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第4 6 卷第9 期2023年9 月采矿与井巷工程薄基岩厚冲积层大采高工作面防砂防水煤岩柱留设实践煤炭与化工Coal and Chemical IndustryVol.46 No.9Sep.2023韩久方（河南能源化工集团，河南新乡4 53 6 0 0）摘要：赵固二矿当前回采工作区域在煤层隐伏露头松散层下部砾石含水层及基岩风化带含水层下，其上覆巨厚松散含水层、薄基岩对回采工作面产生重大影响，直接关系到安全生产工作。本文对回采作业区域顶板基岩厚度及上覆含水层进行探测，通过运用FLAC3D数值模拟软件预测“两带”高度，根据三下采煤规范以及相关论文选择合理计算方式计算“两带”高度，二者结果高度吻合。根据探测数据、模拟与计算高度合理论证留设防隔水煤（岩)柱及限厚开采措施，实现一次采全高综采，对赵固二矿实现高产高效安全生产具有重要指导作用，对煤炭资源的开发利用有着重大意义。关键词：巨厚松散层；薄基岩；数值模拟；现场探测；隔水煤（岩）柱中图分类号：TD822.3文献标识码：B文章编号：2 0 9 5-59 7 9（2 0 2 3）0 9-0 0 0 7-0 5Practice of leaving sand-proof and waterproofcoal and rock pillars in large mining height face withthin bedrock and thick alluviumHan Jiufang(Henan Energy and Chemical Industry Group,Xinxiang 453600,China)Abstract:The current mining working area of Zhaogu No.2 Mine is under the gravel aquifer and the bedrock weatheringzone aquifer in the lower part of the hidden outcrop loose layer of the coal seam.The overlying thick loose aquifer and thinbedrock have a significant impact on the mining face,which is directly related to the safety production work.The thicknessof the roof bedrock and the overlying aquifer in the mining operation area were detected.The height of the two zones waspredicted by using FLAC3D numerical simulation software.According to the three coal mining specifications and relatedpapers,a reasonable calculation method was selected to calculate the height of the two zones.The two results were highlyconsistent.According to the detection data,simulation and calculation,it was highly reasonable to demonstrate that thewater-proof coal(rock)pillar and the thickness-limited mining measures were set to realize the full-heightfully-mechanized mining at one time,which played an important guiding role in achieving high-yield,high-efficiency andsafe production in Zhaogu No.2 Mine,and was of great significance to the development and utilization of coal resources.Key words:huge thick loose layer;thin bedrock;numerical simulation;on-site detection;impermeable coal and rockpillars北、河南等省薄基岩特厚松散层覆盖下的煤炭资0引言源，可以有效缓解中东部地区煤炭供应紧张的局随着国民经济的迅速发展，中东部矿区煤炭资面，对国民经济平稳运行具有积极作用。