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        動(dòng)壓影響下陷落柱突水機(jī)理及治理技術(shù)研究

        2019-06-19 07:23:40
        煤礦現(xiàn)代化 2019年4期
        關(guān)鍵詞:柱體突水滲流

        陳 兵

        (西山煤電馬蘭礦,山西 古交 030200)

        0 引 言

        陷落柱是下伏石灰?guī)r層巖溶的發(fā)育,導(dǎo)致其上的上覆巖層在自重應(yīng)力的作用下發(fā)生塌落,從而形成的柱狀或者圓錐狀的地質(zhì)體[1]。由于我國煤礦揭露的陷落柱中大部分為不含水和不導(dǎo)水的,從已發(fā)生的陷落柱突水的事故中能夠看出陷落柱突水具有突水量大、隱伏性強(qiáng)、難治理等特征[2]。國內(nèi)外學(xué)者在陷落柱突水方面展開了一定的研究工作,如張寶柱[3]經(jīng)過研究分析發(fā)現(xiàn)地層結(jié)構(gòu)以及地質(zhì)構(gòu)造結(jié)構(gòu)是影響我國華北煤田的重要因素;樊懷仁等[4]通過對(duì)山西霍州地區(qū)的陷落柱進(jìn)行系統(tǒng)的分析研究得出曹村煤礦陷落柱受到構(gòu)造控制且呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)帶狀的分布;朱萬成、魏晨慧等[5]以巖體的損傷演化為研究的主線,運(yùn)用數(shù)值模擬與編程軟件相結(jié)合的方法對(duì)陷落柱突水危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)分析,得出采動(dòng)巖體力學(xué)失穩(wěn)與滲流突變是致使礦井突水的直接原因。本文主要采用理論分析與工程實(shí)際相結(jié)合的方法,研究了頂?shù)装逑萋渲耐凰畽C(jī)理,并對(duì)具體工程案例進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

        1 陷落柱的頂?shù)装逋凰J?/h2>

        圖1 陷落柱剖面圖

        當(dāng)陷落柱的柱體位于煤層的頂板或者底板時(shí),此時(shí)突水一般發(fā)生在柱體的頂部或者底部,把這種模式稱為頂?shù)装逋凰J?,又可根?jù)陷落柱與采煤工作面之間關(guān)鍵層厚度的不同將頂?shù)装逋凰J椒譃閮煞N子模式:薄板理論子模式和剪切破壞理論子模式。當(dāng)陷落柱隱伏在煤層底部時(shí),由于滲流作用發(fā)生突水,稱為滲流突水模式。陷落柱的主要參數(shù)以及陷落柱與采煤工作面之間的關(guān)鍵層所處的位置見圖1所示,圖中a為陷落柱的半徑,R為陷落柱的直徑,F(xiàn)為總剪切力,h0為工作面底板垂深。

        1.1 薄板理論子模式

        關(guān)鍵層厚度與寬度之比小于1/7~1/5時(shí),此時(shí)為薄板理論的子模式,此時(shí)關(guān)鍵層斷裂形式如圖2所示。在關(guān)鍵層中的構(gòu)造裂隙相對(duì)較小且并未相互貫通時(shí),此時(shí)雖然會(huì)使巖石的強(qiáng)度有所減小,但并不會(huì)使得巖石出現(xiàn)軟弱結(jié)構(gòu)面,我們能夠?qū)⑦@種巖體構(gòu)成的巖層近似視為均質(zhì)完整的巖層,以薄板的損傷形式對(duì)其應(yīng)力特征進(jìn)行分析,當(dāng)薄板承受地下水壓力PW的均布荷載時(shí),根據(jù)彈性力學(xué)的知識(shí)能夠得出最大彎矩會(huì)出現(xiàn)在薄板的中心位置,此時(shí)底板關(guān)鍵層產(chǎn)生破壞的極限彎矩為:

        式中:MS為關(guān)鍵層所能承受的極限彎矩,MN·m;σt為關(guān)鍵層巖石的抗拉強(qiáng)度,MPa;h為關(guān)鍵層的厚度,m。

        當(dāng)作用在巖層上的均勻荷載所產(chǎn)生的彎矩超過底板關(guān)鍵層所能承受的極限彎矩時(shí),關(guān)鍵層便會(huì)產(chǎn)生斷裂,即滿足下式:

        式中:MP為底板關(guān)鍵層承受地下水壓的均布荷載時(shí)所產(chǎn)生的彎矩,MN·m。當(dāng)上式成立時(shí)便會(huì)造成底板關(guān)鍵層的斷裂,從而致使突水事故的發(fā)生。

