朱雪峰 ZHU Xue-feng
（华能云南滇东能源有限责任公司矿业分公司白龙山煤矿，曲靖 655000）
摘要： 本文结合导水裂隙带高度预测以及导水裂隙带相似材料实验，对高头窑煤矿河流下浅埋煤层的安全开采问题进行了研究。
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关键词 ： 水下采煤；导水裂隙带；数值模拟；上覆岩层垮落带
中图分类号：TD823 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）24-0081-03
作者简介：朱雪峰（1967-），男，甘肃镇原人，研究方向为大倾角综合机械化采煤。
0 引言
水体下采煤是指对水体不进行处理，直接在其下方开采，而又避免水砂窜入井巷或增加矿井涌水量，以免恶化劳动条件，严重时将造成安全事故，是三下采煤的一种。水体下采煤的基本要求是防止水砂窜入井巷。必须在水体底面与开采上限之间保留相应高度的保安煤柱。防水煤柱的最小高度，应等于或大于导水裂缝带高度（简称裂高）加一定厚度的保护层；防砂煤柱的最小高度，应等于或大于冒落带高度加一定厚度的保护层；“煤皮”煤柱的最小高度，等于或大于冒落带高度。
作为即将投产的主力矿井之一，隶属于北联电能源的高头窑煤矿采用采放顶煤采煤法，年产值可高达8Mt/a。煤层顶、底板岩石软化系数为0.14～0.58，个别为0.79，属遇水易软化岩石；该井田的水文地质类型为中等矿床，富水性较大，以孔隙水、裂隙水为主。据相关调查显示，该区域几乎没有发生过大强度的地震、泥石流、地陷以及滑坡等地质性灾害；据野外观察，也未见大面积坍塌、滑落现象，较松散层稳定，工程地质条件较好。
1 水文概况
高头窑煤矿首采区2-3煤层西翼有6个工作面地面被水多湖川覆盖，分别为S西207 、S西208 、S西209 、S西2010 、S西2011以及S西2012工作面。这六个工作面的总面积高达399.91万平方米，煤矿层大约集中埋藏在+1140m～+1220m之间的深度，可采煤矿储备量约为2007万吨。据相关资料推算得出，水多湖川下煤层若开采之后，冒落带的最大值可高达13m，裂隙带可高达24.39～68.14m。但水多湖川下2-3层煤层埋藏的最浅处却只有78.55m，东翼有5个回采工作面地面被大哈他土沟覆盖，这样在开采的过程中工作面与地表可通过顶板冒落产生的裂隙沟通起来，湖川水、地表水或是第四系含水层都可通过裂隙直接进入到井下，从而引发淹井事故的发生。
由此可见，对高头窑煤矿河流下浅埋煤层安全开采技术的研究就显得十分重要，其不仅进一步完善了煤矿安全开采制度，实现了煤矿安全生产，而且还大大提高了煤矿的开采量和回收率，并有效降低了煤矿开采安全成本，这对于煤矿企业具有重大的影响。
2 导水裂隙带高度预测
本段落对煤层开采垮落带和导水裂隙带的具体值进行了分析预测，表1和表2为垮落带高度和导水裂隙带高度计算公式。
∑M—累计采厚，公式应用范围：单层采厚保持在1～3m范围内，采厚累积总值不能超过15m。
根据“矿区水文地质工程地质勘探规范”，导水裂隙带高度计算公式如下：
通过对上述图表的分析研究可看出，根据不同公式所计算出来的三个结果是不一样的，有的结果呈非线性显示出来，有的呈线性，还有计算出的低于3m采高的分层开采。为安全起见，本论文的研究分别采取了三个计算公式的最大值，即采高为3m时，导水裂隙带的高度应为44.6m；采高上升到7m时，导水裂隙高度则相应上升到73m。
3 导水裂隙带相似材料试验
3.1 实验材料与设备
导水裂隙带相似材料实验中主要涉及到骨料以及胶结料这两种材料成分。其中，骨料是该实验的重要组成部分，其拥有一种特殊的力学性质，对相似材料的整体性质产生一种重要的影响，其包括细砂、石英砂、岩粉等类型（以所含成分为划分依据）。根据首采工作面的具体地质结构，本试验采用的是较为纯净的细砂这种骨料。胶结料则对相似材料的整体性质起着决定性的作用，其可细分为石膏、水泥、碳酸钙、石灰等。受地质成分以及实验特性的影响，该实验中将石膏、石灰以及粘土作为主要的实验材料。
该例实验以中国矿业大学的二维试验台作为自己的主要实验设备，该试验台的具体尺寸为：长宽高＝4200×250×2000mm。该例实验中所采用的倾向模型则为中国矿业大学的二维小型实验台，该试验台的具体尺寸为：长宽高＝1600×140×1400mm（如图2所示）。
针对实验中的数据采集与数据分析则借助7V14数据采集、分析、结果输出系统来完成（如下图3所示）。其它的辅助工具包括：液压千斤顶、压力表各7个；高分辨率数码照相机一架。