但是在薄源趋近枯竭，许多矿井进人了转型发展阶段，挽救基岩特厚松散层覆盖下的生产矿井开始面临突水溃国家煤炭资源，开发中东部地区山东、安徽、河砂风险，事故时有发生。为此许多专家学者在开采责任编辑：任伟D0I：1 0.1 9 2 8 6/j.c n k i.c c i.2 0 2 3.0 9.0 0 2作者简介：韩久方（1 9 8 8 一），男，河南新乡人，工程师。引用格式：韩久方.薄基岩厚冲积层大采高工作面防砂防水煤岩柱留设实践 J1.煤炭与化工，2 0 2 3，4 6（9）：7-1 1，4 3.72023年第9 期环境不利条件下，为尽可能减少煤炭资源损失开展了研究。杨达明 实测及模拟了厚松散层软弱覆岩下综放开采导水裂隙带发育高度；杨洋2 对淮南巨厚松散层含水层下提高回采上限进行了探讨；张安斌3 对巨厚松散层下导水裂隙带高度预测试验探究。以上研究均未在薄基岩厚松散层条件下对于防砂防水煤柱进行合理留设，为此需深人开展大埋深、高应力、薄基岩突水威胁条件下“两带”研究，参考张永刚 4-5 煤柱留设类型转变研究、李江华 间水压作用下防砂安全煤（岩）柱失稳突水溃砂机理研究，对于降低煤岩柱高度，最大限度回收煤炭资源，预防顶底板突水事故发生，实现安全高效生产有着一定意义。赵固二矿井田属于焦作煤田，井田煤层顶板基岩薄，上部被第四系、新近系巨厚松散层覆盖，松散层厚度一般为3 6 0 8 0 8 m，基岩厚度薄，埋深大，井田浅部大部分区域基岩厚度小于50 m，采厚为3.5 6.5m。井田地质构造复杂、断层较多，顶底板含水层通过断层和隐伏露头具有较好的连通性。赵固二矿井田煤层上覆松散层厚度大、富水性强、承压水压力大，同时其基岩薄、底板层厚/m岩性585.32585.3293.31678.63316.78695.406.94702.354.95707.308.99716.293.62719.91表2 基岩段各岩体物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of each rock mass in bedrock section岩性泊松比表土0.23泥岩10.23中砂岩10.27砂质泥岩0.28中砂岩20.26泥岩20.24二煤0.25泥岩30.24石灰岩0.30模拟以勘0 8 孔揭露地层结构建立模型，通过钻孔资料中各岩层的厚度以及各岩体物理力学参8煤炭与化工隔水层薄，为保证赵固二矿的安全回采工作，需深入研究其“两带”发育情况，以及在保证安全回采的前提下提高开采上限，合理论证煤(岩)柱的留设工作。1工程背景赵固二矿1 1 0 3 0 工作面位于井田I盘区中上部，该工作面平均走向长度约2 0 0 0 m，平均倾斜长度为1 6 1 m，主采二1 煤，厚度5.9 2 6.4 3 m，平均6.1 5m，煤层倾角约为2，煤层埋深约7 4 3m，其中基岩厚度1 3 6 5m不等，其余为特厚松散层，属于中东部地区典型的特厚松散层薄基岩煤层。二，煤煤质变化较小，层位稳定，中下部含夹研0 3 层，夹研厚度0.0 1 0.0 3 m，夹研多为黑色炭质泥岩。煤层结构较简单，煤质变化小，属稳定型厚煤层。工作面顶底板岩性见表1。211030工作面导水裂隙带发育高度数值模拟与计算2.1模型的建立此次模拟以赵固二矿1 1 0 3 0 工作面为工程背景，基岩段各岩体物理力学参数见表2。