顾北煤矿1542（3）工作面突水溃砂风险分析.pdf

为研究突水溃砂风险对煤层工作面开采的影响，以顾北煤矿1542（3）工作面为研究对象，利用经验公式计算煤层开采过程中的垮落带和导水裂隙带高度；并通过FLAC3D软件进行数值模拟，推算出顾北煤矿1542（3）工作面垮落带高度为20 m，导水裂隙带高度为35 m，均小于由经验公式计算的最高值。再利用经验公式计算该工作面的临界水力坡度值与实际水力坡度值，并将二者进行比较，发现溃砂风险发生的可能性较低，说明该工作面的开采工作是安全可行的。关键词：溃砂风险；垮落带；导水裂隙带；水力坡度中图分类号：TDB2文献标识码：A引 言溃砂是指水砂混合物通过导水裂隙进入煤层开采工作面，会引起矿井内事故，从而造成矿井内人员伤亡。随着煤层开采深度不断推进，垮落带和导水裂隙带的高度会不断上升1，覆岩变形和裂隙宽度会不断扩大2-5，煤层上方的水砂混合物极有可能穿过下部含水层而发生溃泄6-10。李峰等11、翟志伟等12发现钻孔窥视技术结合传统经验公式和数值模拟技术能有效提高导水裂隙带发育高度预测精度。李建文13在松散含水层液化流动的临界水力坡度推算基础上，利用承压含水层单井非稳定流抽水模型推导出实际水力坡度公式，提出了溃砂风险发生的临界判据。顾北煤矿1542（3）工作面为上覆的下部含水层，属于双层含水层。本文利用FLAC3D软件，对该工作面围岩应力、位移、塑性区变化进行数值模拟，用经验公式对垮落带和导水裂隙带高度以及水力坡度进行计算，从而对围岩破坏情况及溃砂风险进行安全评估，避免矿井内水害事故的发生，保证煤矿安全开采。1 工作面地质及水文条件1.1 工作面地质顾北煤矿位于安徽省淮南市，南二区为主要采区，本文以该矿 1542（3）工作面为主要研究对象。主采煤层为 13-1 层，平均倾角为 5，煤层厚度为3.75.8 m，平均厚度为4.7 m，探测可开采煤储量为6.35105 t。顾 北 煤 矿 顺 槽 煤 层 底 板 的 标 高 为2023年8月四川轻化工大学学报（自然科学版）-458.1-433.3 m，回风顺槽煤层底板的标高为-462.1-442.9 m，工作面安全煤岩柱为 39.457.6 m。该工作面设计布置情况如图1所示。图1 顾北煤矿1542（3）工作面设计布置1.2 水文地质条件1542（3）工作面范围内基岩面落差为9.2 m，总体趋势自西南向东北逐渐降低。从1542（3）工作面的钻孔资料分析中发现：上覆新生界地层厚度平均为41.6 m；面内中部隔水层平均厚度为46.8 m，厚度相对较大，结构稳定，岩性主要是砂质粘土和粘土，隔水性较好；下部含水层主要是砂质粘土，发育不完善且厚度较薄；下部隔水层以粘土和砂质粘土为主，具有一定的隔水作用。该工作面部分钻孔岩层情况如图2所示。图2 1542（3）工作面钻孔岩层取样照片2 垮落带与导水裂隙带计算随着煤层工作面开挖深度的不断推进，采空区和围岩的变形均会扩大。根据岩层破坏程度及应力分布特点，煤层工作面可划分为 3个区域：垮落带、导水裂隙带和弯曲下沉带。本节主要讨论垮落带和导水裂隙带对开采工作面的影响。垮落带是指上覆岩层在采空区己经垮落，在采场由支架暂时支撑，沿推进方向上的岩体不能始终保持力的相互传递的区域。导水裂隙带是沿推进方向上裂隙较发育，各岩层的裂隙深度扩展已接近该区域全部厚度的区域。准确地确定垮落带和导水裂隙带高度，对判断采矿期间是否会发生突水溃砂风险具有重要意义。2.1 垮落带高度根据实际钻孔取得的岩层样本，进行抗压强度试验，可将工作面上覆岩岩层定性为中硬覆岩至坚硬覆岩类。不同岩性的岩层垮落带高度计算公式见表1。表1中M为采高，M为累计采厚。本文M取为4.6 m。表1 垮落带高度经验公式14-16岩性中硬坚硬岩石类型砂岩、页岩石英砂岩、砾岩单向压强/MPa20404080垮落带高度计算公式Hk=100M4.7M+19 2.2Hk=100M2.1M+16 2.572第36卷第4期胡厚琛，等：顾北煤矿1542（3）工作面突水溃砂风险分析由表 1 可得，当覆岩为坚硬岩层时，垮落带高度为：Hk=100M2.1M+16 2.5=15.4320.43 m；当覆岩为中硬岩层时，垮落带高度为：Hk=100M4.7M+19 2.2=9.3213.52 m。2.2 导水裂隙带高度不同岩性的岩层导水裂隙带高度计算经验公式见表2。表2 导水裂隙带高度经验公式14-16岩性中硬坚硬厚煤层分层开采公式Hli=100M1.6M+3.6 5.6Hli=100M1.2M+2 8.9厚煤层防顶开采公式Hli=100M0.23M+6.10 10.42Hli=100M0.15M+3.12 11.18由表2可得，覆岩为坚硬岩层时，导水裂隙带高度为：Hli=100M1.2M+2 8.9=52.2770.07 m；当覆岩为中硬岩层时，导水裂隙带高度为：Hli=100M1.6M+3.6 5.6=36.3747.57 m。