华阳二矿15号煤层开采上覆采空区积水威胁程度研究.pdf

第46 卷第7 期2023年7 月地测与水害防治华阳二矿15 号煤层开采上覆采空区积水威胁程度研究煤炭与化工Coal and Chemical IndustryVol.46 No.7Jul.2023刘浩（华阳集团新能股份有限公司二矿，山西阳泉0 45 0 0 0）摘要：华阳二矿3 号煤层已采掘完成并形成大量的采空区积水，为更加准确的掌握其对下位15 号煤层开采的威胁，通过数值模拟、收集资料、现场实测等方法，进行3 号煤层开采底板破坏深度及15 号煤层开采顶板导水裂隙带发育高度的研究，通过线性回归方法得到针对华阳二矿3 号煤层底板破坏深度及15 号煤层顶板导水裂隙带发育高度的回归方程，给出3 号煤层采空区积水威胁程度划分标准并得到危险程度分区图，对15 号煤层预测、防治上覆采空区水害隐患具有重要意义。关键词：导水裂隙带；数值模拟；回归分析中图分类号：TD74文献标识码：B文章编号：2 0 9 5-5 9 7 9（2 0 2 3）0 7-0 0 5 9-0 4Study on the threat degree of water accumulationin overlying goaf of No.15 coal seam miningin Huayang No.2 MineLiu Hao(No.2 mine,Huayang Group Xinneng Co.,Ltd.,Yangq uan 045000,China)Abstract:The mining of No.3 coal seam in Huayang No.2 Mine has been completed and a large amount of goaf water hasbeen formed.In order to more accurately grasp its threat to the mining of No.15 coal seam,the floor failure depth of No.3coal seam and the development height of roof water conduction fracture zone in No.15 coal seam were studied by means ofnumerical simulation,data collection and field measurement.The regression equation for the floor failure depth of No.3 coalseam and the development height of roof water conduction fracture zone in No.15 coal seam of Huayang No.2 Mine wasobtained by linear regression method.The classification standard of goaf water threat degree in No.3 coal seam was givenand the zoning map of danger degree was obtained.It was of great significance to predict and prevent the hidden danger ofwater admage in overlying goaf of No.15 coal seam.Key words:water conduction fracture zone;numerical simulation;regression analysis层，较稳定夹石为2 层：距煤层顶板0.3 0 m的八1概况寸石和距煤层底板2.40 m的驴石，夹石岩性为泥华阳二矿47 0 水平8 0 8 0 1综放工作面地表位岩。煤层直接顶为泥岩和砂质泥岩，厚度7.98 m；于柳树以北一带，地形沟谷纵横。标高8 0 0 一老顶为石灰岩，6.5 1m厚，灰色，致密坚硬；直990m，回采对地面设施无影响。工作面东部为采接底为泥岩，厚度2.2 6 m，黑色，致密性脆，富区边界，西部为尚未掘进的8 0 8 0 3 工作面，南部含植物化石，含黄铁矿；老底为砂质泥岩，厚度为八采准备巷，北部为石太铁路保护煤柱。工作4.70m。15 号煤层上部3 号煤层已基本采掘完成，面埋藏深度42 8 45 8 m。工作面所采15 号煤层多处存在采空区积水，3 号与5 号煤层间层间距为复杂结构煤层，平均厚度4.15 m，含夹石2 485.4118.6m，为保障15 号煤层的安全高效生责任编辑：张彤D0I:10.19286/ki.cci.2023.07.016作者简介：刘浩（198 9一），男，河北井经人，助理工程师。引用格式：刘浩.华阳二矿15 号煤层开采上覆采空区积水威胁程度研究 J.煤炭与化工，2 0 2 3，46（7）：5 9-6 2.592023年第7 期产，对上覆3 号煤层采空区积水的突水危险性展开研究。2采场围岩塑性区分布特征研究煤层开采期间将引起顶板及底板岩层裂隙扩展发育，下位煤层开采期间存在沟通上层煤采空区的风险，存在突水隐患。为分析华阳二矿3 号煤层、15号煤层顶底板塑性破坏区分布规律，借助FLAC3D软件进行工作面开采的模拟研究，以该矿地质特点及实际开采情况为背景，建立三维数值模型，3 号煤层均厚3 m，回采工作面长度多为15 0m，工作面沿煤层倾斜方向布置；15 号煤层均厚4.15m，回采工作面长度多为18 0 m，工作面同样沿倾斜方向布置。为保障模型能够满足在边界处留设合理煤柱宽度后仍可充分采动的条件，设计模型规格如图1（a）所示，3 号、15 号煤层回采工作面布置方向如图1（b）所示。280100000%000一YFig.1 Numerical model and simulation scheme模拟研究时，首先根据华阳二矿煤岩层的赋存条件对各岩层进行分组并赋予物理力学参数，进行模型平衡计算得到煤岩层天然状态，之后进行3 号煤层采煤工作面的开挖，工作面煤层向前推进10m，之后进行15 号煤层的开挖。