表1 1 1 1 0 3 0 工作面顶底板岩性Table 1 Lithology of roof and floor in No.111030 Face累厚/m累厚/m砂质黏土6.156黏土夹砾石2.05泥岩6.03中砂岩6.15粗砂岩7.32泥岩1.98中砂岩8.35弹性模量/GPa内摩擦角/（）0.252516.02926.53515.03622.53513.0321.932016.03250.040数，构造出数值模拟模型，煤层厚度为6.2 0 m，底板厚度为8 0 m，模拟过程中为便于分析取倾向0,第4 6 卷层厚m岩性728.97泥岩731.02细砂岩737.05泥岩743.20二煤750.52泥岩752.50细砂岩760.85泥岩内聚力/MPa抗拉强度/MPa0.850.127.52.58.36.58.22.58.57.28.02.41.251.38.12.4305.3韩久方：薄基岩厚冲积层大采高工作面防砂防水煤岩柱留设实践倾角9 0。数值模拟模型参数见表3。表3 模型参数Table 3 Model parameters长度/m宽度/m高度/m煤层标识走向采长/m倾向采长/m煤厚/m采厚m二1300700600计算模型的边界条件确定如下：（1）模型前后和左右边界施加水平约束，即边界水平位移为零。（2）模型底部边界固定，即底部边界水平、垂直位移均为零。（3）模型顶部为自由边界，模型如图1 所示。巨厚松散层基岩与松散层分界线基岩三煤底板LYLYILIII巨厚松散层图1 模型示意Fig.1 Schematic diagram of the model（4）岩体判别准则。模拟中岩体采用理想弹塑性本构模型，即莫尔库仑屈服准则描述。0,-0,(o,.to.)tma42a式中：,为最大主应力；,为最小主应力；C为粘聚力；为摩擦角。当满足式（1）时岩体破坏，此外当拉应力超过岩体单轴抗拉强度时，材料发生拉破坏。2.2方案确定该模型共划分为1 4 个地层，共有1 4 3 8 4 1 个单元，1 4 53 7 6 个节点，模拟煤层开采区域宽为1 6 0m、长为3 0 0 m，开采煤层为二1 煤层，模拟方案分为两种：限厚开采3.1 0 m；一次采全高6.2 0 m。模拟方案充分考虑了二1 煤层，限厚开采与一次采全高的不同情况，找到其影响的结果，为大埋2023年第9 期1606.20600二1(1)V1+tan6.20300160深、高应力、薄基岩具有突水危险煤层的安全回采工作提供一定的科学依据。为保证模拟实验的准确性，模型与工作面垂直走向边界留有2 2 0 m宽的煤柱，与工作面平行倾向边界留有2 0 0 m宽的煤柱，以减少模型运算过程中产生的边界效应。模拟计算分步进行，每次计算推进长度为5m，共计推进6 0 次。根据FLAC3D运算的结果，结合李全生基于Hoek_Brown准则的薄基岩厚松散层覆岩变形破坏特征研究对其位移场、应力场、塑性区进行分析对比得出结果。2.3覆岩破坏特征模拟结果及分析（1）上覆岩层位移场分布特征。煤层的采出对顶板产生巨大扰动，在重力作用以及各煤层间的相互叠加影响下下沉以至落，通过模拟竖向位移的变化可以了解上覆岩层在煤层采出后竖直方向的运动状况及离层情况等。图2、图3分别为一次采全高回采二1 煤层与限厚开采二1煤从煤层底板直至地表的覆岩垂直位移变化情况。ContourOfz-Displacement1.062 1E-017.5000E-022.5000E-02-2.500 0E-02-7.5000E-02-1.2500E-01-1.750 0E-01-2.123 7E-01图2 二1 煤层一次采全高模型竖向位移等值线图Fig.2 The contour map of vertical displacement withfull-height mining of second1 coal seamContour OfZ-Displacement1.2879E-015.0000E02-5.0000E-02-1.500 0E-01-2.500 0E-013.500 0E-01-4.500 0E-01-5.500.0E-01图3 二1 煤层限厚开采模型竖向位移等值线图Fig.3 The contour map of vertical displacement withthickness-limiting mining of secondl coal seam6.203.1092023年第9 期从以上竖向位移等值线图中可以看出，一次采全高回采后其顶板下沉量比限厚开采的顶板下沉量大，前者顶板下沉量已超过后者2 倍，说明煤层采出越多其顶板下沉越大，对于覆岩破坏移动影响也就越大。（2）煤层采出后铅垂应力场分布特征。煤层开采引起的覆岩破坏、移动过程也是地下应力场重新分布的过程。煤层采出后，工作面的两帮、顶底板将形成自由空间，原来的应力平衡状态受到扰动重新分布。