基于下土層保護(hù)的無煤柱開采方案研究

理論和實(shí)踐表明，保護(hù)舍是完全消除保護(hù)舍突出風(fēng)險(xiǎn)的有效手段。目前，保護(hù)申報(bào)是管理區(qū)域疾病的首選。在應(yīng)用保護(hù)層時(shí),與被保護(hù)層之間存在一個(gè)距離的限制問題,即對(duì)保護(hù)層與被保護(hù)之間的距離有一定的要求,特別是下保護(hù)層的使用,如果距離不當(dāng),那么保護(hù)層開采不可行或者保護(hù)效果不明顯。事實(shí)上,在應(yīng)用下保護(hù)層進(jìn)行區(qū)域性防治時(shí),按照開采順序,屬于上行式開采,要求被保護(hù)層處于下保護(hù)層開采后的裂隙帶內(nèi),在不喪失被保護(hù)層連續(xù)性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)卸壓,理論上,常常按照“三帶”判別法確定上行開采的可行性,見式(1)。式中:Hm為垮落帶高度,m;Hd為導(dǎo)水裂隙帶高度,m;M為下煤層采高,m。除了上式,經(jīng)驗(yàn)條件下解放層的開采間距見表1所示。綜上認(rèn)為,對(duì)于保護(hù)層開采的可行、充分卸壓沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)?；诖藛栴},文獻(xiàn)綜合考慮煤層賦存條件、回采參數(shù)以及層間硬巖的影響,構(gòu)建了以當(dāng)量相對(duì)層間距為指標(biāo)的保護(hù)層分類判定法,將下保護(hù)層分為近距離、遠(yuǎn)距離和超遠(yuǎn)距離3類,并給出下保護(hù)層與保護(hù)層距離的上、下臨界判定方法,見公式(2)所示:式中:R為保護(hù)層與被保護(hù)層的當(dāng)量相對(duì)層間距;S為保護(hù)層與被保護(hù)層的間距;M為一次采出保護(hù)層高度;K為頂板管理系數(shù),全部垮落法取1;β1為保護(hù)層采高影響系數(shù),一次采全高取1;β2為層間硬巖所占百分比,小于50%取1;βα為煤層傾角α的系數(shù),具體取值如下:計(jì)算結(jié)果的分類見表2所示。文獻(xiàn)分析影響“三帶”的因素包括:一次采出厚度、煤層傾角、硬巖層在層間所占百分比、頂板管理方法以及二者層間距,但是,在分類中沒有考慮工作面回采范圍對(duì)上覆巖層的影響。關(guān)于“三帶”劃分的研究,文獻(xiàn)表明:頂板垮落帶高度隨著采高及工作面長(zhǎng)度的增大而呈指數(shù)增大。文獻(xiàn)通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn),大采高工作面液壓支架的載荷隨工作面長(zhǎng)度增加而增長(zhǎng),分析是由垮落帶上限的升高引起的。文獻(xiàn)通過對(duì)綜采放頂煤工作面覆巖破壞的觀測(cè)發(fā)現(xiàn),與開切眼距離不同,觀測(cè)到的導(dǎo)水裂隙帶高度也不同。表明,推進(jìn)距離對(duì)“三帶”的劃分同樣具有重要的影響。文獻(xiàn)以補(bǔ)連塔煤礦31401工作面為工程背景,研究了關(guān)鍵層與開采煤層不同距離條件下對(duì)導(dǎo)水裂隙帶高度的影響,認(rèn)為關(guān)鍵層與開采煤層距離小于7~10倍煤層采高的條件下,不能按照《規(guī)程》中的準(zhǔn)則確定導(dǎo)水裂隙帶高度。文獻(xiàn)在文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)主關(guān)鍵層斷裂對(duì)導(dǎo)水裂隙產(chǎn)生相應(yīng)的影響。對(duì)下保護(hù)層的應(yīng)用情況,綜合實(shí)踐數(shù)據(jù)及覆巖“三帶”的發(fā)育情況,認(rèn)為被保護(hù)層位于裂隙帶下部時(shí),應(yīng)用效果最好;而位于裂隙帶中上部及彎曲帶時(shí),需要采用瓦斯抽采措施。