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        薄基巖厚松散層下充填保水開采安全性分析

        2017-02-21 05:16:04郭文兵楊達明白二虎
        煤炭學(xué)報 2017年1期
        關(guān)鍵詞:松散層隔水層保水

        郭文兵,楊達明,譚 毅 ,白二虎

        (1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院,河南 焦作 454000;2.煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 焦作 454000)

        薄基巖厚松散層下充填保水開采安全性分析

        郭文兵1,2,楊達明1,譚 毅1,白二虎1

        (1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院,河南 焦作 454000;2.煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 焦作 454000)

        為研究薄基巖厚松散層下充填開采安全性,選擇五溝煤礦CT101充填工作面為研究對象,通過理論分析、數(shù)值模擬和鉆孔探測,對CT101充填工作面隔水關(guān)鍵層穩(wěn)定性進行了分析,揭示薄基巖厚松散層下充填開采覆巖裂隙高度(深度)及其變化規(guī)律,并對開采安全性進了分析。結(jié)果表明:采高3.5 m,矸石充填率為85%時,關(guān)鍵層未破斷,隔水關(guān)鍵層保持完整;下行裂隙多分布在工作面兩端,且具有彌合性,隨工作面推進周期性增大、減小,實測下行裂隙深5.5 m,上行裂隙高6.41~11.85 m,剩余隔水層組厚度為17.38~23.97 m,工作面可實現(xiàn)安全回采,為類似采礦地質(zhì)條件下開采安全性分析提供了借鑒。

        厚松散層;保水開采;充填采煤;覆巖裂隙;鉆孔探測

        隨著我國煤炭資源的不斷開采,“三下”(建筑物、水體、鐵路下)壓煤量所占比例越來越大,解放“三下”壓煤,延長礦井服務(wù)年限已成為“三下”壓煤礦區(qū)亟需解決的問題?!叭隆辈擅褐兴w下采煤對礦井的安全生產(chǎn)威脅最大,若采用疏干(降)方法對水體進行處理會破壞地下水資源,污染地下水體[1]。錢鳴高、繆協(xié)興等從綠色開采的要求出發(fā),構(gòu)建了保水開采技術(shù)體系[2],保水開采成為解放水體下壓煤,同時保護水體的一項重要開采措施。近年來我國學(xué)者對保水開采進行了大量的理論和實踐研究,水體下采煤是否需要采取保水開采措施,取決于導(dǎo)水裂隙帶能否波及到水體,部分學(xué)者通過采用鉆孔探測、模擬試驗和關(guān)鍵層理論研究對導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度和裂隙發(fā)育規(guī)律[3-5],為保水開采提供了技術(shù)依據(jù),黃慶享通過陜北淺埋煤層保水開采的模擬研究和采動損害實測,揭示導(dǎo)水裂隙主要由上行裂隙和下行裂隙構(gòu)成,采動裂隙帶的導(dǎo)通性決定著覆巖隔水層的隔水性[6],提出了隔水層下行裂隙彌合性[7],并且進一步提出了柔性條帶充填保水開采方法,建立了條帶充填隔水層穩(wěn)定性判據(jù)[8-9],奠定了保水開采隔水層安全的理論基礎(chǔ)。

        同樣地質(zhì)條件下,充填開采通過外來材料充填采空區(qū),減少了采出空間,其導(dǎo)水裂隙帶高度較全部垮落法采煤明顯減小,充填開采已成為保水開采的重要技術(shù)措施[8-9];中國礦業(yè)大學(xué)研發(fā)了固體充填采煤技術(shù)與成套裝備,建立了固體充填采煤巖層移動及地表沉陷控制理論與方法[10-14]。本文以五溝煤礦CT101充填工作面為研究對象,通過理論分析、數(shù)值模擬和鉆孔探測對隔水層穩(wěn)定性進行分析,對薄基巖厚松散含水層下充填保水開采安全性進行研究。