综合经验公式可知，顾北煤矿1542（3）工作面的导水裂隙带高度范围为36.3770.07 m，垮落带高度范围为9.3220.43 m。3 数值模拟3.1 建立模型本 次 数 值 模 拟 所 建 立 的 模 型 几 何 尺 寸 为200 m200 m150 m，网格划分为 404050，如图 3所示。煤岩倾角为5，顶部埋深为280 m，平均容重为2.35104 N/m3，应力集中系数为 1.2，初始地应力为8.13 MPa。各岩层物理力学参数见表3。根据工程实际情况模拟工作面分别推进 40、80、120 m 及160 m时围岩位移、应力、塑性区的变化情况。为了使数值模拟的结果符合实际开采的围岩破坏情况，对模型的边界设置相应的边界条件，X、Y方向固定两端边界，Z方向固定模型底部边界，模型顶部边界无约束，模型整体受重力荷载作用。图3 地质模型图表3 各岩层物理力学参数中部隔水层下部含水层下部隔水层红层风化泥岩风化砂质泥岩细砂岩1细砂岩2细砂岩3细砂岩4砂质泥岩11.241.740.970.660.951.041.374.693.983.951.881.803.331.761.481.401.641.912.872.983.112.182560268525452430257625602579265926762676263026.1430.3025.4628.3226.1126.1730.3235.4336.2134.1933.712.952.642.962.572.624.134.743.995.565.744.651.402.071.221.141.151.401.172.191.921.862.020.330.200.250.290.370.230.230.190.190.230.2218126414610812144岩石名称抗拉强度/MPa体积模量/GPa密度/(kg/m3)内摩擦角/粘聚力/kPa剪切模量/GPa泊松比厚度/m732023年8月四川轻化工大学学报（自然科学版）砂质泥岩2砂质泥岩3砂质泥岩4泥岩1泥岩2泥岩3煤层2.551.341.312.312.332.341.463.412.132.162.282.252.351.82265025902590266026472667149033.0029.4829.4833.2836.2132.5627.604.725.315.703.363.293.292.742.992.020.961.871.871.881.040.230.230.220.290.290.290.2466648104续表岩石名称抗拉强度/MPa体积模量/GPa密度/(kg/m3)内摩擦角/粘聚力/kPa剪切模量/GPa泊松比厚度/m3.2 竖向应力场变化规律煤层开采时会出现采空区，岩层间原有的应力平衡就会被破坏。随着煤层开挖深度不断推进，岩体所受应力有可能超过自身承载极限，造成工作面顶板塌陷，引起矿井内发生重大事故。不同推进距离下围岩的竖向应力变化云图如图4所示。由图4获得其不同推进距离最大竖向应力值见表4。从表4可以看出，随着煤层开挖深度不断推进，工作面的竖向拉应力与压应力都在不断增大。因此，为防止部分岩层因断裂垮落而无法对上部荷载起支撑作用，需对工作面围岩进行支护。(a)推进40 m(b)推进80 m(c)推进120 m(d)推进160 m图4 不同煤层推进距离围岩的竖向应力云图74第36卷第4期胡厚琛，等：顾北煤矿1542（3）工作面突水溃砂风险分析表4 不同煤层推进距离围岩的最大竖向应力煤层推进距离/m4080120160最大竖向拉应力/MPa0.3640.4670.5290.544最大竖向压应力/MPa19.88923.49325.93027.3383.3 竖向位移变化规律应力变化会引起位移，进而会影响工作面的围岩变形程度，导致覆岩破碎和裂隙发育，水体极有可能通过裂隙进入矿井，引发突水溃砂事故。现利用FLAC3D软件进行数值模拟，对不同推进距离下围岩的位移进行分析，获得其位移变化情况。该工作面不同推进距离竖向位移变化云图如图5所示。根据图5获得顶、底板最大竖向位移见表5。从表5可以看出，工作面推进40、80、120 m及160 m时的顶板最 大 竖 向 位 移 分 别 为 8.60、11.93、13.08 cm 及13.39 cm，底板最大竖向位移分别为 11.83、23.50、41.75 cm及 58.45 cm。随着工作面的不断推进，围岩位移变化不断增大，因此在实际工程中，对煤层顶、底板施行一定的支护是非常有必要的。