五溝煤礦1031工作面防水煤柱留設(shè)分析

朱凱,宣以瓊,曹培喜,張俊

(安徽建筑大學(xué) 土木學(xué)院,安徽 合肥230022)

摘要：在分析五溝煤礦地質(zhì)、水文地質(zhì)基礎(chǔ)上,建立了數(shù)值分析模擬模型,利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析1031工作面開采“兩帶”高度,獲得了頂板巖層應(yīng)力與應(yīng)變演化特征。采用不同方式預(yù)測(cè)了工作面不同開采區(qū)域“兩帶”最大發(fā)育高度,確定了含水層下防水煤巖柱的合理留設(shè),制定了安全調(diào)控技術(shù)措施,由此可解放煤炭資源量20余萬(wàn)t,對(duì)含水層下安全開采具有重要的推廣應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：工程地質(zhì);防水煤柱;FLAC3D 數(shù)值模擬;“兩帶”高度

收稿日期：2014-10-19

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(51074002，51274007)聯(lián)合資助。

作者簡(jiǎn)介：朱凱(1990-)，男，碩士生，主要研究方向?yàn)閹r土及地下結(jié)構(gòu)工程。

中圖分類號(hào)：TD821

Analyse on Reasonable Water coal pillarLeaving Key

Technologies in No.1031 working face, Wugou Coalmine

ZHU Kai,XUAN Yi-qiong,CAO Pei-xi,ZHANG Jun

(School of Civil engineering, Anhui Jianzhu University , Hefei 230022,China)

Abstract:Based on the analysis of Wugou coalmine geology and hydrogeology, numerical simul-ation model is established. The 1031 working face of mining height is numerical simulated by mea-ns of the FLAC3D software. The stress and strain evolution characteristics of roof strata were obtained. Different ways are adopted to predict the biggest growth altitude of "two belts"in workin-g face's different mining regions.The reasonable design of waterproof coal pillar in the lower aqui-fer is determined and safety regulation and technical measures are developed. All of these can lib-erate coal resources of more than 20 million t and have important application value for the lower a-quifer mining safety.

Key words:engineering geology; waterproof coal pillar; FLAC3D simulation; highly "Two Belts"

0引言

近10年來,煤炭生產(chǎn)基地發(fā)生各類礦井水害事故多達(dá)1000余起,經(jīng)濟(jì)損失達(dá)40億元人民幣,死亡事故連年發(fā)生,煤層在開采以后覆巖會(huì)發(fā)生移動(dòng)與破壞,從而引發(fā)冒頂事故和工作面突水事故[1-3]。防水煤巖柱的留設(shè)不合理,會(huì)造成斷層或其他含水體水突入礦井[4]。為了實(shí)現(xiàn)安全合理煤層開采,通過使用數(shù)值軟件進(jìn)行數(shù)值模擬[5]和實(shí)測(cè)成果留設(shè)技術(shù)研究,對(duì)冒落帶高度和導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行分析研究,進(jìn)一步得出減少煤巖柱寬度留設(shè)的方法,從而提高煤炭資源的回采率,延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限,為煤層安全開采提供合理依據(jù)[6-9]。

1工程地質(zhì)與水文條件分析

五溝煤礦1031工作面為三采區(qū)首采工作面,北靠F16正斷層防水煤柱,南鄰1032工作面(未設(shè)計(jì)),東起三采區(qū)10煤層三條大巷,西至DF5斷層。工作面回采山西組10煤層,機(jī)巷可采走向長(zhǎng)度1411m,風(fēng)巷可采走向長(zhǎng)度1411m,1#切眼長(zhǎng)88m,2#切眼長(zhǎng)178m,煤層厚度在1.6m～5.4m,平均3.8m,傾角為3～16°,平均傾角8°,地質(zhì)儲(chǔ)量126萬(wàn)噸。近幾年隨著煤炭開采量的增加及大量可開采煤炭區(qū)域被占用等因素影響,礦井資源有效的開采量急劇減少,使得礦井的服務(wù)年限大大縮短,再加上礦井水文地質(zhì)條件復(fù)雜,煤層的分布不規(guī)律,井田的構(gòu)造發(fā)育斷層密集。

1.1新生界松散層“四含”分布特征

1031工作面上覆松散層厚273.4m,其中位于新生界第四含水層上部的第三隔水層,塑性指數(shù)Ip為11.30～27.80,其可塑性好,厚度大,膨脹性強(qiáng),隔水性良好,分布比較穩(wěn)定,使其以上各含水層與含水層下的“四含”水之間失去水力聯(lián)系。

