坪湖矿巨厚岩溶水体和村庄负压煤优化开采试验研究

坪湖矿巨厚岩溶水体和村庄负压煤优化开采试验研究

1平湖矿分类1.1巨厚长基岩质型岩石地层结构平湖矿位于江西省丰城市汉江市和上塘市，生产能力55万吨。阳坑村是一个建筑工地密集、老旧房屋众多的村庄。下伏长兴石灰岩溶解池非常发育。坪湖矿613东、617东工作面长壁开采之后,地面相继出现了多次严重的岩溶塌陷。1.2阳坑村上中粒砂岩地层阳坑村下开采煤层为上二叠统龙潭系B4煤层。B4煤层厚1.8～2.0m,伪顶为灰黑色炭质页岩,直接顶板厚6.0～8.0m,由砂岩和细粉砂岩夹砂质页岩(含小煤线)组成,老顶顶板为厚8.0～10.0m的细砂岩和中粒砂岩。阳坑村地面标高为+26.5～+28.0m,平均+27.0m。B4煤层回采标高为-480～-600m,平均开采深度为550m。长兴灰岩厚度150m左右,距下面的B4煤层距离大于300m,在阳坑村下开采区内的东部,赋存有侏罗系门口山组,岩层厚度一般为40～100m,其中靠近615工作面的侏罗系门口山组厚度为40～80m,在615工作面以西缺失侏罗系门口山组岩层。阳坑村开采区内的第四系厚度比较小且变化较大,最薄的为7m,最厚的为31m,一般为8～12m,其分布趋势为西薄东厚,最厚的在东北部。1.3洞穴位置及发育特征阳坑村下灰岩中,岩溶分布较广,数目众多,探测到溶洞有96个,其中最大的体积为681136m3,最小的为175m3。浅部的溶洞位于+5m,距地表只有22m,观测范围内深部的溶洞位于-160m,距地表187m。根据探测结果,在岩溶水平分布上,在阳坑村东部下方,溶洞发育稍差;在西部地下,溶洞比较发育;从岩溶发育的深度来看,其总的趋势为浅部(-60m以上)发育,深部稍差。所以总体上,在阳坑村西部,其浅部溶洞比较发育;在阳坑村东部,浅部溶洞发育稍差,浅部岩溶多数被砂、砾石充填,而深部多为水充盈。2地表岩溶增移致塌机理阳坑村邻区开采后,地面出现多处岩溶塌陷。其中,范围较大的岩溶塌陷有2个。(1)1号岩溶塌陷坑。该塌陷坑距613东工作面120m,塌陷坑直径约20m,深2.0m左右,塌陷处第四系厚度为20m。(2)2号岩溶塌陷坑。617东工作面推进了100m之后,在超前于工作面190m处的地表也发生岩溶突然塌陷,地表出现了直径为12m、深为3～4m的台阶式塌陷坑。613东工作面走向长360m,倾斜宽110m。617东工作面走向长350m,倾斜宽145m。所采煤层均为B4煤层,采厚2.4m,距长兴灰岩距离均在343m以上。按《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与开采规程》中推荐的公式计算,垮落带和导水裂缝带最大高度只有40m左右,由于有这300m厚的煤系地层阻隔,采空区不可能直接沟通长兴灰岩中的岩溶水,导致长兴灰岩岩溶失水致塌;从水量测定来看,采后采空区内出水量很少,这样的出水量绝不会引起长兴灰岩岩溶水的波动,导致岩溶塌陷;从水质分析来看,这些工作面水均是顶板砂岩水,而不是长兴灰岩岩溶水。以上分析可以得出,地表岩溶塌陷的产生,不是因为导水裂隙带破坏波及长兴灰岩而直接失水造成的。从时间上来看,1号岩溶塌陷坑是在613东工作面采后3个月发生的,距工作面120m;而2号岩溶塌陷坑在617东工作面推进100m之后发生,在工作面前方190m处。两处岩溶塌陷,均是在工作面开采之后,在采动影响期间,也在采动影响范围之内(在铅垂方向上,岩溶塌陷坑下方存在采动离层区;在平面上,岩溶塌陷坑位于静态和动态拉伸水平变形区内)。因此,虽然不是直接的采动导水裂隙破坏造成,但导致岩溶塌陷的主要原因应该是以下2个间接的采动影响因素。(1)采动覆岩离层开裂引起岩溶塌陷。按照一般规律,煤层开采后,由于所采煤层上覆岩层岩性的差异,导致上下两层岩层的采动沉降的不同步,从而在不同岩层间将形成“离层”。本矿井田,长兴灰岩在上,龙潭煤系在下。长兴灰岩不仅强度大,而且整体性好,受采动影响后整体下沉缓慢,而长兴灰岩之下的龙潭煤系,相对长兴灰岩来说,强度和整体性都较差,受采动影响而整体下沉的速度相对快一些。由于不同步的下沉,故在长兴灰岩的底部就有可能产生离层,为长兴灰岩中岩溶水的流失和岩溶塌陷创造了条件。