随着工作面不断推进，围岩一直处在失稳平衡不断交替变化的过程。图4、图5分别为一次采全高回采二1 煤层与限厚开采二1煤其采空区周围应力场情况。CoutourofZz-Stressalculated by VolumeticAveraging5.5357E-05-1.000 0E+06-3.000 0E+06-5.000 0E+067.000 0E+06-9.000 0E+06-1.100 0E+07-1.300 0E+07-1.5000E+07-1.700 0E+07图4 二1 煤层一次采全高模型铅垂应力等值线图Fig.4 The vertical stress contour map with full-heightmining of second1 coal seamContourofZz-StressCalculated byVolumetnic Averaging4.8458E+05-1.000 0E+063.000 0E+06-5.000 0E+06-7.000 0E+06-9.000 0E+06-1.100 0E+07-1.300 0E+07-1.500.0E+07-1.685 1E+07图5二1 煤层限厚开采模型铅垂应力等值线图Fig.5 The vertical stress contour map with thickness-limiting mining of secondl coal seam从工作面开采后，顶板在水平方向与垂直方向上都经历了动态变化的过程。水平方向上，随着工作面的推进，工作面后方采空区的顶板经历了垮落、压实，到逐渐稳定；垂直方向上，顶板依次分布着垮落带、裂缝带，开采结束后，“两带”发育高度趋于稳定。在采空区的两端部形成了剪切滑移区，即形成顶板断裂线，由于上覆岩层的重力作用，在端部的实体煤中形成了应力升高区，成为影响区段煤柱稳定性的主要因素。（3）煤层开采引起的上覆岩层塑性区的破坏情况。数值模拟计算将根据拉伸破坏区和剪切破坏区10煤炭与化工发育高度的上限值来分别确定落带和导水裂隙带的高度。图6、图7 为分别模拟一次采全高开采二1 煤与限厚开采二1 煤覆岩塑性区破坏模拟结果。ZoneColorby State-AverageNoneshear-nshear-n shear-pshear-n shear-p tension-pshear-ntension-pshear-pshear-p tension-ptension-ntension-n shear-ptension-n shear-p tension-ptension-ntension-pI tension-p图6 二1 煤层一次采全高模型塑性区破坏模拟结果Fig.6 Plastic zone failure modeling results with full-height mining of second1 coal seamZoneCalorby State-AverageNoneshear-nshear-n shear-pshear-n shear-p ension-pshear-n ension-pshear-pshearp tension-ptension-ntension-n shear-ptension-n shear-p tension-ptension-ntension-pI tension-p图7 二1 煤层限厚开采模型塑性区破坏模拟结果Fig.7 Plastic zone failure modeling results with thickness-limiting mining of second1 coal seam可以看出一次采全高回采二1 煤产生的垮落带高度为2 3 m，裂隙带高度为56 m，其底板破坏深度达到了3 1 m；限厚开采二1 煤产生的垮落带高度为1 5m，裂隙带高度为3 8 m，底板破坏深度8.2m。一次采全高后其塑性区的破坏范围比较大，不仅其两带发育高度比限厚开采的两带高度要高，而且其底板破坏深度也比较深。对于底板奥灰水的突水防治不利，但亦可以通过降低采高，采用限厚开采来对底板奥灰水进行防治。按照模拟的覆岩竖向位移等值线图和塑性区中叙述的关于垮落带和裂隙带破坏特征和判断依据，综合分析得到1 1 0 3 0 工作面一次采全高回采时的导水裂隙带高度和垮落带高度及限厚开采时垮落带和裂隙带高度，见表4。