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        程莊煤礦9305 工作面水體下安全開采可行性研究

        2022-11-05 10:17:40趙延超
        山東煤炭科技 2022年10期
        關(guān)鍵詞:導(dǎo)水煤巖裂隙

        趙延超 李 鵬 吳 濤

        (中煤地華盛水文地質(zhì)勘察有限公司,河北 邯鄲 056004)

        1 工作面概況

        程莊煤礦井田范圍內(nèi)有一條季節(jié)性河流召三河,影響了井下工作面布置及安全開采,其河流下壓覆9 號(hào)煤層煤炭資源約200 萬(wàn)t。為了能夠緩解程莊煤礦采煤壓力,本文開展了程莊煤礦9305 工作面水體下安全開采研究,主要以地表裂縫、覆巖結(jié)構(gòu)、導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度等主控因素計(jì)算分析為主[1-2],對(duì)程莊煤礦水體下9305 工作面安全開采進(jìn)行研究分析。

        陽(yáng)泉市燕龕煤炭有限責(zé)任公司程莊煤礦,原批準(zhǔn)該礦開采3 號(hào)-15 號(hào)煤層,生產(chǎn)規(guī)模180 萬(wàn)t/a,現(xiàn)開采煤層變更為9 號(hào)、15 號(hào)煤層,開采水平為+875~+785 m。9 號(hào)煤層現(xiàn)布置一個(gè)綜采工作面為9508 工作面,15 號(hào)煤層現(xiàn)布置一個(gè)綜放工作面15306 工作面,2 個(gè)綜掘工作面為15310 進(jìn)風(fēng)巷、15310 回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面,布置1 個(gè)巖巷掘進(jìn)面,為15310 高抽巷。

        召三河下布置的工作面為9305 工作面,其呈南北布置,順著召三河方向,其寬度約271.82 m,長(zhǎng)度約為1 094.55 m,煤層埋深95.60 m。

        2 水體下采煤安全性研究分析

        2.1 覆巖結(jié)構(gòu)分析

        2.1.1 覆巖破壞規(guī)律分析

        根據(jù)以往收集的資料可知,巖層的移動(dòng)變形和破壞形式,上覆巖層一般形成垮落帶、裂隙帶、彎曲帶(簡(jiǎn)稱“上三帶”),其中重點(diǎn)研究的是垮落帶和裂隙帶的變形破壞特征[3-4]。

        2.1.2 覆巖層隔水性分析

        9305工作面內(nèi)及周邊的鉆孔僅有D-262、D-257、A-12 鉆孔,其他鉆孔不在范圍內(nèi),該范圍內(nèi)并未發(fā)現(xiàn)斷層、褶曲等構(gòu)造。因此,本文利用范圍內(nèi)D-262、D-257、A-12 鉆孔對(duì)其上覆巖性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,其統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表1。

        表1 9305 工作面上覆覆巖厚度統(tǒng)計(jì)表

        從表1 可知,9305 工作面上覆覆巖泥巖、砂質(zhì)泥巖層段占基巖柱比例59.15%~62.28%具有很好的隔水性,而砂巖占基巖柱比例31.21%~40.84%。對(duì)其上覆巖性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,可以發(fā)現(xiàn)9305 工作面上覆基巖主要以隔水性較好的泥巖、砂泥巖層為主,且其厚度占基巖總厚度的比例均在59.15%以上,這表明工作面上覆覆巖具有一定的隔水性能。

        砂巖占基巖總厚度的比例也在31.21%以上,這表明9305 工作面上覆覆巖具有軟硬相間的巖性組合,具有一定的塑性變形能力,這對(duì)后期工作面安全開采是有利的。

        2.2 綜采導(dǎo)水裂隙帶理論發(fā)育高度分析

        2.2.1 導(dǎo)水裂隙帶形態(tài)及發(fā)育規(guī)律

        導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的高度與煤層開采的方式有著很大的關(guān)系,一般情況下采高越大,導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的高度也就越大。通常情況下綜采一次采全高比分層開采的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度大,而采用綜采開采時(shí)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度與采高呈線性關(guān)系,分層開采時(shí)兩者呈分式函數(shù)性關(guān)系[5-6]。

        由以上因素分析,程莊煤礦9305 工作面采用綜采一次采全高,根據(jù)井下周邊揭露的見(jiàn)煤點(diǎn)及鉆孔取芯數(shù)據(jù),可以得到煤層厚度為1.80~3.40 m,其導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度計(jì)算如下。

        2.2.2 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度計(jì)算

        本文結(jié)合9305 工作面頂板覆巖力學(xué)性質(zhì),采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度計(jì)算公式,公式如下:

        式中:Hli為導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度,m;M為煤厚,m。

        根據(jù)9 號(hào)煤層井上下對(duì)照?qǐng)D,本文選取9305工作面內(nèi)地表最小標(biāo)高為+998.08 m,根據(jù)9305 工作面的底板等高線選取最大底板標(biāo)高為+900.00 m,通過(guò)計(jì)算9305 工作面煤層最小埋深為998.08-2.48-900=95.60 m。