当离层与溶洞间有裂缝导通时,将使靠水充盈的岩溶产生真空吸蚀现象而导致塌陷。因此,本区采动覆岩离层与岩溶的沟通失水是引起岩溶塌陷的一个因素。(2)采动地表水平拉伸开裂引起岩溶塌陷。井下开采后在距离工作面一定距离外的地表将受到拉伸影响而产生地表开裂(在推进过程中工作面外的地表变形称为动态拉伸变形,在停采后工作面外的地表变形称为静态拉伸变形)。当裂缝达到一定深度和宽度时,这些裂缝将使溶洞之间相通,为岩溶水的流失和岩溶吸蚀创造了条件,就会对岩溶上覆盖层就会出现拉伸开裂,造成该处上覆岩层失稳、坍塌。从最大的1号岩溶塌陷和次之的6号岩溶塌陷处的具体位置来看,它们均分别位于613东工作面和617东工作面地表的静态和动态水平变形的拉伸区范围。所以,这里的岩溶塌陷与工作面开采后地表所产生的水平拉伸造成的垂直开裂有相关关系。3类似材料的模拟测试3.1模型试验台的构建根据地质原型与开采条件,设计阳坑村岩溶下采煤模型长2.4m,宽0.2m,高度0.948m,相似模型的相似比为1:600。模型试验台是用槽钢焊成的2.4m×0.20m×1m的框架,以砂子为骨料,石膏、碳酸钙为粘结材料,并在其上专门设计了大小各异、层位不同的溶洞,模型构建如图1(标有00的照片为采前构筑的原始模型)所示。开挖设计分条带开采与长壁全部开采2个类型,条带开采宽度从50m到100m,采出率在50%,采出厚度从2.4m到4.8m。3.2采后岩石损害观测按照先条带开采后全部开采的模拟顺序进行开挖,采后覆岩破坏情况结果如下。(1)条带开采后覆岩接触在采厚2.4m、采出率50%和采宽50～100m的条带开采条件下覆岩破坏的最大高度为5cm左右,出现离层的位置也未超过5.0cm;当开采厚度增加到4.8m时,与采厚2.4m时相对应的采宽相比,采动影响增加,但开采后覆岩破坏高度的增加不明显。在图1中标有06的照片为条带开采采后垮落情况。在采厚4.8m、采出率50%、条带宽度100m采后,仅发生顶板的垮落,并未观测到明显的地表沉陷。(2)覆岩垮落高度采宽不同时煤系地层采后活动特性也就是对第一阶段留设的左侧条带煤柱进行再开采,相当于走向长壁全采。在采厚4.8m条件下,累计采宽200m时,覆岩垮落高度22cm;累计采宽400m时覆岩垮落高度42cm(图1中的照片09);累计采宽600m时,煤系地层随采随冒,左侧五个溶洞出现横向裂缝,溶洞2、4和5底部出现纵向断裂破坏(图1照片11)。结果表明,长壁全部开采时采动影响大,会波及溶洞并出现开裂破坏,但井上下裂缝并不沟通。3.3模拟开采的导水裂隙发育特点(1)无论是采厚2.4m,还是采厚4.8m,回采率50%和采宽50～100m的条带开采对煤层上覆岩层的影响远小于长壁全采的采动影响,条带开采对上覆的长兴灰岩的影响不会使溶洞产生破坏。(2)在模拟长壁全部开采过程中,开采煤层上方与长兴灰岩之间,没有出现垮落和裂隙,导水裂缝带并没有发育到长兴灰岩底部,直接引起岩溶的开裂破坏。这与根据规程计算的导水裂隙带是吻合的。(3)在模拟长壁全部开采过程中,长壁全部开采,特别是开采范围达到充分采动之后的长壁全部开采时,对上覆岩层中的石灰岩溶洞出现了较大的水平裂缝和垂直裂缝。而这种裂缝为溶洞破坏提供了通道条件。这些裂隙会导致溶洞与溶洞间的水流吸蚀,引起岩溶塌陷。(4)在模拟长壁全部开采过程中,龙潭煤系与长兴灰岩之间没有产生大的离层,但长兴灰岩顶部的下沉量小于煤系地层顶部的下沉量。这表明,两者之间还是存在一定离层空隙,而只是在相似材料模拟中,没有得以明显显现。4影响因素:主要因素通过对阳坑村邻区开采地表产生岩溶塌陷的分析和材料模拟研究得出,开采强度是影响岩溶塌陷发生的主要因素。因此,针对阳坑村开采区侏罗系地层厚度和岩溶发育分布特征,应用小变形宽条带设计优化理念,在边开采边总结的实践中,分东部的长壁全采区、中西部的条带开采区和中部的条带全采区3个区多个阶段逐步使开采方案达到优化,工作面开采情况见表1,具体工作面布置如图2所示。4.1长壁全采优化方案课题组对上覆岩层的岩性结构进行详细分析,认为东部的地质采矿条件相对西部优越得多,主要表现在以下几点。