表4 数值模拟在不同回采条件下覆岩破坏高度Table 4 Overburden failure height under different miningconditions of numerical simulation跨落带/m裂隙带/m底板破坏/m2356一次采全高(6.2 m)(3.7)15限厚开采(3.1 m)(4.8)注：括号内为相应的垮采比和裂采比。第4 6 卷31(9.1)38(12.2)8.2韩久方：薄基岩厚冲积层大采高工作面防砂防水煤岩柱留设实践分析实验结果可以看出，数值模拟得出的“两带”高度结果与实际生产过程中监测分析比较接近，但由于模拟软件的局限性，其模拟状态与实际生产过程中的破坏发展形态会有些许差别，但模拟实验的结果对于验证垮落带和导水裂隙带发育形态、研究覆岩破坏规律具有重要的参考价值。2.4覆岩“两带”高度经验公式三下采煤规范（2 0 1 7）版中并未明确给出大于3 m一次采全高的“两带”经验公式，依据其厚煤层分层开采所计算的垮落带与裂隙带与实际一次采全高生产过程所形成的“两带”有所出人，在此开采条件下三下采煤规范的经验公式显然不再适用。参考文献根据大量的现场生产实测数据所总结的大采高一次采全高“两带”公式更为准确，分别计算二1 煤一次采全高与限厚开采工作面垮落带、导水裂隙带最大高度。一次采全高回采二1 煤垮落带：Hk=4.73 M+4.40=4.73 6.20+4.40=33.73 m导水裂缝带：Hl=0.23M+6.1T100 M 10.42=1006.20/(0.236.20+6.1)10.42=82.38+10.42 m限厚开采二1 煤垮落带：H=4.73 M+4.40=4.73 3.10+4.40=19.06 m导水裂缝带：Hi=100 M0.23 M+6.110.42=45.50+10.42 m经过计算，根据“两带”高度经验公式计算结果与根据邻近赵固一矿实测获得的导水裂缝带高度接近，经验公式垮落带高度较高。为保证安全开采，取导水裂缝带高度9 2.8 0 m、垮落带3 3.7 3 m作为赵固二矿1 1 0 3 0 工作面一次采全高的“两带”发育高度值。311030工作面安全煤岩柱留设3.1火煤柱的合理留设依据“两带”高度的模拟、计算结果，结合11030工作面顶板基岩实际探测厚度变化情况，煤柱的留设工作如下。（1）根据工作面施工的1 1 0 3 0 工作面顶板孔资料显示，上2 0-2 顶、上2 1-1 顶、上2 1-2 顶、下2 1-1 顶和下2 1-3 顶5个孔基岩厚度在3 8.3 42m区域，因此1 1 0 3 0 工作面在回采到上顺槽通尺2 0 54 m和下顺槽2 0 6 5m之前，开采顶层4 m。（2）根据工作面施工的1 1 0 3 0 工作面顶板孔2023年第9 期资料显示，上顺槽1 8 2 0 号钻场和下顺槽1 9 2 0号钻场1 0 个孔基岩厚度在4 2 52 m区域，因此11030工作面在回采到上顺槽通尺1 8 7 3.5m和下顺槽1 8 4 3.5m之前，采用大采高5m开采。（3）根据工作面施工的1 1 0 3 0 工作面顶板孔资料显示，上顺槽1 6 1 7 号钻场和下顺槽1 6 1 8号钻场1 0 个孔基岩厚度大于52 m，因此1 1 0 3 0 工作面在回采到上顺槽通尺1 8 7 3.5m和下顺槽1843.5m之后，采用大采高6.3 m一次采全高。3.2工作面煤岩柱安全性评价井下探测孔探测表明工作面区域新近系底部为厚度大于5m粘土层，且工作面区域上方新近系底部砾石含水层极少分布，顶板疏放钻孔涌水量小于15m/h，底砾富水性弱，留设防砂安全煤岩柱。煤层上部覆岩以泥类岩为主，并且受风化影响。根据开采保护层最小安全厚度法，保护层厚度选2.8 M=17.25m，M 为采出总厚度。根据防砂安全煤岩柱垂高（H）应大于或等于垮落带最大高度Hm加上保护层厚度H,计算：H,Hm+H=33.73+17.25=49.35 m11030工作面基岩最小厚度3 8.3 m左右，按防砂安全煤岩柱，工作面部分区段不符合大采高一次采全高条件，部分回采段需按照分层开采进行。11030一次采全高工作面从2 0 1 4 年3 月开始10.42=1003.10/(0.23 3.10+6.1)回采至回采结束，通过该方法留设防砂煤岩柱后，回采期间工作面总涌水量51 5m/h左右，未发生过突水、漏砂事故，解放安全煤量3 0 0 余万吨。因此，薄基岩厚冲积层大采高条件下防水防砂煤岩柱留设方法为受同类条件制约矿井提供借鉴。