镇城底矿8#煤层采场顶底板岩层破坏规律研究_孟庆才.pdf

江西煤炭科技2023年第1期摘要：镇城底矿采用已有规范中的经验公式计算采煤工作面导水裂隙带高度作为防治水评价及设计依据，为验证其可靠性，通过数值模拟、现场实测等手段，探究采场顶底板岩层破坏规律。研究表明，三种方法得到的顶板垮落带、裂隙带、底板破坏带数据均较可靠，结果表明：2 8 1 0 3工作面采场垮落带高度1 5.0 2 0.2m之间，裂隙带高度5 1.9 6 9.7m，底板破坏深度1 2.4 7 1 5m，对镇城底矿各主采煤层有效预测、防治顶底板水害具有重要意义。关键词：垮落带；裂隙带；经验公式计算；数值模拟；瞬变电磁法探测中图分类号：TD3 2 5+.3文献标识码：A文章编号：1 0 0 6-2 5 7 2（2 0 2 3）0 1-0 0 8 6-0 4Study on Failure Law of Roof and Floor Strata of No.8 Coal Seam in Zhenchengdi CollieryMeng Qingcai（Malan Colliery,Xishan Coal Power Group,Gujiao,Shanxi 030205）Abstract:As the basis for water control evaluation and design,the empirical formula in existing regulations has been used tocalculate the height of the water conducting fracture zone of the coal mining face in Zhenchengdi Colliery,in order to verify itsreliability,by means of numerical simulation and field measurement,the paper explores the failure law of the roof and floor strataof the stope,and obtains the following reliable data of roof collapse zone,fissure zone and floor failure zone:The caving zoneheight of the stope of 28103 working face is 15.020.2 m,the fracture zone height is 51.969.7 m,and the floor damage depth is12.4715 m,which is of great significance to effectively predict and prevent the water disaster of the roof and floor in the maincoal seams of Zhenchengdi Colliery.Key words:caving zone;fissure zone;empirical formula calculation;numerical simulation;transient electromagnetic methoddetection镇城底矿 8#煤层采场顶底板岩层破坏规律研究孟庆才（西山煤电（集团）有限责任公司马兰矿，山西古交0 3 0 2 0 5）厚煤层综采是一种开采强度大、大采高的特殊机械化采煤方法，由于其具有产量高、经济效益好等特点，所以越来越受到重视，并得到广泛的应用。但是该工艺同时造成采场覆岩破坏严重，当上覆岩层内存在采空区积水或强富水含水层时，存在工作面与上覆积水联通的可能，将引发水害事故，危及井下工人的生命安全。镇城底矿为承压开采矿井，下组煤隔水层底板最大水头压力值达到2.6 6MPa，隔水层厚度5 0.1 1 1 1 7.8 8m。实际生产中发生过由于底板断层和陷落柱破坏带导通奥灰含水层，致使工作面发生突水的事故。所以，针对镇城底矿开展主采煤层“上三带”及带压开采“下三带”的分布规律研究是十分必要的。1工作面概况镇城底矿2 8 1 0 3工作面地表位于官长沟一带，2 8 1 0 3工作面井下位于南一采区，是南一采区下组煤首采工作面。2 8 1 0 3工作面标高+8 4 8+8 7 6m，地面标高+11 2 7+11 7 9m，走向长度5 3 0m，倾斜长度1 1 6m，盖山均厚平均2 9 2m，所采8#煤层煤质为焦煤，煤层厚度为4.4 6m，煤层倾角1 1 左右。