        1 地質(zhì)采礦條件

        皖北煤電集團五溝煤礦10號煤層為主采煤層,CT101工作面位于南一采區(qū),工作面寬100 m,長約587 m,沿走向布置。由該工作面附近的鉆孔資料得到煤層厚度平均3.5 m,工作面煤層傾角2°~10°,平均6°;基巖厚度約43 m,松散層和土層厚度約230 m。根據(jù)礦井鉆孔揭露的地層情況,10號煤層上部存在4個松散含水層。受第3隔水層的阻擋,松散層第1、第2、第3含水層與第4含水層和基巖不發(fā)生水力聯(lián)系,松散層下部第4含水層主要由礫石、砂礫、黏土礫石、砂層及黏土質(zhì)砂層等組成,屬中等富水性含水層,直接覆蓋于基巖之上,可通過采動裂隙涌入工作面;松散層內(nèi)各含(隔)水層巖性、厚度、位置情況如圖1所示。由于基巖較薄,全部垮落法開采會破壞松散含水層,導(dǎo)致地下水位下降,且威脅回采安全[15],因此采用矸石充填開采。矸石充填采煤中充填矸石通過井下運輸系統(tǒng)輸送至懸掛在充填采煤液壓支架后頂梁的刮板式充填開采輸送機上,再由卸料孔將矸石充填入采空區(qū),最后采用夯實機進行夯實,通過控制矸石充填量控制充填率,該CT101工作面充填率為85%。通過對工作面覆巖的力學(xué)指標試驗,得到工作面巖層參數(shù)見表1。

        圖1 松散層內(nèi)各含(隔)水層情況

        2 隔水層穩(wěn)定性理論分析

        保水開采中隔水關(guān)鍵層定義為:假設(shè)煤層上部含水層在結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層的上方,或煤層下部含水層在結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層的下方,如果結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層采動后不破斷,則結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層可起到隔水作用,同時就是隔水關(guān)鍵層;如果結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層采動后會發(fā)生破斷,但破斷裂隙被軟弱巖層所充填,不形成滲流突水通道,則結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層與軟弱巖層組合形成復(fù)合隔水關(guān)鍵層[16]。因此,若判斷隔水關(guān)鍵層的穩(wěn)定性,需先確定結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層的位置及其采動后的穩(wěn)定性。

        基于關(guān)鍵層理論,提出固體充填開采結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層穩(wěn)定性判定方法,步驟如下:

        ① 確定采場上方的結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層位置。

        ② 根據(jù)采厚、采出率等參數(shù)計算等價采高。

        表1 工作面巖層參數(shù)

        Table 1 Parameters of mining strata

        序號巖層名稱層厚/m埋深/m密度/(kg·m-3)抗壓強度/MPa抗拉強度/MPa彈性模量/GPa黏聚力/MPa泊松比內(nèi)摩擦角/(°)11泥巖3.95270.70240317.051.611.34.200.322310粉砂巖10.43281.13241025.903.431.08.500.22409細砂巖0.63281.76248426.471.36.64.790.12358粉砂巖5.07286.83241025.903.431.08.500.22407泥巖8.71295.54240317.051.611.34.200.32236粉砂巖2.89298.43241025.903.431.02.480.22405中粒砂巖1.27299.70255065.051.333.02.340.25264泥巖5.10304.80240317.051.611.34.200.3223310號煤層3.50308.3014103.500.615.02.290.35322泥巖0.65308.95245517.051.622.01.650.32231細砂巖1.36310.31248426.471.36.64.790.2235

        充填高度為

        式中,φ為充填率,%;M為煤厚,m。

        采用充填體的孔隙比表示壓實度,得到充填體壓實后產(chǎn)生的壓縮量[17]為

        式中,S1為充填體壓實所產(chǎn)生的壓縮量,m;e為矸石充填體壓實后的孔隙比。

        充填體壓實穩(wěn)定后高度為

        等價采高Me為

        ③ 由煤層與結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層之間巖層厚度和殘余碎脹系數(shù)確定覆巖垮落后關(guān)鍵層下部是否存在空頂,即式(5)是否成立。

        ④ 若式(5)不成立,說明結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層下部存在空頂,結(jié)合工作面尺寸確定結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層是否會出現(xiàn)破斷[3],即

        式中,a為工作面寬度;α為覆巖的斷裂角;Hl為結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層的厚度;Rt為結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層的抗拉強度;q為結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層承載。

