姚澤峰

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司，山西 方山 033102）

1 工程概況

山西焦煤霍州煤電集團(tuán)10-103 工作面井下位于一采區(qū)，工作面東部和北部均為實(shí)體煤，南部為采區(qū)大巷，西部為10-105 工作面采空區(qū)。工作面開采10#煤層，煤層平均厚度為2.75 m，平均傾角為7°。工作面區(qū)域直接頂巖層為泥巖，均厚1.1 m；基本頂巖層為細(xì)粒砂巖，均厚5.3 m；直接底巖層為泥巖，均厚3.2 m；老底巖層為粉砂巖，均厚2.3 m。根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，10#煤層上部主要含水層為石炭系上統(tǒng)太原組砂巖、灰?guī)r含水層及二疊系砂巖含水層，其中影響工作面安全回采的含水層主要為太原組砂巖、灰?guī)r含水層。根據(jù)工作面周邊南5、ZK3 鉆孔綜合分析，工作面范圍內(nèi)太原組中普遍含有L1+K2、L4、L5 三層石灰?guī)r及3 層中細(xì)粒砂巖，含水層賦水不均勻，局部存在富水區(qū)。根據(jù)工作面回采巷道掘進(jìn)期間揭露的X11 巖溶陷落柱，該陷落柱長(zhǎng)軸為18 m，短軸為10 m，陷落柱內(nèi)充填物主要為黃土和矸石。為有效防止工作面回采期間陷落柱區(qū)域出現(xiàn)突水現(xiàn)象，特進(jìn)行巖溶陷落柱突水機(jī)理及突水危險(xiǎn)性的評(píng)價(jià)分析。

2 巖溶陷落柱突水機(jī)理

2.1 突水模式分析

根據(jù)眾多相關(guān)巖溶陷落柱形成過(guò)程的研究可知，陷落柱內(nèi)部巖石的性質(zhì)與原巖地層之間存在著明顯的不同。巖溶陷落柱區(qū)域主要受到三種作用力，分別為巖溶陷落柱本身及其覆巖的自重應(yīng)力、原巖塌陷在柱壁的集中應(yīng)力、高壓地下水壓力。在巖溶陷落柱形成后，自重應(yīng)力與集中應(yīng)力基本不會(huì)發(fā)生變化，而地下水壓力為一個(gè)變量，其是導(dǎo)致巖溶陷落柱突水的主要應(yīng)力。另一方面，開采擾動(dòng)也是誘發(fā)巖溶陷落柱突水的應(yīng)力。開采擾動(dòng)對(duì)巖溶陷落柱的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，分別為開采擾動(dòng)使得煤巖體發(fā)生松動(dòng)，以致產(chǎn)生裂隙；另一種為開采擾動(dòng)導(dǎo)致地下水的導(dǎo)升，使得地下水沿著裂隙逐漸擴(kuò)展至一定的高度和寬度[1-2]。

綜合上述分析可知，按照位置關(guān)系可以將采掘工作面與巖溶陷落柱的位置關(guān)系劃分為三類，分別為采掘工作面在巖溶陷落柱的頂部、在巖溶陷落柱導(dǎo)水段側(cè)面、在巖溶陷落柱非導(dǎo)水段。誘發(fā)巖溶陷落柱突水的地質(zhì)應(yīng)力主要為地下水壓力，人為應(yīng)力主要為開采擾動(dòng)，據(jù)此可知巖溶陷落柱的主要突水形式為：滲透失穩(wěn)突水和開采失穩(wěn)突水[3]。根據(jù)相關(guān)組合巖梁模型建立隔水煤巖層力學(xué)模型如圖1。

圖1 組合巖梁模型對(duì)應(yīng)巖溶陷落柱示意圖

2.2 突水模式的判據(jù)（巖梁模型）

在分析工作面回采期間是否會(huì)出現(xiàn)突水危險(xiǎn)性時(shí)，基于巖層均以層狀進(jìn)行賦存，采用組合梁理論[4]，建立組合梁力學(xué)模型如圖2。

圖2 組合梁簡(jiǎn)化模型示意圖

圖中：L為巖梁的長(zhǎng)度，m；F為水平應(yīng)力，kN；P為垂向應(yīng)力，kN；s為弧線長(zhǎng)，m；z為最大撓度，m。

根據(jù)彈性力學(xué)中的相關(guān)知識(shí)可知，巖梁撓度表達(dá)式[5]為：

式中：f（s）為梁橫界面上任意點(diǎn)的撓度，m；其余符號(hào)含義同上。進(jìn)一步通過(guò)推導(dǎo)分析能夠得出組合隔水層的應(yīng)變能力為：

式中：U為組合隔水層的應(yīng)變能力；k為巖梁變形后的曲率，m-1；I1為橫截面慣性矩，N·m；I2為硬巖層橫截面慣性矩，N·m；E1為彈性模量，MPa；E2為硬巖層的彈性模型，MPa；其余符號(hào)含義同上。進(jìn)一步結(jié)合突變理論能夠推導(dǎo)得出由水平力F和垂直力P構(gòu)成的F-P控制空間，通過(guò)對(duì)巖梁系統(tǒng)不同平衡狀態(tài)下模型失穩(wěn)條件的推導(dǎo)能夠得出，模型失穩(wěn)的充分必要條件為：