        通過(guò)計(jì)算可得出9305 工作面的導(dǎo)水裂隙帶最大理論發(fā)育高度為41.50 m,其埋深為95.60 m,導(dǎo)水裂隙帶最大理論發(fā)育高度小于埋深。因此, 9305 工作面開采后,從理論上分析溝通到地表可能性較小。

        2.3 地表裂縫發(fā)育深度分析

        (1)MohrCoulomb(摩爾庫(kù)倫)破壞準(zhǔn)則計(jì)算地表裂縫

        本文主要采用摩爾庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則定理來(lái)對(duì)9305工作面進(jìn)行地表裂縫深度計(jì)算[7-8],其計(jì)算公式為:

        式中:C為土體的內(nèi)聚力,kPa;φ為內(nèi)摩擦角,(°);γ為土體的飽和容重,kN/m3。

        (2)9305 工作面范圍內(nèi)地表裂縫計(jì)算

        根據(jù)礦方地質(zhì)勘察資料及鉆孔柱狀圖的巖性描述,召三河周邊及河床多為中、上更新統(tǒng)黃土層,土壤主要以黃土狀亞黏土為主。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采指南》及程莊煤礦周邊的地質(zhì)勘察報(bào)告,可以得出MohrCoulomb(摩爾庫(kù)倫)破壞準(zhǔn)則的計(jì)算參數(shù)。

        根據(jù)公式(3)計(jì)算9305 工作面內(nèi)地表裂縫,根據(jù)已有資料可知9305 工作面地表水體內(nèi)多為黃色亞黏土,按照規(guī)范參考值,其內(nèi)摩擦角選取24°,內(nèi)聚力為26 kPa,土體飽和容重為18.30 kN/m3,其計(jì)算結(jié)果如下:

        根據(jù)公式計(jì)算,9305 工作面地表裂縫預(yù)計(jì)發(fā)育深度為4.38 m。在工作面周圍拉伸區(qū)內(nèi),會(huì)出現(xiàn)永久裂縫帶,裂縫平行工作面巷道及切眼分布,9305 工作面開采后地表裂縫寬度最大可能為10~300 mm。

        2.4 防水安全煤(巖)柱分析

        2.4.1 防水安全煤巖柱高度驗(yàn)算

        本文將依據(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)范》的公式來(lái)計(jì)算防水安全煤(巖)柱的厚度,因9305 工作面周邊地表有一定的黃土覆蓋,水體不與基巖接觸,故不考慮基巖風(fēng)化帶高度。

        其防水安全煤巖柱垂高見(jiàn)公式(4):

        式中:Hsh為防水安全煤巖柱的高度,m;Hli為導(dǎo)水裂隙帶高度,m;Hb為保護(hù)層厚度(見(jiàn)表2),m。

        表2 防水安全煤(巖)柱保護(hù)層厚度

        根據(jù)地質(zhì)勘探資料可知,9305 工作面對(duì)應(yīng)地表黃土層最小厚度為4.09 m,而煤層厚度最大為2.48 m,黃土層屬于亞黏土,且煤層上覆巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖等中硬性巖層。保護(hù)層厚度應(yīng)取3倍的煤層厚度,該范圍內(nèi)煤層最大厚度為2.48 m,故保護(hù)層厚度為7.44 m。

        通過(guò)前述9305 工作面煤層開采后導(dǎo)水裂隙帶理論發(fā)育高度為41.50 m,依據(jù)公式(4)保護(hù)煤巖柱厚度為48.94 m,計(jì)算如下:

        Hsh≥Hli+Hb=41.50+7.44=48.94 m。

        2.4.2 防水安全煤巖柱影響分析

        9305 工作面最大的防水安全煤巖柱垂高為48.94 m,地表裂縫深度為4.38 m,其范圍內(nèi)9305工作面開采最小埋深為95.60 m,減去地表裂縫深度91.22 m,大于所需防水安全煤巖柱48.94 m,故9305 工作面煤巖柱尺寸是足夠的。

        9305 工作面上覆基巖主要以隔水性較好的泥巖、砂泥巖層為主,厚度占基巖總厚度的比例均在59.15%以上,召三河范圍內(nèi)9 號(hào)煤層工作面上覆覆巖具有一定的隔水性能,可阻止地表水體下滲。

        3 結(jié)論

        (1)本研究通過(guò)對(duì)鉆孔統(tǒng)計(jì)分析,9305 工作面頂板覆巖巖性泥巖、砂質(zhì)泥巖二者綜合占基巖柱比例59.15%~62.28%,主要以隔水性較好的泥巖、砂質(zhì)泥巖層段為主,該巖性組合具有一定塑性及隔水性,對(duì)9305 工作面的安全開采是有利的。

        (2)本研究得出9305 工作面的最小埋深為95.60 m,導(dǎo)水裂隙帶理論發(fā)育高度為41.50 m,而其地表裂縫發(fā)育預(yù)測(cè)高度為4.38 m,研究表明9305工作面開采后理論上不會(huì)導(dǎo)通地表水體。

        (3)本研究通過(guò)對(duì)防水安全煤巖柱的計(jì)算與分析,水體下9305 工作面頂板基巖柱高度均大于防水安全煤巖柱高度,符合各水體采動(dòng)等級(jí)要求留設(shè)的相應(yīng)類型安全煤(巖)柱尺寸,在理論上分析9305 工作面安全開采具有可行性。

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