因此,認(rèn)為下保護(hù)層的應(yīng)用受到如下限制:1)如果保護(hù)層與被保護(hù)層之間距離較遠(yuǎn),被保護(hù)層位于保護(hù)層工作面覆巖的裂隙帶上方,則無法實(shí)現(xiàn)卸壓效果;2)如果保護(hù)層與被保護(hù)層之間距離過近,被保護(hù)層位于保護(hù)層工作面覆巖的裂隙帶下方,則受煤柱與卸壓邊界線的影響,被保護(hù)層卸壓范圍有限,受煤柱與卸壓邊界線的影響,被保護(hù)層中部分區(qū)域卸壓效果有限,甚至可能是高應(yīng)力集中區(qū)域,存在安全上的問題,因此傾向上充分卸壓區(qū)域小于保護(hù)層工作面的開采范圍。綜上,論文針對(duì)下保護(hù)層應(yīng)用效果的影響因素展開研究,提出采用無煤柱開采保護(hù)層。1被抗卸壓較快,于工作面針對(duì)下保護(hù)層應(yīng)用中存在的問題,提出在下保護(hù)層中布置完全無煤柱回采工作面,以實(shí)現(xiàn)對(duì)被保護(hù)層傾斜方向的連續(xù)、充分卸壓效果,見圖1所示。如圖1所示為保護(hù)層中各工作面的布置形式。區(qū)段進(jìn)風(fēng)巷2沿煤層頂板布置,回風(fēng)巷1沿煤層底板布置,接續(xù)工作面區(qū)段回風(fēng)巷布置在上一工作面區(qū)段進(jìn)風(fēng)巷2的下方,這樣在相鄰工作面之間實(shí)現(xiàn)了完全無煤柱搭接。文獻(xiàn)[17-18]分析了此種布置方式接續(xù)工作面上覆巖層的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),認(rèn)為由于取消了區(qū)段護(hù)巷煤柱,接續(xù)工作面回采到一定范圍后,其頂板運(yùn)動(dòng)與首采工作面將會(huì)形成一個(gè)整體,體現(xiàn)出單一超長(zhǎng)工作面的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。因此結(jié)合覆巖“三帶”劃分與保護(hù)層的應(yīng)用效果認(rèn)為這種搭接方式存在如下特點(diǎn):1)多個(gè)工作面覆巖的整體運(yùn)動(dòng),采場(chǎng)覆巖導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨壬仙?為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離被保護(hù)層的卸壓提供可行性;2)搭接工作面覆巖的整體性運(yùn)動(dòng)隨著接續(xù)工作面?zhèn)€數(shù)的增加可對(duì)被保護(hù)層形成反復(fù)采動(dòng)影響,卸壓效果更有利;如圖1所示,完全無煤柱布置,當(dāng)本工作面開采期間存在的上山方向的邊界卸壓線,在與接續(xù)工作面形成完全無煤柱搭接后,對(duì)被保護(hù)層的影響消失,因此稱其為臨時(shí)卸壓邊界線,在被保護(hù)層開采期間,不會(huì)受到臨時(shí)卸壓邊界線的影響,即在被保護(hù)層中可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)卸壓。3)對(duì)被保護(hù)層工作面沿傾向的卸壓效果更充分。其卸壓充分程度可借鑒公式(4):式中:∑L為保護(hù)層開采的多個(gè)無煤柱工作面累加計(jì)算的傾斜長(zhǎng)度,m;1.2~1.4,借鑒地表下沉達(dá)到充分采動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù);H0,保護(hù)層與被保護(hù)層之間的距離。4)從開采時(shí)間上來看,在保護(hù)層完成兩個(gè)工作面的開采后即可進(jìn)行被保護(hù)層的開采。但考慮被保護(hù)層隨著完全無煤柱搭接接續(xù)工作面?zhèn)€數(shù)的增加會(huì)產(chǎn)生反復(fù)卸壓,因此,建議當(dāng)整個(gè)采區(qū)保護(hù)層開采結(jié)束后再進(jìn)行被保護(hù)層的開采,安全上更有利。2煤2中無煤柱開采方案的確定本實(shí)驗(yàn)采用二維試驗(yàn)臺(tái),實(shí)驗(yàn)臺(tái)尺寸為:長(zhǎng)×寬×高=1620mm×160mm×1300mm,采用平面應(yīng)力模型。