采用综合机械化综采工艺，采高4.5m，全部垮落法管理顶板。煤层直接顶为L1泥灰岩，老顶主要以K2灰岩和砂岩为主，煤层顶板砂岩占比约为6 0.9 3%，泥岩占比约为2 6.7 2%，灰岩占比约为7.8 7%，煤占比约为4.3 9%，工作面顶板岩性为坚硬型。煤层底板绝大多数为含黏土质的泥岩、砂质泥岩或粉砂岩，细砂岩较少，工作面底板岩层为中硬岩层。2顶底板破坏带高度理论分析镇城底矿2 8 1 0 3工作面顶板为坚硬岩层，垮落带与导水裂隙带高度可用经验公式（1）、（2）计算1-2：Hm=1 0 0 M2.1 M+1 62.5（1）Hl i=1 0 0 M1.2 M+2.08.9（2）8 6江西煤炭科技2023年第1期表1顶底板主要岩层力学参数编号岩性厚度/m密度/kg/m3体积模量/GPa剪切模量/GPa内摩擦/凝聚力/MPa抗拉强度/MPa泊松比1粉砂岩1 227 2 01 8.1 01 6.43 01.5 02.0 60.1 52砂质泥岩425 2 01 3.6 02.6 03 42.1 81.7 00.4 13中砂岩226 5 07.7 47.3 33 01.3 00.7 30.1 442煤314 6 04.8 62.7 82 51.2 00.6 40.2 65中砂岩626 5 07.7 47.3 33 01.3 00.7 30.1 46泥岩427 5 01 3.6 02.6 03 21.8 81.5 00.4 17炭质泥岩322 3 037 0 021 8 03 53.6 11.1 52.2 08中砂岩826 5 07.7 47.3 33 01.3 00.7 30.1 49细砂岩627 0 01 4.2 01 0.72 91.0 51.5 50.2 01 0粉砂岩827 2 01 8.1 01 6.43 01.5 02.0 60.1 51 1石灰岩228 0 065 6 845 3 03 82.9 51.70.2 61 2炭质泥岩222 3 037 0 021 8 03 53.6 11.1 52.2 01 3石灰岩428 0 065 6 845 3 03 82.9 51.70.2 61 4泥岩1 027 5 01 3.6 02.6 03 21.8 81.5 00.4 11 58煤4.514 6 08.8 65.7 82 51.6 00.8 20.2 31 6泥岩427 5 01 3.6 02.6 03 21.8 81.5 00.4 11 7粉砂岩427 2 01 8.1 01 6.43 01.5 02.0 60.1 51 8细砂岩627 0 01 4.2 01 0.72 91.0 51.5 50.2 01 9砂质泥岩325 2 01 3.6 02.6 03 42.1 81.7 00.4 12 0细砂岩227 0 01 4.2 01 0.72 91.0 51.5 50.2 02 1泥岩427 5 01 3.6 02.6 03 21.8 81.5 00.4 12 2砂质泥岩825 2 01 3.6 02.6 03 42.1 81.7 00.4 12 3中砂岩1 226 5 07.7 47.3 33 01.3 00.7 30.1 4式中：Hm为垮落带高度，m；Hl i为导水裂隙带高度，m；M为采厚，m。2 8 1 0 3工作面采高为4.5m，计算垮落带高度为1 5.2 2 0.2m，导水裂隙带高度为5 1.9 6 9.7m。底板破坏带深度可用经验公式计算3：h1=0.0 0 85 H+0.1 6 65+0.1 0 79 L-4.3 5 79（3）式中：H为开采深度，2 8 1 0 3工作面为2 9 2m；为煤层倾角为1 1；L为工作面倾斜长度为1 1 6m，计算得到工作面回采期间底板最大破坏深度为1 2.4 7m。3顶板破坏规律数值模拟研究结合镇城底矿2 8 1 0 3工作面的生产资料，采用F L A C3 D软件进行建模4-5，为更加真实的模拟巷道地质应力条件，对2 8 1 0 3工作面煤层、顶底板岩层现场取样在实验室进行测试力学参数通过单轴抗压实验测定煤岩样的单轴抗压强度，然后推算得到岩层内聚力、泊松比等参数，各岩层具体参数如表1所示。地层模型与现场实际按照1 1建立，建立模型的走向长度为4 3 2m，倾斜长度1 8 0m，高度1 0 0m，其中共有个7 6 66 5 6个网格，8 0 84 2 4个节点，建立数值模型如图1所示。图128103工作面三维模型8 7江西煤炭科技2023年第1期（a）开挖40 m（b）开挖60 m（c）开挖80 m（d）开挖100 m（e）开挖120 m（f）开挖140 m图2模型开挖后覆岩塑性区通过分析如图2所示工作面周边的围岩塑性破坏区可以看出：1）工作面回采前期，随着开挖范围的增大，顶板岩层破坏高度逐渐增大，工作面推进方向前后边界附近覆岩的破坏高度相对较大，工作面开挖1 0 0m后，覆岩破坏高度最大值约为5 5m，工作面开挖范围增大至1 2 0m、1 4 0m，覆岩破坏的范围随之不断增大，但其垂直高度无明显变化。