近松散含水层下浅部煤层开采安全煤柱合理留设研究.pdf

第 卷第 期宿州学院学报.年 月 .:./.近松散含水层下浅部煤层开采安全煤柱合理留设研究胡洋桂和荣李业.宿州学院资源与土木工程学院安徽宿州.淮北矿业股份有限公司祁南煤矿安徽宿州摘要:基于祁南煤矿 工作面的水文地质及开采条件和“四含”抽水试验成果判定研究区“四含”水体采动等级为类水体应留设防砂煤(岩)柱开采 采用建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程推荐公式、实测类比分析、数值模拟的综合研究方法分析得出工作面回采过程中的垮落带高度分别为:.、.和 在判断覆岩坚硬程度为中硬型的基础上计算出工作面安全回采的临界防砂煤(岩)柱尺寸为.小于 工作面内钻孔实揭的最小煤(岩)柱尺寸因此工作面回采较为安全 研究成果可为解决相似地质与开采条件下工作面的安全煤柱留设问题提供参考关键词:防砂煤柱垮落带数值模拟抽水试验中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:基金项目:宿州学院博士启动资金项目()宿州学院博士后启动资金项目()宿州学院重点项目()作者简介:胡洋()安徽淮北人博士讲师研究方向:矿井突水机理与防控 淮北煤田位于华北聚煤区南缘水害类型复杂是全国大水矿区之一水害事故频发松散层底部通常存在的弱至中等富水性含水层是其典型的突水溃砂含水层 对于松散层下煤炭资源的开采安全煤(岩)柱合理尺寸的确定直接关系到工作面的安全开采若煤(岩)柱尺寸过大则会滞压大量煤炭资源造成煤炭资源的严重浪费若煤(岩)柱尺寸过小则会给工作面的开采带来巨大的安全隐患 因此正确认识与分析松散含水层下开采覆岩的破坏特征以此为基础进一步探究所留设安全煤(岩)柱类型与尺寸对矿井的安全高效开采意义重大针对采动过程中防水(砂)煤(岩)柱的稳定性机理问题国内外众多学者从采动影响下隔水层破坏模式、水砂突涌机理等方面进行深入的研究并取得了大量卓有成效的研究成果 隋旺华等采用模型试验的方法对松散含水层下开采过程中含水土层及隔水层的孔隙水压变化规律进行了监测与分析得到了不同土层的物理力学性质、裂缝的尺寸对水砂突涌临界坡度的影响规律 王晓振等在将含水层水位降速作为临界预警指标的基础上通过理论分析得到了水位降速临界预警值的理论解 方新秋等对薄基岩厚表土层下开采时覆岩的运动规律进行了系统分析将具有不同承载能力的表土层与基岩按照高度进行了安全性组合排列许延春等通过对各关键岩梁咬合点处的力学分析提出了用基岩顶部最大拉伸水平变形值 与溃砂有效粒径 的比值代替“裂粒比”来评价溃砂发生危险程度的方法并提出了相似地质条件下安全保护煤(岩)柱的留设公式 刘亚群等运用 模拟软件建立了浅埋薄基岩煤层开采的突水溃砂数值模型研究了松散含水层的初始水压、裂隙隙宽等因素对松散层渗透破坏、突水涌砂的影响规律 张蓓等提出预测突水溃砂流量的数值计算模型并制定了相应的防治措施 以上研究成果丰富与完善了安全煤(岩)柱的留设机理为所选安全煤(岩)柱的可靠性分析提供了理论支撑但研究内容多是在既定的安全煤(岩)柱类型基础上开展的而对特定地质及开采条件下的安全煤(岩)柱类型选择方面研究较少基于此以祁南煤矿 工作面的实际开采条件为背景结合煤矿“三下”开采规范中相关准则与推荐公式采用理论分析、数值模拟、实测类比分析的综合研究方法对工作面回采过程中的覆岩破坏特征、留设安全煤(岩)柱类型与尺寸进行深入分析以期为承压含水层下工作面的安全开采提供依据 工作面概况祁南煤矿 采区共设计三个区段沿煤层倾向布置俯斜条带开采 工作面上部以 防砂煤(岩)柱为界下部以大巷保护煤柱为界左侧与 采空区相邻右侧为 设计工作面采区内工作面平面位置如图 所示 工作面煤层平均倾角为倾向长 走向宽为 工作面内开采 煤层煤厚平均值为.