防止四含及风化带水、砂的溃入, 同时因工作面跟底托顶回采有利于采空区放煤 ，采煤过程中，顶板铺设双抗网。
图1 移架操作程序示意图（略）
5．2 移挪梁必须规范，严禁空顶作业
若顶板产生不均匀冒落，冒落处的覆岩内会形成应力集中，可能导致水砂大量涌入，后果 不堪设想。为此，移挪梁时必须严格遵守作业规程和有关技术要求，严禁空顶作业。
6 在操作过程中的注意事项
（1） 支柱必须垂直于顶底板，定位要准确；
（2） 漏冒顶处，必须用木料接实背严；
（3） 若煤壁有片帮现象，应采取切实有效的措施将煤壁背严；
（4） 移梁时，严禁大面积对子棚错梁；
（5） 给同一棚支柱补液时,要保持支柱受力均衡,防止倒柱伤人；
（6） 回柱时按自下而上、由里向外的顺序进行。回柱前必须对主梁柱进行重新补液；
（7） 回柱前，要检查回柱地点的支架情况，发现问题，必须先处理，确认无问题后，方可 进行回柱操作；
（8） 回柱放顶时，不许将采空区支柱全部回出；
（9） 要保证工作面快速均衡推进(工作面宽度不宜过大，保证推进速度为正常情况下的1.5 ～2.0倍)，实现正规循环作业；
（10） 顶板管理主要参数(见表2)。（略）
7 其它方面的监测及防范措施
（1）加强水情、砂情监测，发现水、砂涌入工作面时，除采用有效措施堵、截外，还要 同时观测水、砂量，并取样化验。
（2）增大矿井排水能力，并且要保证疏排水路畅通。芦岭矿 在8102面机巷下方，设置一条专门的泄水(砂)巷，与机巷以溜眼相连(每50m施工一个溜眼， 或根据有关设计技术要求进行)。
（3）强化顶板管理，煤帮用大笆背实靠严，做到采空区、顶板、煤壁“三封闭”，杜绝 漏冒顶事故发生。
（4）确保安全避灾路线的畅通无阻。
参考文献
1 桂和荣. 防水煤(岩)柱合理留设的应力分析计算方法［M］. 北京: 煤炭工业出版社,199 7
2 桂和荣. 厚松散层下及超薄覆岩条件下放顶煤开采防砂煤柱［J］.煤田地质与勘探,20 02(2):36～39
3 桂和荣.芦岭矿区810采区第四采区含水层渗透稳定性研究［J］.煤炭科学技术.2002(2): 32～34
4 煤炭科学研究院北京开采所. 煤矿地表移动与覆岩破坏规律及其应用［M］. 北京: 煤炭 工业出版社, 1981. 12