設(shè)幾何相似比為uf061L=100:1,設(shè)容重比為uf061uf067=1.5:1,要求模擬與實(shí)體所有各對(duì)應(yīng)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況相似,即要求各對(duì)應(yīng)點(diǎn)的速度、加速度、運(yùn)動(dòng)時(shí)間等都成一定比例。所以,要求時(shí)間比為常數(shù),即:uf061t=10。實(shí)驗(yàn)中,模擬煤2開采對(duì)煤1的影響,主要研究無煤柱開采保護(hù)層煤2對(duì)被保護(hù)層煤1的采動(dòng)影響,并與留煤柱開采保護(hù)層煤2對(duì)被保護(hù)層煤1的影響進(jìn)行理論對(duì)比分析,煤1與煤2的距離包括近距及遠(yuǎn)距2種,具體實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图斑^程見圖2~4所示。如圖3所示,單個(gè)工作面開采后,煤1處于煤2開采后形成裂隙帶的中上部,按照“被保護(hù)層位于裂隙帶中上部時(shí),裂隙的溝通不好,煤層透氣性雖有較大增加但僅能部分排放瓦斯”認(rèn)為卸壓效果有限。另外,煤2開采中,工作面傾向方向上存在上山和下山兩個(gè)方向的卸壓邊界,在卸壓邊界的影響下,造成煤1受到保護(hù)的區(qū)域明顯小于煤2開采范圍。同時(shí),對(duì)煤2中采用留煤柱護(hù)巷開采接續(xù)工作面對(duì)煤1的保護(hù)區(qū)域進(jìn)行了劃分,發(fā)現(xiàn)煤1在煤2留煤柱開采的影響下,沒有實(shí)現(xiàn)連續(xù)卸壓。因此,認(rèn)為在煤2中采用留煤柱開采方案,煤1在傾斜方向沒有達(dá)到充分、連續(xù)卸壓的效果,并且卸壓范圍小,分析其主要影響因素包括煤2在傾斜方向的連續(xù)開采范圍、卸壓邊界線、兩層煤的層間距以及護(hù)巷煤柱。為了實(shí)現(xiàn)煤1在傾斜方向的連續(xù)、充分卸壓效果,在煤2中采用了錯(cuò)層位無煤柱開采,如圖4所示。從圖中可以看出,采用無煤柱開采方案,形成搭接的工作面上覆巖層在接續(xù)工作面開采期間形成整體運(yùn)動(dòng),首采工作面上山方向的卸壓邊界在接續(xù)工作面開采時(shí)消失,煤2對(duì)煤1的保護(hù)范圍僅僅受到首采面下山方向的卸壓邊界與正在回采的接續(xù)工作面上山方向的卸壓邊界。因此,煤1處于連續(xù)卸壓狀態(tài),即在卸壓邊界內(nèi)不存在未受保護(hù)區(qū)域。同時(shí),接續(xù)工作面與首采工作面形成整體,裂隙帶高度升高,因此上一工作面開采期間煤1的受保護(hù)區(qū)域經(jīng)歷二次卸壓,并且煤1在裂隙帶中的相對(duì)層位逐漸降低,認(rèn)為卸壓更加充分,可以推斷,當(dāng)形成多個(gè)搭接工作面時(shí),煤1受保護(hù)范圍連續(xù)增加,并且被保護(hù)范圍從上到下經(jīng)歷多次卸壓。相對(duì)于留煤柱開采方案,體現(xiàn)出卸壓范圍連續(xù)、卸壓效果更充分的特點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)被保護(hù)層的安全、經(jīng)濟(jì)開采。上述實(shí)驗(yàn)是在對(duì)實(shí)際工程背景條件進(jìn)行了一般化調(diào)整的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)的近距下保護(hù)層開采對(duì)被保護(hù)層的采動(dòng)影響,從圖4中可以看出,形成多個(gè)搭接工作面后,裂隙帶高度上升,認(rèn)為可改善留煤柱開采保護(hù)層無法對(duì)遠(yuǎn)距離被保護(hù)層實(shí)現(xiàn)卸壓的現(xiàn)狀,為了進(jìn)一步驗(yàn)證,補(bǔ)充圖5進(jìn)一步對(duì)遠(yuǎn)距離被保護(hù)層卸壓效果進(jìn)行分析。