煤层平均倾角工作面顶底板岩性特征如表 所示图 采区工作面布置平面图 根据相邻 采区水文观测钻孔水位资料分析可知:随着矿井开拓采掘活动范围的增加煤系水位下降四含水位随之下降说明四含水是煤系水的主要补给水源研究区范围内“四含”厚度介于.、其底板标高.矿井按照初步设计留设的 防砂安全煤(岩)柱线是否安全其在采动应力与承压水共同作用下是否会发生破坏、失稳是亟须解决的问题表 工作面煤层顶底板岩性特征煤层类别岩 性平均厚度/岩性特征老顶粉砂岩.浅灰色块状致密水平层理直接顶泥 岩.深灰色致密块状含大量植化碎片直接底泥 岩.深灰色裂隙发育含长条状植化碎片老底细砂岩.灰白色细砂岩局部含粉砂质块状致密坚硬 四含及风化带水文工程地质特征二叠系含煤地层均被新生界松散层覆盖新生界松散层由第四系和新近系组成其厚度整体由北向南自西向东逐渐增大 按其岩性组合特征及其与区域水文地质剖面对比自上而下可划分四个含水层(组)和三个隔水层(组)其中第三隔水层(组)主要岩性为灰绿色、棕黄色粘土和砂质粘土夹薄层或透镜状砂 层上部岩性质纯局部半固结状中下部粘土层可塑性好膨胀性强钙质含量较高 三隔厚度大分布稳定为矿内良好的隔水层(组)由于三隔的存在三隔以上各含水层与其下的四含及基岩中的地下水失去水力联系.四含富水性评价按照钻孔单位涌水量含水层富水性分为 级:弱富水性:./()中等富水性:./()./()强富水性:./()./()为进一步对研究区内“四含”的富水性进行评价对 工作面内各钻孔抽水试验所得“四含”的单位涌水量 值进行统计相应成果如表 所示 由表 可知:各钻孔对应单位涌水量 皆小于./()因此 工作面上部“四含”富水性较弱故研究区“四含”为弱富水性含水层表 各钻孔抽水试验单位涌水量及富水性统计孔号单位涌水量/()富水性水.弱富水性水.弱富水性水.弱富水性水.弱富水性观.弱富水性.基岩风化带透水性通过钻探过程中给水量与回水量的差值可以计算出冲洗液的漏失量而通过漏失量的大小可以反映出岩体的透水性基于此依托钻探资料分析了 工作面切眼处、工作面中部、设计收作线位置对应水、水、水 三个钻孔在基岩风化带内钻进过程中的冲洗液漏失量及水位变化 孔对应基岩风化带冲洗液消耗段内消耗量为 ./水位基本无变化 孔对应基岩风化带冲洗液消耗段内消耗量为 ./水位基本无变化 孔对应基岩风化带冲洗液消耗段内消耗量为 ./水位基本无变化根据水位与钻孔冲洗液漏失量的大小可以认为基岩风化带透水性较差 由于研究区范围内的风氧化带透水性较差即阻隔水能力相对较强因此风氧化带在开采过程中可视为隔水层其对工作面的安全开采较为有利.四含水体采动等级划分以研究区“四含”富水性特征、基岩风化带水文地质特征为依据结合“三下”开采规范中的矿区水体采动等级及允许采动程度划分表对采区水体采动等级进行划分 由于研究区范围内“四含”为弱富水性含水层且疏降试验结果表明试验后可形成有效的降深同时水位较为缓慢因此该处“四含”具有一定的可疏降性 综上分析研究区范围内四含满足“有疏降条件的松散层和基岩弱含水层水体”条款故其水体采动等级为类水体允许采动程度为允许导水裂隙带波及松散孔隙弱含水层水体、但不允许垮落带波及该水体要求留设的安全煤(岩)柱类型为防砂安全煤(岩)柱 覆岩破坏特征及垮落带高度计算.覆岩坚硬程度覆岩的单轴抗压强度是判断其坚硬程度的重要指标根据岩石单轴抗压强度 值可以确定岩石的硬度 依据工程岩体分级标准把岩石按力学类型分为五大类(表)在统计 工作面内的钻孔岩芯物理力学测试结果的基础上可知:研究区内除风化带外的覆岩中坚硬质岩石厚度占 中硬质岩石厚度占 软质岩石厚度占 故总体上 工作面覆岩属中硬型覆岩类型 表 岩石单轴抗压强度 对应岩石硬度表 坚硬程度坚硬岩中硬岩较软岩软岩极软岩 .经验公式计算垮落带高度由于 工作面内平均采厚为.而“三下”开采规范中的分层综采两带发育高度推荐公式的适用条件为单层采厚介于 为进一步确保安全可采用煤矿防治水手册中综放开采的垮落带高度推荐公式进行计算结合覆岩坚硬程度为中硬型故垮落带计算公式如公式()所示.