(a)推进40 m(b)推进80 m(c)推进120 m(d)推进160 m图5 不同煤层推进距离围岩的竖向位移云图表5 不同煤层推进距离围岩的最大竖向位移煤层推进距离/m4080120160顶板最大位移/cm8.6011.9313.0813.39底板最大位移/cm11.8323.5041.7558.453.4 塑性区变化规律随着工作面开挖深度不断加大，覆岩破坏范围逐渐加大，覆岩塑性区分布云图如图6所示。从图6可见，工作面推进40 m时，其破坏方式主要是拉伸破坏；工作面继续推进至80、120m及160 m时，其破752023年8月四川轻化工大学学报（自然科学版）坏方式主要是剪切破坏。当推进到一定深度时，拉伸破坏区域基本保持在一定的范围内。根据塑性区分布云图，判断垮落带高度为20 m，导水裂隙带高度为35 m。(a)推进40 m(b)推进80 m(c)推进120 m(d)推进160 m图6 不同煤层推进距离围岩的塑性区分布云图3.5 模拟结果对比经过数值模拟得到的垮落带高度为20 m，导水裂隙带高度为35 m；经验公式计算出的垮落带高度范 围 为 9.3220.43 m，导 水 裂 隙 带 高 度 范 围 为36.3770.07 m。数值模拟得到的导水裂隙带高度和垮落带高度均比经验公式预测的最大值低，故导水裂隙带大概率不会穿过下部含水层，因而岩层内部的砂砾得不到水力补给，就不会产生大规模的水砂混合物，从而不会带来突水溃砂风险。4 水力坡度计算存在孔隙的岩体会有水流动。当水体拥有较高的水头差时，其作用在固体颗粒上水平方向的力就会大于固体颗粒间的相互作用力，固体颗粒会被推动；同时水体还会对固体颗粒产生向上的浮力，以抵消重力，因此一些细小颗粒会在土体中流动，甚至导致溃砂的发生。水力坡度是衡量水力作用的重要指标之一，也是判断是否会发生溃砂风险的重要依据。4.1 临界水力坡度计算常 用 的 临 界 水 力 坡 度icr计 算 公 式 有 以下4种14-16。1）太沙基公式：76第36卷第4期胡厚琛，等：顾北煤矿1542（3）工作面突水溃砂风险分析icr=()sw-1()1-n2）南京水利研究院公式：icr=()sw-1()1-n()1+tan3）王明年的水力坡度计算公式：icr=wsin4）党发宁的水力坡度计算公式：icr=w+2cwR以上 4 种公式中，s为土粒重度；w为水的重度；n为孔隙率；为侧压系数，=/()1-，其中为泊松比，取0.25；为内摩擦角；为土体浮重度；为折减系数；为渗流方向角；c为土体粘聚力；R为影响半径。根据岩层物理力学参数和工程地质资料，临界水力坡度计算参数见表6，不同临界水力坡度公式计算结果见表7。综合4种公式计算结果，取其平均值，得出临界水力坡度值为1.36。表6 临界水力坡度公式参数参数数值土粒重度s/(N/m3)2.51水的重度w/(N/m3)1.02孔隙率n/%0.32侧压系数0.33内摩擦度/35折减系数0.82渗流方向角/60土体粘聚力c/kPa2.65影响半径R/m80表7 不同临界水力坡度公式计算结果计算公式14-16太沙基公式南京水利研究院公式王明年的水力坡度计算公式党发宁的水力坡度计算公式icr计算结果0.991.221.541.694.2 实际水力坡度计算实际水力坡度i计算公式如下14-16：i=2.732KMHlgR其中，K为渗透系数；H为含水层的水头高度。通过实际水力坡度计算公式可得到距离涌水通道为r处含水层的水力坡度，即：i1=2.732H2rlgR当r rw（rw表示涌水通道截面为圆形时的半径）时，可得到涌水通道的水力坡度为：i2=2.732H2rwlgR在实际工程中，涌水通道是由含水层底板即上覆岩层上纵横交错的裂隙组成的。假定裂隙所过之处皆处于涌水通道井半径中，且裂隙在上覆岩层中的发展范围通过工作面尺寸及破裂角判断，那么可以把矩形涌水通道断面转化为圆形截面，矩形涌水通道的宽度B和长度L可根据工作面尺寸以及岩层破断角综合确定。根据相邻工作面物探资料类比，取岩层破断角1=60，取导水裂隙带高度Hli=35 m，在“红层”扩展 的 长 度 为2 Hli/tan1=40.42 m，其 宽 度B=280.42 m，长度L=140.42 m，rw2=BL/=12 540.3 m2。影响半径R=10SK，渗透系数K取 0.0016 m/d，S取最大降深200 m。实际水力坡度计算参数见表8。根据实际水力坡度计算公式14-16计算出实际水力坡度值为0.41。表8 实际水力坡度公式参数参数数值H/m200K/(m/d)0.0016R/m80rw/m111.98L/m140.42S/m200根据临界水力坡度和实际水力坡度公式计算结果，得出1542（3）工作面临界水力坡度值icr=1.36，实际水力坡度值i=0.41。