如圖5所示,保護(hù)層首采工作面覆巖裂隙帶高度可達(dá)到42m,未達(dá)到距離63m的被保護(hù)層高度,可認(rèn)為對(duì)被保護(hù)層沒有卸壓效果;當(dāng)完全無煤柱搭接工作面開采后,覆巖運(yùn)動(dòng)形成一個(gè)整體,裂隙帶高度上升到78m,并且工作面之間不存在卸壓邊界線,實(shí)現(xiàn)了對(duì)被保護(hù)層的連續(xù)卸壓。同時(shí),可以看出,裂隙帶上方仍然存在較大的離層,認(rèn)為接續(xù)工作面繼續(xù)開采,會(huì)造成裂隙帶高度進(jìn)一步上升,可相對(duì)降低被保護(hù)層在裂隙帶中的層位,卸壓效果通過工作面的繼續(xù)搭接與開采可進(jìn)一步提高。3煤2開采安全分析以某礦實(shí)際工程作為研究背景,主采2層煤,其中煤1為突出煤層,平均厚度為6m,煤層平均傾角32°,煤2平均厚度為5m,煤層平均傾角為32°,兩層煤平均間距22m,開采水平垂高350m,本采區(qū)走向長(zhǎng)度約1000m,按照《初步設(shè)計(jì)》,開采水平內(nèi)在煤2中布置4個(gè)長(zhǎng)度為150m的工作面,見圖6所示。兩層煤間巖層及煤巖物理力學(xué)參數(shù)見表3所示。根據(jù)煤層瓦斯賦存情況,設(shè)計(jì)開采煤層2作為下保護(hù)層。首先應(yīng)用公式(2)進(jìn)行卸壓效果檢驗(yàn),得到R=8.65,對(duì)照表2,Rmin=8.48,認(rèn)為煤2作為下保護(hù)層屬于近距離,并且接近保護(hù)層應(yīng)用的下限指標(biāo),可起到較好卸壓效果,但實(shí)際中存在如下問題:1)受卸壓邊界線與煤柱的影響,保護(hù)層煤2開采對(duì)被保護(hù)層煤1的保護(hù)范圍有限,煤1中受煤2單個(gè)工作面保護(hù)的傾向長(zhǎng)度不到100m,而煤2所留單個(gè)煤柱在煤1中形成的未受保護(hù)區(qū)域達(dá)到52m,同時(shí),由于煤2傾向的上部未實(shí)現(xiàn)保護(hù)的作用,在煤1中沿傾向僅僅可布置3個(gè)工作面。2)考慮煤2的卸壓邊界,認(rèn)為煤1沿傾向下端存在近50m的傾斜長(zhǎng)度不在保護(hù)范圍內(nèi);同時(shí),由于煤柱、卸壓邊界以及煤層層間距的綜合因素,同水平內(nèi)保護(hù)層與被保護(hù)層工作面無法一一對(duì)應(yīng),并且被保護(hù)層實(shí)現(xiàn)充分卸壓工作面的長(zhǎng)度小于保護(hù)層工作面。為了改善這一現(xiàn)狀,對(duì)原《設(shè)計(jì)》進(jìn)行了修改,將煤2的開采水平下延,布置了輔助水平,煤2中工作面長(zhǎng)度增加為175m,區(qū)段之間留設(shè)5m護(hù)巷煤柱,見圖6。經(jīng)計(jì)算,煤1中沿傾向不可采的長(zhǎng)度減少,但是增加了巖巷掘進(jìn)量。同時(shí),水平劃分與垂直劃分采區(qū)邊界同時(shí)存在,管理上存在困難。為進(jìn)一步改善開采現(xiàn)狀,見圖1所示。在煤2中采用完全無煤柱工作面布置并結(jié)合大巷聯(lián)合布置跨巷開采后,煤1中沿傾向在水平內(nèi)均屬于連續(xù)卸壓全區(qū)可采,并且煤1經(jīng)多次卸壓作用,安全性好。綜合煤1與煤2技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)幾種方案進(jìn)行對(duì)比,見表4所示。綜合表5,僅綜合回采率和巷道工程量考慮,噸煤利潤(rùn)按照200元計(jì)算,采用無煤柱開采方案比原設(shè)計(jì)方案增加回采利潤(rùn)2.84億元;巖巷掘進(jìn)與維護(hù)延米按照5000元計(jì)算,無煤柱方案比小煤柱開采方案減少巖巷工程費(fèi)用計(jì)600萬元,增加回采利潤(rùn)1.4億元。因此,無煤柱方案的應(yīng)用體現(xiàn)出顯著的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效果。4踐行規(guī)定論文提出了一種實(shí)現(xiàn)傾向充分、連續(xù)卸壓的