()其中 为垮落高度 为煤层有效采厚按照工作面内平均采厚.进行计算实际操作时为进一步确保安全将 .按照.进行计算 将上述数据代入式()利用经验公式求得 工作面垮落带高度 .即利用经验公式所得 工作面垮采比为.实测类比法分析垮落带高度 工作面为 采区首采工作面目前已收作在工作面回采期间采用网络并行电法技术对回采过程中覆岩的“两带”高度进行了实测分析 钻孔观测地质剖面如图 所示以煤层顶板孔口位置为坐标 点垂直巷道指向顶板上方为 轴正向沿钻孔测线在煤层顶板投影指向切眼方向为 横正向 由于岩层电阻率越大电极供电电流越小在采动应力影响下当岩层受采动影响后岩层裂隙发育导致孔内电极所测电流值会逐渐变小因此可通过观察电极电流在采动图 钻孔观测系统及地质剖面图前后的比值变化情况反演出电极点附近的裂隙发育情况 采动过程中电极电流比值与回采距离动态变化关系如图 所示图 电极电流与回采距离动态变化图由图 可知当工作面推进至距钻孔孔口 左右时在超前采动应力的影响下垂高 左右位置处电极电流比值降低整体位于顶板粉砂岩与泥岩层位随着回采工作面的推进由于裂隙发育范围的不断增大导致电极电流比值降低的范围逐渐增大电流比值逐渐降到.左右 当工作面推进至钻孔孔口.范围时整个电极系统电流比值几乎都显著降低并出现明显的分层现象部分区域降至.左右 该时刻煤层顶板垂高 以上电流比值整体与前期电流比值无明显变化保持相对完整的岩层特征该区域即为弯曲下沉带所在位置 煤层顶板垂高 部分电极电流比值降低的范围随工作面逐渐推进电流比值缓慢下降比值范围为.该区域即为导水裂隙带发育的范围而煤层顶板垂高 以下部分在采空区上方表现为很低的电流比值范围且与之前的电流比值无较大变化、表现出整体较小的现象该区域即为垮落带的范围因此 工作面的冒落带高度为 由于本次测线观测区域内平均采高为.因此 工作面垮采比为.类比 工作面垮采比值可得利用实测类比法所得 工作面的垮落带高度 .垮落带高度数值计算.数值模型建立以 工作面综合柱状图为依据运用 数值模拟软件构建数值计算模型 为提高计算效率同时考虑到规则三维数值模型具有对称性结构特点可运用平面二维数值计算模型代替三维数值计算模型进行模拟分析对应模型的尺寸为:长 高 网格划分后的模型共包含 个网格、个节点所构建的数值模型如图 模型左右两端为水平位移约束模型底部为固定位移边界底部的水平位移、水平速度、垂直位移、垂直速度皆为 模型顶部为自由边界模型中未体现的岩土层以等效荷载的形式施加于模型上边界等效荷载 .模型左右两侧各留设 边界影响区域并采用分步开挖方式模拟煤层开采过程一次开挖步距为 图 数值计算模型 在实验室所得岩(土)层物理力学参数的基础上以 工作面开采的工程地质模型为基础建立数值模型当反演调参所得两带发育高度与实测两带高度值相同时记录下调整后的物理力学参数并应用于 工作面的数值计算分析对应物理力学参数如表 所示表 物理力学参数表岩性密度/体积模量/剪切模量/抗拉强度/内聚力/内摩擦角/煤.垮落带高度岩石抗压不抗拉若采空区覆岩三个方向的主应力皆为拉应力则岩石会拉伸而发生破坏并随着顶板垮落形成垮落带若三个主应力中只有一个主应力为拉应力则与之垂直的方向将产生明显的裂隙而形成裂隙带 根据该原则制定采动顶板“上三带”数值界定准则其中裂隙带分布形态与高度主要取决于最小主应力采空区顶板最小主应力中拉应力区域的高度即为裂隙带的高度 由于顶板最小主应力中拉应力的范围大于最大主应力中拉应力的范围因此可根据最大主应力(垂直应力)分布形状与高度近似判断垮落带的高度 当工作面推进、时垂直应力云图如图 所示图 种推进步距下垂直应力云图 如图 所示随着工作面的不推进顶板覆岩一定区域范围内垂直应力表现为正值(拉应力区域)当工作面推进距离为 、和 时拉应力垂直高度分别为 、和 即随着工作面的不断增大垮落带高度也出不断增大当工作面完全推进后顶板垂直应力分布云图如图 所示图 工作面完全推进后垂直应力云图由图 可知当工作面回采结束后采空区上部的冒落带发育高度大于采空区下方在采空区中上方处顶板拉应力区域最大最大垮落带高度值为 因此利用数值模拟研究手段所得 工作面的垮采比为.