经过对比可以看出，顾北煤矿1542（3）工作面实际水力坡度值小于临界水力坡度值，因此细小颗粒在土体中流动性较小，只会772023年8月四川轻化工大学学报（自然科学版）发生轻微流砂，对煤层开采只有轻微的影响。4.3 突水溃砂可能性评价本文依据多种方法计算得出1542（3）工作面临界水力坡度，采用数值模拟以及工程类比等方法评价矿井发生突水溃砂的可能性。明确了水力坡度对于溃砂分析的重要作用，对煤层采厚和倾角相近、土体性质相似、采煤方法相同或相似的采煤工作面溃砂风险分析具有一定的参考价值，为矿井安全生产提供了可靠的依据。5 结 论计算了垮落带高度、导水裂隙带高度以及水力坡度，并使用FLAC3D软件进行数值模拟，分析围岩竖向应力、竖向位移、塑性区变化规律，并将经验公式计算结果与数值模拟结果相对比，得出以下结论：1）随着煤层开挖深度的不断加大，工作面受竖向应力作用导致煤层顶、底板出现位移，推进过程中底板最大位移达到58.45 cm，因此在实际开采中，要做好支护，以防出现坍塌事故。2）随着煤层工作面开挖深度的不断推进，开采工作面所受应力和塑性区破坏程度也不断加大。对比经验公式与数值模拟结果，发现模拟获得的垮落带高度和导水裂隙带高度均小于经验公式所预测的最大值，因此，判断在开采过程中不会发生水砂溃泄的事故。3）采用经验公式计算出的实际水力坡度值小于临界水力坡度值，满足i icr，即固体颗粒在土体中的流动性较小，溃砂发生的风险较低，煤矿开采安全可靠。参考文献：1 谷文伟,高召宁,李颜.极近距离煤层综放开采工作面覆岩“两带”发育规律研究J.中国安全生产科学技术,2022(5):135-142.2 崔鹏飞,陈向军.大采高工作面采空区“三带”高度判定研究J.煤,2022(3):8-13,72.3 王泓博,张勇,庞义辉,等.基于地表点下沉阶段特征的覆岩裂隙带高度演化J.中国矿业大学学报,2022,51(1):24-34.4 梁勇,薛彦平,胡胜勇.近距离煤层群重复采动覆岩破坏规律分析研究J.矿业研究与开发,2021(4):72-75.5 李海军.浅埋煤层群开采覆岩导水裂隙带发育规律J.陕西煤炭,2022(2):42-45.6 许延春,赵霖,任志祥,等.承压防砂煤(岩)柱下溃水溃砂工作面压架机理及支架阻力确定J.采矿与岩层控制工程学报,2021,3(2):67-75.8 任胜文.大采深煤层弱胶结厚层砾岩突水溃砂灾害研究J.煤炭科学技术,2019,47(9):249-255.9 许海涛,康庆涛.厚松散层薄基岩煤层开采突水溃砂风险评价J.煤矿开采,2017,22(3):78-81.10 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face of Gubei Coal Mine as an example,the heights of caving zone and water-conducting fracture zone in coal seam mining process are calculated by empirical formula method,and numerical simulation is carried out by FLAC3D software.It is calculated that the heights of caving zone and water-conducting fracture zone in 1542(3)working face of Gubei Coal Mine are 20 m and 35 m,both of which are less than the highest values calculated by empirical formula method.Then,the critical hydraulic gradient value and actual hydraulic gradient value of the working face are calculated by empirical formula,and compared with them,it is found that the possibility of sand break risk is low,which shows that the mining work of the working face is safe and feasible.Key words:sand break risk;caving zone;water-conducting fracture zone;hydraulic gradient79