        圖2 關(guān)鍵層斷裂圖

        1.2 剪切破壞理論子模式

        圖3 剪切破壞理論的力學(xué)模型

        關(guān)鍵層厚度較大時(shí),薄板理論已不再適用,這種情況便為結(jié)構(gòu)力學(xué)中的剪切破壞理論子模式。當(dāng)陷落

        式中:F為端蓋底面受到的總剪切力,式中其他符號(hào)的含義同上。

        用τ表示作用在剪切面上的抗剪力,τ的表達(dá)式為:

        式中:σ0為存在于剪切面上的正應(yīng)力,kN;c為黏聚力,MPa;θ為內(nèi)摩擦角,°。在假設(shè)水平方向上圍巖壓力相等時(shí),能夠得出水平方向上的應(yīng)力與垂直方向上應(yīng)力的關(guān)系式為:柱柱體端蓋的直徑小于其厚度時(shí),此時(shí)會(huì)沿著原本存在于柱體端的構(gòu)造裂隙處出現(xiàn)剪切破壞,可采用結(jié)構(gòu)力學(xué)中的剪切破壞理論對(duì)筒壁與隔水層之間出現(xiàn)的剪切面進(jìn)行分析,剪切破壞理論的力學(xué)模型如圖3所示,圖中σ0為剪切面上的正應(yīng)力。

        以底板中存在陷落柱導(dǎo)致突水為例進(jìn)行分析,由柱體端蓋位置所能承受的最大抗剪強(qiáng)度為剪切面上的總剪切力,故端蓋底面受到總剪切力的表達(dá)式為:)

        式中:p1為地下水壓力,kN;Q為礦山壓力,kN;W為端蓋自重,kN;a為陷落柱的半徑,m。

        用f表示作用到陷落柱柱壁上的剪切力,f的表達(dá)式為:

        通過上覆巖層與底板關(guān)鍵層的厚度能夠確定σ0,故:

        式中:γd為隔水層巖體容重,kN;γd為頂板巖體重量,kN,式中其他符號(hào)的含義同上。將式(1-7)帶入到(1-5)中能夠得出:

        當(dāng)總剪切力f等于抗剪切力τ時(shí),能夠得出地下水壓力p1極限值的表達(dá)式為:

        同時(shí)考慮到陷落柱柱體橫斷面的形狀不僅僅為圓形,可進(jìn)一步將上式表達(dá)為:

        式中:δ為橫斷面面積與其周長的比值,其它符號(hào)的含義同上。

        1.3 底板陷落柱滲流突水模式

        工作面底板陷落柱發(fā)生的突水危險(xiǎn)性主要受到陷落柱周邊滲流區(qū)域、柱體四周塑性破壞區(qū)大小以及回采面的采動(dòng)破壞區(qū)域這三個(gè)因素的影響。

        對(duì)于底板陷落柱的滲流突水模式,可采用滲水井的理論進(jìn)行分析,在滲水井周圍為均質(zhì)巖體時(shí),向井內(nèi)注水會(huì)形成對(duì)稱于井軸線的倒漏斗的浸潤面。滲水井的滲流原理圖如圖4所示,圖中r0為滲水井的半徑,H為含水層的高度,h0為滲水井的井深。

        圖4 滲水井滲流原理圖

        根據(jù)滲流力學(xué)的理論,能夠得出浸潤漏斗面的公式為:

        式中:k為滲透系數(shù),m/s。當(dāng)z=H時(shí),r=R,則能夠井的滲流量為:

        確定滲流量Q之后,能夠由式(11)得出在任意高度處滲透范圍半徑r的表達(dá)式為:

        對(duì)于陷落柱柱體四周圍巖塑性破壞區(qū)的出現(xiàn)過程進(jìn)行簡化處理,運(yùn)用圓型巷道塑性破壞區(qū)的辦法進(jìn)行分析計(jì)算,則陷落柱圍巖塑性區(qū)的半徑表達(dá)式為:

        式中:R0為陷落柱圍巖塑性區(qū)的半徑,m為中主應(yīng)力系數(shù),m=2σ2/σ1+σ3,P 為原巖應(yīng)力,PW 為水壓力,r0為陷落柱的半徑,φ為內(nèi)摩擦角。

        對(duì)于采場(chǎng)底板破壞深度的確定,應(yīng)綜合考慮工作面的斜長、采深等影響因素,結(jié)合圖5所示底板巖層采動(dòng)破壞時(shí)的幾何關(guān)系,能夠得出底板破壞的表達(dá)式[6]為:

        式中:h1為采場(chǎng)底板的破壞深度;H為采深;φ0為巖體的內(nèi)摩擦角。

        圖5 底板破壞深度計(jì)算模型

        2 工程實(shí)例

        2.1 工程概況

        某礦1103西工作面埋深648~680m,煤層的平均厚度為4.86m,工作面底板100m左右為奧陶紀(jì)灰?guī)r,該巖層的富水性極度不均一,工作面底板存在一小型陷落柱,通過在工作面運(yùn)巷和風(fēng)巷的不同位置鉆孔取芯得出的涌水量數(shù)據(jù)推測(cè)該陷落柱可能與奧陶紀(jì)灰?guī)r以貫通。陷落柱的平均半徑為40m,高度為60m,工作面的下方的老底為15.6m的中砂巖,老底的下方為9.6m的粉砂巖。