3.2 实验方案
本实验主要是针对高头窑煤矿在水多湖川以及大哈他土沟下工作面不同采高条件下所覆盖岩层的运移以及三带分布规律进行了研究，尤其是对导水裂隙带的高度进行了谨慎的研究。具体而言，覆盖于高头窑工作面上的岩层总体呈现出南厚北薄的特性，鉴于此本实验将水多湖川下工作面J305钻孔地质资料作为主要的参考依据，上覆岩层厚度的平均值设定为100m，而表3呈现出的则主要是工作面上各岩层的物理力学参数。
在根据设计说明书来进行模拟实验设计时，以中砂岩和细砂岩这两种岩性为主的是上部老顶，其密度平均值大约为2.55g/cm3，单轴抗压平均抗压强度值大约为16.5MPa。
经过对高头窑工作面煤层的现场取样以及检测得知，其煤体的单轴抗压强度平均值为11.85MPa，平均容重大约为1.30g/cm3。
在相似模拟实验中，工作面直接顶和老顶模型材料的容重都取1.61g/cm3，煤的模型材料容重取1.50g/cm3，风积沙和表土层模型材料的容重取1.41g/cm3，试验设计模型几何比例定为1：100，即取?琢L=100。
原型与模型之间强度参数的转化关系式则可由主导相似准则推断出来，即：
通过上述计算结果，相似模拟实验原型和模型煤岩层的各项物理学参数也在此得到了确定，详见表4所示。
本实验安排了二组模型（采高分别为3m和7m），以对不同采高条件下的顶板的垮落和三带分布进行更好地研究，尤其是对导水裂隙带高度的研究，从而为河流下浅埋煤层的安全开采提供一定的科学依据。在实验过程中，要严格按照各煤层岩的实际尺寸进行施工铺设，总铺设厚度为140cm，每次铺设厚度保持在2cm，要保证铺设面的平稳均匀，并要保持好煤层原有的倾角。此外，还要在铺设的每层之间加上一定的云母粉，这样能够保证实验模型层理更加清晰分明。
与此同时，还要按照一定的相似比来推进试验中工作面的进度，若想达到工作面年产400万吨的设计目标，则实际工作面每天至少要推进10m才能按时完成。
3.3 相似材料试验主要结论
通过对相似模拟实验进行分析，可以总结出以下几方面的结论：
①在目前所具备的顶板条件之下，顶板的初次垮落步距在35~40m范围以内，当采高保持在3m时，顶板初次垮落步距为35m，而当采高维持在5m或是7m的时候，顶板的初次垮落步距则为40m。
②无论采高是3m还是7m，向下顶板的周期垮落步距都维持在10~15m。
③采高为3m之时，上覆岩层垮落带高度相对应为15m，导水裂隙带高度则维持在48m；按同样的比例可计算出，当采高上升到7m的时候，上覆岩层垮落带高度上升到32m，导水裂隙带高度值则为94m。
4 结论
综上所述，本文通过借助相似材料模拟实验以及精确的数值计算，对高头窑煤矿河下采煤过程中上覆岩层垮落带和导水裂隙带的分布及演化规律进行了系统的分析和研究，并获得了如下主要结论：
①通过相似模拟实验的分析，采高在3m以及7m的情况下，向下顶板的周期垮落步距保持在10~15m范围之内，其初次垮落步距则维持在35~40m，即采高3m时，顶板的初次垮落步距为35m，而当采高为7m的时候，顶板初次垮落步距则为40m。
②按照规程预测高头窑煤矿煤层开采时，采高为3m时，导水裂隙带高度为44.6m；采高7m时，导水裂隙带高度为73m。
按照相似材料模拟结果，采高为3m之时，上覆岩层垮落带高度相对应为15m，导水裂隙带高度则维持在48m；同样的比例，当采高上升到7m的时候，上覆岩层垮落带高度上升到32m，导水裂隙带高度值则为94m。
③通过综合比较分析，高头窑煤矿采煤时的裂采比为15（针对水多湖川和大哈他土沟下），当采高为3m时，导水裂隙带高度保持在45m左右；当采高为7m时，导水裂隙带高度则随即上升到105m。
④为有效控制住导水裂隙带高度，以保证河流下浅埋煤层开采的安全性，就一定要对水多湖川和大哈他土沟河下开采的2-3层煤层的采高进行严格控制。
⑤3-1煤层在水多湖川下平均厚度3m左右，最厚的J304煤厚达4m。虽然按照裂采比15计算，导水裂隙带高度达60m，也会沟通2-3煤层的采空区。但这种概率比较小。从提高资源回收率的角度，建议3-1煤层开采实施全高开采，不建议限高开采，但需及时做好2-3煤采空区老窑水防探水工作，如存在老窑水，要提前做好老窑水的疏放工作，保证3-1煤的安全开采。
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参考文献：
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