        若式(6)成立,認為結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層受回采范圍影響會發(fā)生斷裂,反之則認為結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層不受回采影響,此時導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至關(guān)鍵層底部。由以上分析過程可知:等價采高是充填開采結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層破斷與否的決定因素,可通過提高固體充填體的充填率及壓實度控制結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層的變形破壞。

        3 隔水層穩(wěn)定性數(shù)值分析

        相關(guān)學(xué)者采用UDEC軟件進行離散元數(shù)值模擬計算,并以單元拉伸破壞作為覆巖裂隙(帶)的判定標準對覆巖裂隙(帶)進行了分析[19]。本次數(shù)值模擬以五溝煤礦CT101工作面鉆孔柱狀圖為基礎(chǔ),根據(jù)地質(zhì)力學(xué)評價分析巖體強度的各個參數(shù)與實驗室測的巖塊強度參數(shù)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,將相似巖性巖層進行合并,從下到上確定了8個巖層,各巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1,充填矸石力學(xué)參數(shù)見表2。

        模型水平方向210 m,垂直方向51.5 m,開挖150 m,開挖步距30 m,兩側(cè)各留30 m煤柱,充填率85%;模型兩側(cè)邊界為水平方向的滑動鉸支約束,下部邊界為固支約束,根據(jù)對工作面地質(zhì)資料分析,為提高運算效率,模擬至基巖頂部,材料模型選用Mohr-Coulumb模型。模擬得到CT101工作面覆巖塑性破壞區(qū)分布,如圖2所示。

        表2 充填體力學(xué)參數(shù)

        Table 2 Parameters of backfilling mechanics

        壓實度初始孔隙比e0密度/(kg·m-3)抗壓強度/MPa抗拉強度/MPa彈性模量/GPa黏聚力/MPa泊松比內(nèi)摩擦角/(°)0.60.6126013.00.3800.2520.500.3520

        模型中結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層位置為22.5~31.5 m,工作面推進30 m,下行裂隙發(fā)育深度為2.46 m,上行裂隙發(fā)育至結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層底部,高度為10.5 m,隨著工作面繼續(xù)推進,高度不再增加。當(dāng)工作面推進60 m,下行裂隙發(fā)育深度為5.47 m;推進至90 m時,深度為6.16 m;推進至120 m時,深度為5.48 m;推進至150 m時,深度6.46 m。隨著工作面開始推進,上行裂隙能較快達到最大高度且保持穩(wěn)定;下行裂隙多分布在工作面兩端位置,下行裂隙存在彌合性,呈現(xiàn)周期性增大和減小,深度為6.0 m左右,未發(fā)育至結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層,兩裂隙未發(fā)生貫通,剩余隔水層厚度維持在21.5 m左右。

        4 隔水層穩(wěn)定性鉆孔探測

        煤層開采過程中,隔水層(巖組)內(nèi)將產(chǎn)生自下而上發(fā)育的“上行裂隙帶”和從隔水巖組上表面自上而下的“下行裂隙帶”;上行裂隙指導(dǎo)水裂隙帶,下行裂隙指隔水層上部的拉伸裂隙[6],如圖3所示。如果上行裂隙帶與下行裂隙帶導(dǎo)通,隔水層失穩(wěn);反之,則隔水層穩(wěn)定[8,20]。為確定采動覆巖裂隙高度,采用鉆孔沖洗液漏失量法對CT101工作面的導(dǎo)水裂隙帶高度進行探測,工作面上方分別布置補26、補27兩個鉆孔,補26鉆孔深318.40 m,補27鉆孔深311.28 m,只對基巖部分沖洗液漏失量進行觀測?,F(xiàn)場鉆孔如圖3所示,監(jiān)測漏失量與鉆孔深度的關(guān)系如圖4所示,兩探測鉆孔“兩帶”高度觀測記錄見表3。

        圖3 鉆孔布置

        圖4 漏失量變化曲線

        表3 鉆孔“兩帶”高度觀測

        兩鉆孔漏失量和深度變化總體趨勢基本一致,孔深由272.62 m至278.12 m時,漏失量變小,其中補27變化更劇烈,說明基巖上部272.62~278.12 m為裂隙區(qū),下行裂隙深度為5.5 m;通過對補26鉆孔的現(xiàn)場探測,其煤層頂板位置為307.35 m,導(dǎo)水裂隙帶頂點位置為295.5 m,高度11.85 m;補27鉆孔煤層頂板位置為308.5 m,導(dǎo)水裂隙帶頂點位置為302.09 m,高度6.41 m,導(dǎo)水裂隙帶未發(fā)育至關(guān)鍵層。