式中各項(xiàng)符號(hào)的含義同上。

3 突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

3.1 模糊評(píng)判法

根據(jù)10-103 工作面內(nèi)X13 陷落柱的發(fā)育特征，結(jié)合陷落柱突水機(jī)理的分析結(jié)果，選取具有可行性和代表性的指標(biāo)，主要選取五大影響因素，分別為陷落柱所在地段巖溶地下水徑流條件、巖溶陷落柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)和其導(dǎo)水性、關(guān)鍵隔水層、采掘工程的擾動(dòng)、巖溶陷落柱周邊地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況。具體選取的影響陷落柱突水因素見(jiàn)表1。

表1 影響巖溶陷落柱突水因素

本次陷落柱區(qū)域突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)采用模糊綜合評(píng)價(jià)法，多層次綜合評(píng)判的數(shù)學(xué)模型建立步驟如下[6]：

（1）因素集F={F1,F2,...Fn}按照某些屬性劃分成m個(gè)子集，即：fi={fi1,fi2,...fin}，其中i=1,2,3…m。

（2）針對(duì)每一個(gè)因素集Fi分別作出綜合評(píng)判，設(shè)C={c1,c2...cs}為評(píng)判集，其中Fi中各因素對(duì)應(yīng)的V權(quán)重分配為Ai={ai1,ai2...ain}，其中ai1+ai2+ai3+….+ain=1，當(dāng)Ri為單因素評(píng)判矩陣時(shí)，能夠得出一級(jí)評(píng)判向量Bi=Ai·Bi=(bi1,bi2...bis)，其中i=1,2,3…m。

（3） 將每個(gè)Fi視為一個(gè)因素， 計(jì)μ={F1,F2,...Fm}，其中μ為一個(gè)因素集，μ的單因素評(píng)判矩陣R為：

式中：R為單因素評(píng)判矩陣；Bi為一級(jí)評(píng)判向量；Fi為一個(gè)影響因素；bi為二級(jí)評(píng)判向量。

模糊理論應(yīng)用時(shí)，首先需建立模糊集隸屬函數(shù)，針對(duì)突水影響因素中的I～I(xiàn)V 等級(jí)，分別賦予數(shù)值1～4 的邊界值，其隸屬函數(shù)分別為：

3.2 評(píng)價(jià)過(guò)程及結(jié)果

根據(jù)上述確定的影響陷落柱突水的主要因素，結(jié)合X11 陷落柱的具體特征，具體各項(xiàng)陷落柱影響因素如下：

（1）陷落柱所處區(qū)域水文地質(zhì)條件。X11 陷落柱區(qū)域巖層主要以粉砂巖和灰?guī)r為主，且陷落柱下部礫狀灰?guī)r的厚度為218.4～229.74 m，該巖層中部的富水性較強(qiáng)，另一方面奧灰單位涌水量為0.004 27～26.75 L/s·m 之間，巖層滲透系數(shù)為0.05～304 m/d，陷落柱所處區(qū)域地面為強(qiáng)徑流帶，奧灰頂部水壓平均為6 MPa。

（2）陷落柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)及周邊構(gòu)造?；诠ぷ髅娴牡刭|(zhì)條件可知，X11 陷落柱內(nèi)多為松散巖體，陷落柱內(nèi)充填的巖石基本與原始巖層一致，工作面共計(jì)發(fā)育4 條斷層，斷層落差為0.4～1.8 m。

（3）關(guān)鍵隔水層特征。奧灰含水層與工作面的隔水巖層主要為灰?guī)r、粉砂巖和泥巖，奧灰含水層與工作面煤層底板的平均間距為45.77 m。

（4）采掘工作面特征。10-103 工作面走向長(zhǎng)度為1100 m，傾向長(zhǎng)度為175 m，開采10#煤層平均厚度為2.75 m，平均傾角為7°，工作面區(qū)域頂板巖層為泥巖和細(xì)粒砂巖，底板巖層為粉砂巖，工作面下巷距離陷落柱邊緣為5 m。

通過(guò)層次分析法進(jìn)行陷落柱突水危險(xiǎn)性評(píng)級(jí)分析時(shí)，確定影響因素的指標(biāo)權(quán)重?cái)?shù)值見(jiàn)表2。

表2 陷落柱突水危險(xiǎn)性影響因素權(quán)重表

基于上述文中提出的確定隸屬函數(shù)的方法，通過(guò)計(jì)算能夠得出一級(jí)模糊評(píng)判的表達(dá)式如公式（6）：

基于一級(jí)模糊評(píng)判的表達(dá)式，進(jìn)一步分析得出二級(jí)模糊關(guān)系矩陣R為公式（7）：

得出二級(jí)模糊評(píng)判如下：

根據(jù)最大隸屬度原則，確定B=0.399。據(jù)此可知，10-103 工作面內(nèi)X11 陷落柱內(nèi)存在極大的突水危險(xiǎn)性。

4 結(jié)論

根據(jù)10-103 工作面及X11 陷落柱的具體條件，通過(guò)分析巖溶陷落柱突水模式和突水判據(jù)，通過(guò)模糊評(píng)判法建立評(píng)判模型，采用層次分析法確定X11陷落柱具有極大的突水危險(xiǎn)性。評(píng)價(jià)結(jié)果為工作面的安全生產(chǎn)提供指導(dǎo)，工作面過(guò)陷落柱時(shí)需要采取有效的疏水、降水或堵水措施，確保陷落柱無(wú)突水危險(xiǎn)性后方可繼續(xù)回采。