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        厚松散層薄基巖工作面導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計(jì)方法

        2021-12-14 06:50:00丁希陽劉尊欣田曉偉
        山東煤炭科技 2021年11期
        關(guān)鍵詞:松散層采動覆巖

        丁希陽 劉尊欣 田曉偉

        (汶上義橋煤礦有限責(zé)任公司,山東 濟(jì)寧 272100)

        1 工程概況

        義橋煤礦6304 工作面寬度在切眼側(cè)為125 m,在停采線側(cè)為160 m,走向長度為510 m,松散層厚度平均為224 m,基巖厚度最小為35.45 m,最大為85.15 m。主采3 煤層,煤層厚度為3.10~3.95 m,平均3.4 m,煤層傾角為6°~18°,平均12°。工作面開采區(qū)域水體類型為第四系下砂、礫層空隙含水層和3 煤頂板砂巖裂隙含水層。厚松散層薄基巖條件下工作面開采覆巖裂隙帶高度準(zhǔn)確預(yù)計(jì)是保證6304 工作面安全開采的前提。

        2 厚松散層巖層控制的松散層拱理論

        當(dāng)煤層上覆松散層厚度滿足一定條件時,松散層中能夠形成具有穩(wěn)定承載能力的松散層拱結(jié)構(gòu),如圖1。文獻(xiàn)[1-3]建立了松散層拱結(jié)構(gòu)力學(xué)模型,得到了松散層拱高度與寬度的比值及厚度的解析式,確定了形成松散層拱時的松散層臨界厚度,如式(1)所示,式中參數(shù)如圖1 所示。

        圖1 松散層拱示意圖[1-3]

        3 厚松散層薄基巖工作面覆巖裂隙發(fā)育

        3.1 試驗(yàn)?zāi)P驮O(shè)計(jì)

        試驗(yàn)選用250 cm×30 cm×400 cm(長×寬×高)的平面應(yīng)力實(shí)驗(yàn)臺,模型幾何、容重、應(yīng)力和強(qiáng)度相似比分別為100:1、1.67:1、167:1、167:1。松散層的相似材料為河砂和鋸末,河砂和鋸末的質(zhì)量比為10:1;基巖的相似材料為河砂、石膏、碳酸鈣。試驗(yàn)?zāi)P腿鐖D2,力學(xué)參數(shù)見表1。

        圖2 物理模型

        表1 相似物理模型巖層參數(shù)

        3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        圖3 為厚松散層薄基巖工作面開采過程中覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律。亞關(guān)鍵層初次破斷前,采動覆巖裂隙帶發(fā)育高度止于亞關(guān)鍵層底界面,高度為14 m,如圖3(a);亞關(guān)鍵層初次破斷且主關(guān)鍵層初次破斷前,采動覆巖裂隙帶發(fā)育高度止于主關(guān)鍵層底界面,高度為30 m,如圖3(b);主關(guān)鍵層初次破斷且第一次松散層拱承載時,采動覆巖裂隙帶發(fā)育高度止于第一次松散層拱底界面,高度為56 m,如圖3(c);第一次松散層拱失穩(wěn)破壞且第二次松散層拱承載時,采動覆巖裂隙帶發(fā)育高度止于第二次松散層拱底界面,高度為71 m,如圖3(d)。工作面回采過程中,采動覆巖裂隙帶發(fā)育高度與工作面開采寬度間的變化規(guī)律如圖4,采動覆巖裂隙發(fā)育高度隨著關(guān)鍵層和松散層拱結(jié)構(gòu)的周期性變化而呈現(xiàn)跳躍式增加。