4结 论（1）对比分析数值模拟结果，选取模拟数据垮采比3.7 0，裂采比9.1 0，预计赵固二矿薄基岩区覆岩破坏“两带”高度，并与大采高一次采全高“两带”高度经验公式计算进行比较，选取较大值作为“两带”高度值。（2）根据模拟与计算的“两带”高度结合现场实测情况，最终确定“两带”的发育值，采用合理的方法选取保护层的厚度，最终确定了防砂隔水安全煤柱的高度。（3）通过对安全煤（岩）柱的分析研究，得出基岩较薄的区域可实现只采上分层，解放出大量的浅部煤炭资源；基岩较厚的区域可变分层开采为大采高一次采全高，使得开采强度增加，降低回采（下转第4 3 页）11张金龙：焦家寨矿深井高地应力切顶护大巷关键技术研究3应用效果分析在2 2 116 工作面对应2 2 1下山范围内每间隔50m设置1个测站，共计5组，每周观测3次，351号测站302喜测站+3号测站254号测站一*5号测站201510506/13 6/20 6/27工作面停采约2 个月后，巷道表面变形量基本保持不变，两帮变形量增幅为2 0 30 mm，顶底板增幅为30 45mm，整体变化量很小，采动压力对采区巷道围岩稳定性的影响明显减小，此卸压方式能够很好满足维护采区下山的需要。4结语针对焦家寨矿采区巷道在回采工作面采动影响下围岩控制问题，基于2 2 116 工作面实际地质条件，通过理论分析、工程类比、矿压监测等方法进行切顶卸压。2 2 116 工作面采用爆破预裂切顶卸压技术，切顶位置与停采线的距离为2 0 m，切顶目标岩层为9.6 8 m的粗粒砂岩主关键层，设计炮孔深度、炮孔直径、炮孔间距等具体参数。2 2 116 工(上接第11 页）成本，提高了采出率，保障矿井实现高产高效安全回采。参考文献：1 杨达明，郭文兵，赵高博，等.厚松散层软弱覆岩下综放开采导水裂隙带发育高度 J.煤炭学报，2 0 19，44（11）：3308-3316.2杨洋.对淮南巨厚松散层含水层下提高回采上限的探讨J.江西煤炭科技，2 0 19（4）：43-46.3张安斌，赵健，张鹏，等.巨厚松散层下导水裂隙带高度预测试验探究 J中国煤炭，2 0 16，42（3）：2 8-33.2023年第9期巷道变形速度较快时，相应增加观测次数；变形稳定后，减少至每周1 2 次。在2 2 116 工作面停采后，得到轨道下山围岩变形曲线如图5所示。601号测站50+2号测站+3号测站+4号测站405号测站2010077/47/117/187/258/18/88/15日期（a）两帮变形量Fig.5 Monitoring results of surface displacement of track downhill6/13 6/206/277/47/11 7/187/25图5轨道下山表面位移量监测结果作面进行爆破预裂切顶卸压后，采取轨道下山在采动影响下两帮移近量增幅为2 0 30 mm，顶底板增幅为30 45mm，巷道围岩稳定性良好，保护了采区巷道，满足矿井安全生产的需要。参考文献：1 司广宏，王刚，李钢.采煤工作面水力切顶卸压护巷技术应用 J1.山西焦煤科技，2 0 2 2，46（8）：10-12，2 1.2司广宏，王刚，李钢，等.煤巷群受动压扰动范围分析及护巷技术应用 J.山西煤炭，2 0 2 2，42（2）：6 1-6 73朱文庆，郝兵元，刘世涛，等.工作面末采段深孔预裂切顶护巷技术研究 J.煤炭工程，2 0 2 2，54（5）：97-10 3.4罗伟荣.综采工作面停采线优化设计及切顶护巷技术 J.江西煤炭科技，2 0 19（3）：16 0 16 2.5姜泽.12 511轨道顺槽密集钻孔卸压护巷技术应用 J.江西煤炭科技，2 0 2 3（1）：2 5-2 7，30.4张永刚，李运江，刘延欣，等.厚松散层薄基岩下煤柱留设类型转变研究 J.煤炭技术，2 0 17，36（5）：6 3-6 5.5张永刚，刘延欣，武宇亮.厚松散层薄基岩下重复采动覆岩破坏高度综合研究 J1.煤炭技术，2 0 17，36（8）：7 2-7 5.6李江华.水压作用下防砂安全煤（岩）柱失稳突水溃砂机理研究 D.徐州：中国矿业大学（北京），2 0 16.7李全生，徐祝贺，张勇，等.基于Hoek-Brown准则的薄基岩厚松散层覆岩变形破坏特征研究 J.矿业科学学报，2019,4(5):417-424.8 钱鸣高，石平五，许家林.矿山压力与岩层控制M.徐州：中国矿业大学出版社，2 0 10.8/18/88/15日期(b）顶底板变形量43