结合应力云图分析，拉应力区发生拉破坏比较明显，为顶板的垮落带。综上可确定，2 8 1 0 3工作面导水裂隙带发育高度约为5 5m，顶板垮落带高度1 5m。2）工作面开挖同样导致底板岩层出现一定范围的塑性破坏，工作面开挖4 0m时，在工作面推进方向中部区域底板破坏深度最大，约为1 5m，工作面开挖范围继续增大，底板破坏深度未明显增大，表明底板破坏深度为1 5m。4顶底板破坏规律实测研究镇城底矿2 8 1 0 3工作面回采期间，在邻近的2 8 1 0 5运输顺槽内对煤层顶板的破坏情况采用瞬变电磁法探测。巷道与工作面间区段煤柱宽度为6m，测点布置在2 8 1 0 3运输顺槽里程7 5 0m处，探测时滞后2 8 1 0 3工作面约5 0m。矿井瞬变电磁探测仪器（如图3（a）所示）选择加拿大G e o n i c s公司P R O T E M-4 7瞬变电磁系统，采用移动式的偶极探测方式，探测角度为垂直向上方探测，如图3（b）所示。（a）探测仪器实物8 8江西煤炭科技2023年第1期（b）探测方向图3瞬变电磁井下施工探测方向在实际的工作中，具体到实际的图解说明时，通过不同时间所测量的视电阻率值以及不同岩层物性参数，经过软件进行一维、二维反演来得到具体的探测深度。本次探测数据经过专用软件来计算一一对应的视电阻率和探测深度，应用大地测深正演修正法一维反演的先进科技方法拟合实际地形参数和实测数据结果，从而保证了高技术探测、处理和解释。具体的顶板观测成果如图4（a）、（b）所示，底板观测成果如图4（c）所示。（a）右帮60（b）右帮45（c）底板90图4视电阻率色谱图实测结果从6 0 剖面图中整体上看，在大约7 5m处，开始出现相对高阻区域，即在垂直距离上约为6 4.9m。可能与岩体的完整有关，即为裂隙不发育带的高度；在大约2 8m处，即在垂直方向上为2 4.3m。整体上看，出现一高阻中心分布线，由于岩体中垮落带中不存在顶板水的分布，即此高阻中心分布线可能为垮落带与裂隙带的分界线。从4 5 剖面图中可看到，大约在3 2.5m附近，均为高阻反应，可能为垮落带裂隙带的分界线，即垂直高度约为2 3m处。在8 0m以上大部分地区还是低阻分布，即垂直距离约为5 6m处，因而可以推断5 6m以上仍为裂隙带内。总体上来看瞬变电磁探测结果为垮落带高度大概在1 6 1 7.3m之间，裂隙带高度约为6 0m。从底板剖面图上整体看，大概在1 5m地方，出现相对的高阻区域，可能与岩体的完整有关，此处即为裂隙不发育带，底板破坏深度大概为1 5m。5结论以镇城底矿2 8 1 0 3工作面为背景，探究8#煤层回采引起的顶底板岩层破坏情况，得到如下主要结论：1）8#煤层顶板为坚硬岩层，底板为中硬岩层，顶板垮落带、裂隙带理 论计算预 测值分别为1 5.2 2 0.2m、5 1.9 6 9.7m，底板破坏深度预测值为1 2.4 7m；2）数值模拟研究表明，2 8 1 0 3工作面顶板垮落带高度1 5m，裂隙带高度5 5m，底板破坏深度约为1 5m。3）现场瞬变电磁法勘测结果表明，垮落带高度大概在1 6 1 7.3m之间，裂隙带高度约为6 0m，底板破坏深度大概为1 5m。根据理论计算、数值模拟、现场实测结果可知，镇城底矿2 8 1 0 3工作面三种方法得到的顶板垮落带、裂隙带、底板破坏带数据均较可靠，可为煤矿安全生产及防治水提供可靠数据。参考文献：1 国家安全监管总局 国家煤矿安监局 国家能源局 国家铁路局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范M.北京：煤炭工业出版社，2 0 1 7.2 崔鹏飞,陈向军.大采高工作面采空区“三带”高度判定研究J.长治：煤，2 0 2 2，3 1（3）：8-1 3，7 2.3 杨高峰.西山矿井主采煤层“上三带”及带压开采矿井“下三带”分布规律研究S.太原：西山煤电(集团)有限责任公司，2 0 1 8.4 王国睦，胡文朋，廖家凯，等.水体下采面“上三带”高度计算分析J.郑州：中州煤炭，2 0 1 6（1 0）：1 5 0-1 5 3.5 黄铃，王军，吴德义.巨厚砂岩顶板“三带”范围的数值模拟与界定J.安徽建筑大学学报，2 0 1 5，2 3（2）：3 9-4 2.作者简介：孟庆才（1 9 8 3），男，河北唐山人，2 0 2 1年毕业于中国矿业大学地质工程专业，地质工程师，现从事地质防治水管理技术工作。收稿日期：2 0 2 2-0 4-2 7编辑：彭呈喜8 9