        圖3 工作面覆巖裂隙發(fā)育

        圖4 工作面覆巖裂隙帶高度

        4 厚松散層薄基巖工作面覆巖裂隙帶高度預(yù)測

        目前,通常采用規(guī)程規(guī)范、實(shí)驗(yàn)?zāi)M和工程探測、數(shù)值分析等[4-6]預(yù)計(jì)裂隙帶高度。許家林提出了通過關(guān)鍵層位置預(yù)測裂隙帶的高度的新方法[7]。在厚松散層下采動覆巖裂隙帶發(fā)育高度預(yù)計(jì)方法的具體流程為:(1)確定待開采工作面開采參數(shù)和工作面區(qū)域巖層柱狀信息;(2)將相關(guān)參數(shù)帶入式(1)中,判別松散層拱結(jié)構(gòu)是否形成;(3)當(dāng)不能形成松散層拱時,關(guān)鍵層判別按照傳統(tǒng)方法進(jìn)行,當(dāng)松散層中能夠形成松散層拱時,根據(jù)文獻(xiàn)[8]計(jì)算松散層載荷折減系數(shù);(4)確定采場上覆巖層中最上一層硬巖的載荷;(5)進(jìn)行關(guān)鍵層判別,確定覆巖關(guān)鍵層位置及關(guān)鍵層和煤層間距;(6)當(dāng)主關(guān)鍵層距開采煤層的距離小于7~10 倍采高時,裂隙帶高度大于或等于基巖厚度;當(dāng)主關(guān)鍵層與煤層距離大于7~10 倍采高時,裂隙帶高度等于7~10倍采高上方最近關(guān)鍵層與開采煤層間距離。

        5 工程應(yīng)用

        工作面汶8-1、補(bǔ)5 鉆孔柱狀如圖5。根據(jù)式(1)計(jì)算獲得松散層拱結(jié)構(gòu)形成時的臨界松散層厚度為97.6 m,而汶8-1 鉆孔松散層厚度為251.1 m,松散層中能夠形成松散層拱。根據(jù)松散層拱結(jié)構(gòu)特征參數(shù)和6304 工作面開采參數(shù)得到6304 工作面上覆松散層載荷折減系數(shù)為K=0.55,據(jù)此得到汶8-1 鉆孔關(guān)鍵層判別結(jié)果如圖5(a)。汶8-1 鉆孔中含有2層關(guān)鍵層,分別是厚度為15.21 m 的亞關(guān)鍵層和厚度為10.0 m 的主關(guān)鍵層,其中亞關(guān)鍵層與開采煤層間的距離為12.91 m,主關(guān)鍵層與開采煤層間的距離為33.82 m。根據(jù)汶8-1 鉆孔揭露的開采煤層厚度,當(dāng)煤層厚度為3.02 m 時,按照10 倍采高計(jì)算得到臨界高度為30.2 m。顯然,主關(guān)鍵層與煤層間的距離大于按10 倍采高計(jì)算的臨界高度,因此得到裂隙帶最大高度為33.82 m。按照類似的方法得到補(bǔ)5 鉆孔關(guān)鍵層判別結(jié)果如圖5(b),煤層厚3.80 m,主關(guān)鍵層與煤層距離33.84 m 小于10 倍采高的38.0 m。因此,裂隙帶高度等于基巖的厚度為40.05 m。因此,6304 工作面的裂隙帶高度為33.82~40.05 m。

        圖5 鉆孔柱狀

        根據(jù)義橋煤礦在6304 工作面開展的兩帶高度觀測結(jié)果,6304 工作面裂隙帶高度為35.6~42.3 m,預(yù)計(jì)結(jié)果與現(xiàn)場探測值基本一致。事實(shí)上,義橋煤礦6304 工作面回采期間累計(jì)開采煤炭35 萬t,工作面頂板涌水量正常,實(shí)現(xiàn)了安全采煤,表明裂隙帶高度預(yù)計(jì)結(jié)果滿足要求。

        6 結(jié)論

        采動覆巖裂隙發(fā)育高度隨著關(guān)鍵層和松散層拱結(jié)構(gòu)的周期性變化而呈現(xiàn)跳躍式增加。關(guān)鍵層初次破斷之前,覆巖裂隙帶高度發(fā)育至未破斷關(guān)鍵層的底界面;松散層拱失穩(wěn)破壞前,覆巖裂隙帶高度發(fā)育至未失穩(wěn)破壞松散層拱底界面。在松散層拱結(jié)構(gòu)的影響下,6304 厚松散層薄基巖工作面的裂隙帶高度為33.82~40.05 m,預(yù)計(jì)結(jié)果和現(xiàn)場探測結(jié)果基本一致。6304 厚松散層薄基巖工作面于2020 年1 月回采結(jié)束,共計(jì)開采煤炭資源35 萬t,實(shí)現(xiàn)了含水層下安全采煤。

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