工作面防砂煤(岩)柱尺寸计算建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范中关于安全煤(岩)柱保护层厚度的选取标准如表 所示 由于研究区“四含”厚度介于.覆岩的坚硬程度为中硬型故 工作面防砂煤(岩)柱的保护层厚度按照 计算表 防砂安全煤(岩)柱保护层厚度覆岩岩性松散层底部粘土层或弱含水层厚度大于累计采厚/松散含水层全厚大于累计采厚/坚硬中硬软弱极软弱 由 工作面内钻孔实际揭露煤层厚度为.按照最大采高为.保护层厚度为采厚的 倍计算 综上可得出类比 工作面两带发育高度实测值所得工作面防砂煤(岩)柱尺寸应为:.由按照“三下”规程中计算公式所得垮落带高度为.由此可得工作面防砂煤(岩)柱尺寸应为:.按照数值模拟计算所得结果计算工作面防砂煤(岩)柱尺寸为:.从以上计算结果可以看出按照“三下”规范留设的防砂安全煤(岩)柱高度最大实测类比法留设的防砂安全煤(岩)柱高度与数值模拟留设的结果最为接近 因此 工作面开采防砂安全煤(岩)柱高度取值为.研究区范围内“四含”底板标高为:.其中工作面切眼附近的 孔基岩面最低标高为.按照设计开采上限为 可得实际煤(岩)柱高度为.比计算留设的防砂安全煤(岩)柱的尺寸.高.所留设防砂安全煤(岩)柱示意图如图 所示 由图 可知正常情况下 工作面的开采是安全的图 工作面防砂安全煤(岩)柱示意图 结 语()在分析研究区范围内“四含”、风化带水文地质特征的基础上得出研究区“四含”水体采动等级为类水体留设的安全煤(岩)柱类型为防砂安全煤(岩)柱()采用经验公式计算、实测类比分析、数值模拟的研究手段所得 工作面开采过程中垮落带高度分别为.、.和 在判断覆岩坚硬程度为中硬岩的基础上计算得出了防砂煤(岩)柱尺寸为.()结合钻孔揭露“四含”的最低点标高与设计开采上限反算出 工作面实际最小煤(岩)柱的尺寸为.大于计算所得防砂煤(岩)柱尺寸因此 工作面的回采是安全的参考文献:王晓振许家林朱卫兵等.松散承压含水层水位变化与顶板来压的联动效应及其应用研究.岩石力学与工程学报():.焦阳白海波张勃阳等.煤层开采对第四系松散含水层影响的研究.采矿与安全工程学报():.李利平李术才李树忱等.松散承压含水层下采煤的流固耦合模型试验与数值分析研究.岩土工程学报():.许家林蔡东傅昆岚.邻近松散承压含水层开采工作面压架机理与防治.煤炭学报():.温亮姚多喜鲁海峰.近松散含水层下煤层安全开采留设防砂煤柱可行性研究.中国煤炭地质():.张连杰武雄谢永等.含水量及上覆压力对重塑膨胀土抗剪强度的影响分析.中国地质灾害与防治学报():.:.():.():.():.隋旺华董青红.近松散层开采孔隙水压力变化及其对水砂突涌的前兆意义.岩石力学与工程学报():.王晓振许家林朱卫兵等.覆岩结构对松散承压含水层下采煤压架突水的影响研究.采矿与安全工程学报():.方新秋黄汉富金桃等.厚表土薄基岩煤层综放开采矿压显现规律.采矿与安全工程学报():.许延春王伯生尤舜武.近松散含水层溃砂机理及判据研究.西安科技大学学报():.刘亚群周宏伟李翼虎等.浅埋煤层开采突水溃砂的颗粒流模拟研究.西安科技大学学报():.张蓓张桂民张凯等.钻孔导致突水溃沙事故机理及防治对策研究.采矿与安全工程学报():.国家煤矿安全监察局.煤矿防治水细则.北京:煤炭工业出版社:.中华人民共和国水利部.工程岩体分级标准.北京:中国计划出版社:.武强赵苏启董书宁等.煤矿防治水手册.北京:煤炭工业出版社:.黄铃王军吴德义等.巨厚砂岩顶板“三带”范围的数值模拟与界定.安徽建筑大学学报():.:().().().:(责任编辑:任敏)