        5 開采安全性分析

        根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》,穩(wěn)定隔水層厚度為3~5倍(此處取5倍)采高時,可認為工程上穩(wěn)定,安全隔水層厚度Hb=5Me=5×0.773 m=3.865 m。通過數(shù)值模擬與鉆孔探測法對CT101工作面穩(wěn)定隔水層厚度進行分析,具體結(jié)果見表4。

        表4 隔水層穩(wěn)定性分析

        Table 4 “Two zones” height analysis table

        序號類別下行裂隙深度/m上行裂隙高度/m剩余有效隔水層組厚度/m1數(shù)值模擬約6.010.5021.502鉆孔探測補265.511.8517.38補275.56.4123.97

        綜上分析,CT101工作面回采后,關(guān)鍵層未發(fā)生破斷,隔水關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)完整;數(shù)值模擬得到的下行及上行裂隙深度(高度)與實測值基本吻合,剩余有效隔水層組厚度[8-9]大于安全隔水層厚度,可實現(xiàn)安全保水回采。

        6 結(jié) 論

        (1)采用關(guān)鍵層理論對五溝煤礦CT101工作面上覆隔水關(guān)鍵層穩(wěn)定進行分析,工作面回采后,關(guān)鍵層未破斷,隔水關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)完整。

        (2)通過數(shù)值模擬和鉆孔探測對CT101工作面采動裂隙發(fā)育程度進行分析;實測下行裂隙深度為5.5 m,上行裂隙高度為6.41~11.85 m,剩余有效隔水層組厚度為17.38~23.97 m,可實現(xiàn)安全回采。

        (3)采用理論分析、數(shù)值模擬和鉆孔探測對CT101工作面充填保水開采安全性進行分析,為薄基巖厚松散層下充填保水開采安全性研究提供了數(shù)據(jù)和借鑒。

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        Study on safety of overlying strata by backfilling in water-preserved mining under thick alluvium and thin bedrock

        GUO Wen-bing1,2,YANG Da-ming1,TAN Yi1,BAI Er-hu1

        (1.SchoolofEnergyScienceandEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China;2.SynergismInnovativeCenterofCoalSafetyProductioninHenanProvince,Jiaozuo454000,China)

        To study the safety of overlying strata by backfilling in the water preserved mining under thick alluvium and thin bedrock,the CT101 coal mining face of Wugou Colliery was chosen as the research site.By employing theoretical analysis,numerical simulation and drilling detection to analyze the stability of water-resisting key strata,revealing the destruction rule of overlying strata in working face mining with filling,and analyze the safety of mining.The results show that water-resisting key strata remains stable when the thickness of coal seam is 6 m and filling rate is 85%;the downward cracks with bridging are distributed mainly over both the ends of working face.As the working face advancing,downward crack depth periodically increases and decreases.The depth of downward crack is 5.5 m,and the height of upward crack is 6.41-11.85 m,the thickness of the aquifuge is 17.38-23.97 m,working face can be mined safely.The study provides a reference for the safety analysis on mining under similar mining conditions.

        thick alluvium;water-preserved mining;mining with backfilling;mining-induced fractures;drilling detection

        10.13225/j.cnki.jccs.2016.5018

        2016-09-26

        2016-10-28責(zé)任編輯:許書閣

        國家自然科學(xué)基金資助項目(51374092);國家自然科學(xué)基金重點資助項目(U1261206)

        郭文兵(1969—),男,河南商丘人,教授,博士生導(dǎo)師。Tel:0391-3987902,E-mail:guowb@hpu.edu.com

        TD823

        A

        0253-9993(2017)01-0106-06

        郭文兵,楊達明,譚毅,等.薄基巖厚松散層下充填保水開采安全性分析[J].煤炭學(xué)報,2017,42(1):106-111.

        Guo Wenbing,Yang Daming,Tan Yi,et al.Study on safety of overlying strata by backfilling in water-preserved mining under thick alluvium and thin bedrock[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):106-111.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.5018

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