(1)东部工作面上方的岩溶不太发育,仅有一处浅部岩溶,埋藏深度为-10m,而其他几处岩溶的埋藏深度均在-60～-100m标高,其上没有建筑物。(2)东部第四系厚度为10m,617工作面全部处在侏罗系门口山组侵蚀区下,厚度为40～100m,而615工作面部分区域有侏罗系门口山组的侵蚀,但615工作面上方地表建筑物稀少。通过分析研究,把试采区东部变更为长壁全采优化方案。在分区中,将侏罗系侵蚀范围最西端作为阳坑村建筑物的保护边界,从该边界起,往东按照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》的规定留设村庄建筑物保护煤柱。松散层厚度12m,其移动角45°;煤层埋深600m,基岩动角γ为73°。采用垂线法进行设计,保护煤柱宽度取整为200m。因此,615工作面全采长度为300m,617工作面全采的长度为350m。从2001年9月开始,首先对东部的615工作面进行开采。615工作面由东向西推进,到2001年11月推进180m处的中间联络巷处暂停。暂停了3个月后于2002年2月份起又开始回采,直到2002年5月推进到615工作面300m处,即保护煤柱东边界为止。615工作面为走向长壁布置,后退式开采,单体支柱与铰接顶梁联合支护,全部垮落法管理顶板,推进速度为1.5m/d。617工作面从2002年10月开采,该工作面从煤柱东边界开始由西向东推进,一直推进到工作面的边界为止,于2003年7月回采结束。4.2条带开采对煤层上覆地层的影响试采区西部为阳坑村建筑物密集区,老、旧房屋多,有新修的曲江铁路从工作面上方穿过,另外西部区域不仅岩溶发育,而且集中在浅部,第四系覆盖层仅为8～12m,这些因素对于控制岩层移动是不利的。另一方面,由于开采深度大,并在510m岩柱中除地表10m左右的第四系松散层之外,其余500m均为基岩,这样厚的基岩对提高条带工作面的开采宽度是有利的。由模拟试验可知,条带开采对煤层上覆岩层的影响远小于长壁全采,条带开采对上覆的长兴灰岩的影响不会使溶洞产生破坏。因此,课题组采用了控制性的条带开采,在阳坑村岩溶发育、第四系地层较薄,且没有侏罗系地层侵蚀的区域采取3个阶段的条带开采方案试采。(1)地下工作面开采带这是在阳坑村中部困难条件下的第一次条带开采,首先在阳坑村中部地区地下,615长壁开采工作面的西侧,按条带布置,设计开采615下工作面,其采出率45%,开采宽度45m,留设宽度55m。从2004年5月开始至2004年9月顺利地实现了安全开采。(2)变形宽条带设计在东翼长壁全部开采取得成功的基础上,为更好地发挥工作面的生产能力,应用小变形宽条带设计优化理念,在采出率保持50%不变的前提下,将西翼的613西工作面的条带开采宽度设计为90m。613西条采工作面和由西往东推进,到采区上山保护煤柱为止,从2003年7月开始开采,到2003年11月回采结束。(3)增加采宽,加大采宽依据613西条带工作面采后的地表移动观测提供的资料,发现613西工作面虽然采宽增加到90m,但地表移动变形并不明显,房屋基本上见不到受损,而且接替613西工作面的617西工作面较613西工作面采深增加了30m。参考相似材料模拟试验得出的结果:在左侧留设了150m隔离煤柱之后,再采用条带开采,采宽为100m、一次采厚为4.8m、50%的回采率,开采后对覆岩的影响仍不大。课题组在617西条带工作面与613西条带工作面之间留110m煤柱之后,按采出率50%,将617西工作面的采宽由90m增加到110m。617西条采工作面也是由西往东推进,于2004年5月开始开采至2004年10月回采结束。4.3次条带全柱开采技术坪湖矿工作面接替困难,煤炭资源非常缺乏,为了进一步提高资源回收率,在东部的长壁全采615工作面、617工作面和西部的宽条带开采613西工作面、617西工作面均已回采完毕之后,将分为下部条带和上部条带,进行了条带全柱开采。课题组拟将正上方没有建筑物的615下条带工作面北侧的保护煤柱615上工作面,采用条带全柱开采技术,进行了二次条带全柱开采试验。二次条带开采全部煤柱就是先采出其中一个条带,保留一个条带,然后再采保留的条带,实现条带为全柱开采方案。二次条带全部开采