        2.2 底板突水預(yù)測(cè)

        通過鉆孔抽水試驗(yàn)得出底板的滲透系數(shù)k=1.707×10-7m/s,奧陶紀(jì)灰?guī)r含水層厚H=60m,陷落柱頂部壓力水為4MPa,虛擬滲水井的高度h0=400m。

        根據(jù)滲水井理論分析該底板陷落柱滲水模型,可確定陷落柱周邊滲透區(qū)域的寬度,運(yùn)用公式(12)計(jì)算得出滲流量Q約為0.7m3/s,再由式(13)能夠計(jì)算得出滲透范圍內(nèi)的半徑為,則能夠計(jì)算得出滲透區(qū)的寬度為L2=r-R0=2.33m;由礦井地質(zhì)資料知,采深H=660m,平均采高h(yuǎn)=5m,上覆巖層的平均容重為26kN/m3,底板巖層的內(nèi)摩擦角φ0=37°,根據(jù)公式(15)能夠得出底板導(dǎo)水破壞帶的深度L3=h1=20.5m。

        運(yùn)用中突水系數(shù)法進(jìn)行突水預(yù)測(cè),突水系數(shù)法的表達(dá)式如下:

        式中:TS為突水系數(shù);M0為等效隔水層厚度,m;P為水壓,MPa。取M0=40m,并根據(jù)鉆探資料能夠得知p=5.0MPa,據(jù)此計(jì)算得出TS=0.263。

        根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》認(rèn)為具有構(gòu)造破壞的區(qū)域突水系數(shù)安全區(qū)應(yīng)小于0.06MPa/m,當(dāng)?shù)装宓耐暾暂^好時(shí)突水系數(shù)的安全區(qū)應(yīng)小于0.1MPa。1103工作面底板裂隙相對(duì)發(fā)育,故底板并不完整,其突水系數(shù)明顯高于安全值,所以該工作面在開采時(shí)很可能遇到陷落柱導(dǎo)致的突水事故,給工作面安全、高效生產(chǎn)帶來隱患。

        2.3 底板加固措施

        根據(jù)1103工作面異常區(qū)域的水源足、水壓大以及范圍小的特點(diǎn),擬采用底板隔水層、陷落柱注漿加固的治理措施,底板注漿加固時(shí)運(yùn)用高壓泵將漿液注入到含水層、巖溶發(fā)育區(qū)以及破碎帶中,使?jié){液在裂隙中膠結(jié)、凝固,從而達(dá)到改善巖層力學(xué)性質(zhì)、提高底板隔水性、降低突水事故發(fā)生概率的目的。

        具體的注漿鉆孔共布置6個(gè),在1103西下巷布置3個(gè)鉆孔,1103西上巷布置3個(gè)鉆孔,具體位置如圖6所示。注漿施工時(shí)兩個(gè)巷道各設(shè)置一個(gè)鉆機(jī)進(jìn)行平行作業(yè),累計(jì)進(jìn)尺752m,注漿時(shí)用到的空口管的直徑為108mm,深6m,止水套管直徑為89mm,深10m。

        圖6 注漿鉆孔施工位置示意圖

        注漿結(jié)束后,對(duì)鉆孔內(nèi)的涌水量進(jìn)行檢驗(yàn)得出最大涌水量為6.5m3/h,最小涌水量為0.8m3/h,且鉆孔內(nèi)局部可見水泥塊,陷落柱柱體內(nèi)部以充填密實(shí)。根據(jù)注漿后鉆孔的探測(cè)結(jié)果能夠得出1103底板富水區(qū)范圍明顯減小,水頭下降到95m左右,有效的降低了突水事故發(fā)生的概率。

        3 結(jié) 論

        1)基于薄板理論以及剪切破壞理論推導(dǎo)得出了陷落柱頂?shù)装逋凰闆r時(shí)的突水判據(jù),并運(yùn)用滲水井理論對(duì)底板陷落柱滲流突水模式進(jìn)行分析。

        2)采用突水系數(shù)法對(duì)1103工作面進(jìn)行突水預(yù)測(cè),得出該工作面底板有發(fā)生突水事故的危險(xiǎn)性。

        3)針對(duì)1103工作面的含水特性,采用注漿加固的方法對(duì)底板陷落柱進(jìn)行加固處理,注漿結(jié)束后,通過對(duì)加固區(qū)域鉆孔探測(cè)顯示底板涌水量大大減小,加固后底板能夠?yàn)樵摴ぷ髅姘踩?、高效生產(chǎn)提供保障。

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