通過鉆孔抽水資料及組合分析(見表1、表2)及水文地質(zhì)資料和 “四含”顆粒的分布情況,得到1031工作面上方第四含水砂層應(yīng)為弱含水層。

表1　1031工作面附近四含抽水試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表

表2　1031工作面附近鉆孔資料統(tǒng)計(jì)一覽表

1.210煤頂?shù)装迳皫r裂隙含水層

由工作面內(nèi)及其附近的5個(gè)地面鉆孔資料,10煤頂?shù)装鍘r性以灰白色中、細(xì)砂巖為主,夾灰色粉砂巖及泥巖。本工作面頂、底板30m范圍內(nèi)砂巖含水層平均厚度分別為11.05m,5.73m。砂巖裂隙發(fā)育不均,局部多發(fā)育垂直裂隙。據(jù)抽水試驗(yàn)資料,q=0.006823～0.008145L/s.m,K=0.061231～0.030978m/d,水質(zhì)類型為HCO3～K+Na型,礦化度0.430～0.521g/l。說明10煤頂?shù)装迳皫r含水層裂隙發(fā)育不明顯,含水性相對(duì)較弱,對(duì)工作面回采影響比較小。

為了確保工作面安全和正?；夭?分別通過地面三維地震勘探、地面鉆探、井下瞬變電磁等物探方法對(duì)工作面地質(zhì)和水文地質(zhì)條件進(jìn)行了綜合探查,進(jìn)一步查清了工作面開采范圍內(nèi)的隱伏構(gòu)造及賦水區(qū)情況。

1.3地面三維地震勘探

地面物探采用三維地震勘探。采區(qū)內(nèi)共施工地震物理點(diǎn)9742個(gè),工程量11.108Km2,采用科學(xué)合理的勘探方法控制構(gòu)造和基巖面,符合工作面設(shè)計(jì)要求。

1.4地面鉆探

西三采區(qū)內(nèi)共有鉆孔34個(gè),鉆孔密度11.07個(gè)/Km2,有J1、J2、J4 、J5、30線和28線6條勘探線所控制,勘探線間距336m,在設(shè)計(jì)工作面及周圍取間距150m～250m的鉆孔。對(duì)構(gòu)造和基巖面有較好的控制,西三采區(qū)基巖面起伏不大,尤其是在1031工作面附近 “四含”厚度較薄,隨著中深部基巖面逐漸降低、“四含”厚度逐漸加大;工作面切眼附近28-13和28-16孔基巖面標(biāo)高為-239.35和-236.14m,基巖面控制程度較高。

1.5井下瞬變電磁探測(cè)

為探明工作面含水層的賦水性,徐州中澳地質(zhì)工程科技開發(fā)有限公司對(duì)1031工作面進(jìn)行了瞬變電磁探測(cè)。分析電阻率等值線擬斷面圖(見圖1)可以看出，橫坐標(biāo)在0～320m范圍、390～410m范圍和440～480m范圍,縱坐標(biāo)在70～120m(沿探測(cè)方向距離)范圍,等值線數(shù)值小于1.5Ωm(80～310m之間等值線數(shù)值小于1Ωm),為明顯低阻異常反應(yīng),結(jié)合實(shí)際地質(zhì)資料分析,說明工作面靠近機(jī)巷附近頂板上35～60m范圍賦水裂隙帶發(fā)育,發(fā)育范圍大,向上賦水性增強(qiáng)。其它探測(cè)范圍視電阻率等值線橫向雖然變化較大,但等值線數(shù)值大于2Ωm,為相對(duì)高阻反應(yīng),說明工作面靠近機(jī)巷一側(cè)對(duì)應(yīng)位置煤層頂板上60m范圍巖層賦水性較弱。通過防水煤巖柱工作面綜合探查分析及依據(jù)實(shí)際資料數(shù)據(jù),逐漸減少防水煤柱尺寸。

2防水煤巖柱留設(shè)的計(jì)算方法

2.1按“三下”開采規(guī)程留設(shè)

(1)計(jì)算冒落帶高度

根據(jù)1031工作面采前水文檢查孔的巖體力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試資料,得到其主采煤層淺部覆巖屬于軟弱～中硬型。因此,該類型的覆巖 “兩帶”高度的預(yù)計(jì)參數(shù)及條件為三采區(qū)內(nèi)1031工作面內(nèi),10煤層重新界定上提部位最大采煤厚為4.63m,對(duì)應(yīng)的冒落帶高度為:13.56m

式中:Hm-冒落帶高度;

∑M-煤層采厚,m。

(2)計(jì)算

按“三下”開采《規(guī)程》規(guī)定, 1031工作面覆巖巖性為軟弱～中硬類型情況時(shí),保護(hù)層Hb=2A～3A,即

覆巖為軟弱時(shí):Hb=2A=2×4.63=9.26m

覆巖為中硬時(shí):Hb=3A=3×4.63=13.89m

(3)防水煤巖柱Hsb垂高計(jì)算

Ⅰ按軟弱覆巖計(jì)算:

Hsb=Hmi+Hb=9.13+9.26=18.39m

Ⅱ按中硬覆巖計(jì)算:

Hsb=Hmi+Hb=13.56+13.89=27.45m

2.2按“實(shí)測(cè)成果”進(jìn)行留設(shè)

五溝煤礦為確保重新界定后的1031工作面,通過縮小防護(hù)煤柱的1016工作面后,在煤層地面施工區(qū)取三個(gè)兩帶高度孔和一個(gè)采前檢查孔,由表3可知最大冒高采厚比為4.69倍。從而確定出1031淺部工作面需留設(shè)的防水煤巖柱高度為:4.69×4.63+13.89=35.60m

表3　五溝煤礦“兩帶”高度發(fā)育特征測(cè)試成果一覽表

3FLAC3D數(shù)值模擬及分析

通過FLAC3D三維數(shù)值模型和開采煤層上覆巖層移動(dòng)規(guī)律,可知當(dāng)工作面推進(jìn)距離和工作面長(zhǎng)度接近時(shí),裂隙帶發(fā)展高度出現(xiàn)最大值,對(duì)于此次研究模型走向長(zhǎng)300m(y方向),每10m一格。傾向長(zhǎng)250m(x方向),共分40格。裂隙傾角為50度,高100m。模型共120000個(gè)網(wǎng)格。煤層沿走向開挖,工作面寬度取100m,考慮到模型邊界效應(yīng)的影響,模擬軟件采用在模型的中間布設(shè)合理的采空區(qū)的方法,來消除左右邊界效應(yīng),在模型的上部采用載荷來代替上部松散層的重量見圖2～3所示。

開采煤層后,綜采工作面上層覆巖應(yīng)力重新分布,根據(jù)莫爾庫(kù)侖理論,采用迭代法并利用FLAC3D計(jì)算出10煤層開采后底板巖層的變形破壞特征,獲得底板工作面傾向屈服破壞特征圖,通過FLAC3D軟件模擬分析,可以方便地確定三采區(qū)在采高為4.63m的條件下,綜采工作面兩帶發(fā)育規(guī)律模擬成果見圖4～6所示,計(jì)算結(jié)果見表4。

3.1安全煤柱的留設(shè)與可靠性研究

據(jù)“三下”采煤《規(guī)程》規(guī)定,在這種水體允許受采動(dòng)的水文地質(zhì)條件下,采用防水煤巖柱進(jìn)行開采,即安全煤巖柱高度=冒落帶高度+保護(hù)層厚度,保護(hù)層厚度按“三下”采煤采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與開采規(guī)程》規(guī)定,可按“弱含水層厚度小于累計(jì)采厚”的情況選取,由此確定的三采區(qū)淺部工作面需留設(shè)的安全保護(hù)煤巖柱高度為:17.1+13.89=30.99m。

1031工作面淺部基巖面標(biāo)高為-236.51m,風(fēng)氧化帶厚度為15m;按上述研究成果,采用綜采采煤技術(shù)計(jì)算,安全煤巖柱高度為27.45m。由此確定開采上限為-263.96m,。由于本工作面是西三采區(qū)提高開采上限,留設(shè)防水煤柱的第一個(gè)試采工作面,為確保該工作面開采安全穩(wěn)妥進(jìn)行,增大其安全系數(shù);同時(shí)也為保證采出煤炭質(zhì)量不受斷層和風(fēng)化影響,實(shí)際其開采上限標(biāo)高為-292.3m。1031工作面風(fēng)巷標(biāo)高為-292.3m,1031工作面防水煤巖柱實(shí)際高度為55.83m,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于計(jì)算的安全煤巖柱高度27.45m。因此,1031工作面開采,頂板“四含”無(wú)突水危險(xiǎn)性。

4含水層下1031工作面開采安全調(diào)控技術(shù)措施

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》及《煤礦防治水規(guī)定》中的有關(guān)內(nèi)容,1031工作面安全防控應(yīng)按照相關(guān)的安全技術(shù)原則來實(shí)施,采用井上、下物探、鉆探相結(jié)合,時(shí)刻觀測(cè)開采區(qū)域水文地質(zhì)的變化情況,并加強(qiáng)地質(zhì)觀測(cè)的研究工作,并建立地下水長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)觀測(cè)系統(tǒng)來預(yù)防“四含”水害,從而確立出安全合理有效的綜合防治措施。

5結(jié)論

通過研究資料和建立FLAC3D有限元數(shù)值模擬軟件,最后計(jì)算出五溝煤礦1031采區(qū)煤層開采冒落帶高度為14.00m,最大冒高采厚比為4.69。使得煤層留設(shè)從55.83m降低到35.60m,減少近20m的壓煤量,共計(jì)解放煤炭資源量20萬(wàn)t,在原來的基礎(chǔ)上帶了上千萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)效益,為五溝煤礦防水煤柱的有效回收和安全回采提供了科學(xué)依據(jù)。

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