工作面每次开挖后模型计算平衡，沿工作面长度方向取竖直切面，观察塑性区分布规律。3 6 16 工作面推进3 0 0 m时60煤炭与化工及8 0 8 0 3 工作面推进2 8 0 m时塑性区分布情况如图2所示。剪切破坏区拉伸破坏区最大破坏高度53.4m19.85m150m（a）3 号煤层剪切破坏区最大破坏高度Noneshearadearp拉伸破坏区56.8m21.4m（b）15 号煤层图2 工作面顶底板围岩塑性分布模拟结果Fig.2 Simulation results of surrounding rock plastic distributionin working face roof and floor由图2 可以看出，3 号煤层开采期间顶板岩层塑性破坏区整体基本呈“M”状，在采空区两侧上部达到最大，发育最大高度为5 3.4m，底板岩层同样出现了一定范围的塑性破坏，塑性区发育深度呈现出工作面中部较小、工作面两侧较大的规律，最大破坏深度为19.8 5 m。进行15 号煤层开采期间，顶板岩层塑性区分布规律与3 号煤层回采期间相920yX(a）数值模型92018040元1808080380801工工作作面面36161.3618H兰1工作面面20015040150000X（b）工作面位置示意图图1数值模型及模拟方案第46 卷shea-Noetansinepshearp64.8mtesinap似，塑性区发育高度略大于3 号煤层，最大高度为64.8m。15 号煤层开采期间，会扰动3 号煤层采空区，导致3 号煤层采空区顶底板塑性区分布范围扩大，顶板塑性区发育高度增大为5 6.8 m，底板塑性区发育深度增大为2 1.4m，但3 号煤层底板及15号煤层顶板塑性区并未联通，仍存在16 2 0 m的推进方向完整岩层。3顶底板破坏规律统计分析3.1顶底板破坏规律实测研究井下压水试验法可用于测量采煤工作面顶底板岩层内裂隙发育深度，通过在钻孔内安放2 个封堵胶囊，达到在钻孔特定深度注水的目的，根据不同钻孔不同深度注水的流失量，判别此处岩层的裂隙发育情况，裂隙越发育漏失量越大。华阳二矿在以往生产实践期间，多次采用该方法进行3 号煤层回采工作面底板破坏深度实测，根据矿方提供的资料，得到3 号煤层各工作面底板破坏深度，详见表1。在15 号煤层8 0 8 0 1工作面开采期间（采高4.0m），采用仰孔压水试验法进行顶板裂隙带发育高度实测，在邻近的8 0 8 0 3 工作面运输顺槽布置3 个测试孔，测得顶板裂隙带发育高度为7 1.5、7 3.4、72.8m，平均发育高度为7 2.6 m。刘浩：华阳二矿15 号煤层开采上覆采空区积水威胁程度研究表1华阳二矿底板破坏深度实测值Table 1 Measured value of floor failure depth inHuayang No.2 Mine工作面埋深/m倾角（）采高/m倾斜长度/m310331031073063304325330933236123623611318360933036183513.2下位煤层顶板导高分析为提高针对华阳二矿15 号煤层回采工作面导水裂隙带高度计算模型精度，收集矿井附近矿区相似地质条件下导水裂隙带高度实测数据，见表2。表2 收集整理导水裂隙带实测数据统计Table 2 Statistic of collected and sorted measured data of waterconduction fracture zone序号矿井及工作面名称采厚m导水裂隙带高度/m裂采比1阳煤一矿15 0 112阳煤一矿15 0 183阳煤一矿15 3 0 64南沟煤矿15 4125南沟煤矿15 5 0 96屯兰煤矿8 5 0 87屯兰煤矿15 40 78马兰10 7 0 29马兰12 5 1110马兰18 3 0 111镇城底矿2 8 10 312王坡煤矿6 2 0 713五阳煤矿116 0 214阳煤二矿8 12 0 315唐安煤矿12 0 716唐安煤矿15 0 317古城煤矿140 218古城煤矿141819璐宁煤矿2 15 0 820璐宁煤矿2 15 14以传统的经验公式为基础，采用线性回归方法拟合得到更加贴合该矿的采高与导水裂隙带发育高度的函数关系式，煤炭行业对于导水裂隙带高度的预测公式为：H,aM+b为便于线性回归分析，将式（1）进行变形：1=a61H,100+100 M式（2）中，导水裂隙带发育高度Hd的倒数2023年第7 期与采高M的倒数呈线性关系，根据表2 收集整理的数据进行拟合，结果如图3 所示，拟合公式中a/100=-0.000 9，则 a=-0.09，b/10 0=0.0 5 9 1，则倾斜长度/mb=5.91，得到修正后的倒数裂隙带发育高度计算公22.8433.0312.9543.2132.9933.4223.0722.875.835.445.364.566.835.795.775.185.475.504.515.534.724.333.353.422.532.663.433.85100M14515016015015015015015095.387.481.373.295.985.388.389.783.391.383.182.897.159.469.667.449.243.461.270.314515016015015015015015016.3516.0715.1716.0514.0414.7315.3017.3215.2316.6018.4314.9720.5713.7220.7819.7119.4516.3217.8418.26(1)(2)式为：采用式（3）进行15 号煤层8 0 8 0 1工作面导水裂隙带发育高度计算，可得该工作面导水裂隙带发育高度为 7 2.0 7 m。采用原经验公式进行15 号煤层顶板导水裂隙带高度计算，上覆岩层为中硬岩层：100ZM采用经验公式计算可得8 0 8 0 1工作面导水裂隙带发育高度为3 4.4 45.6 m，理论计算结果显著小于8 0 8 0 1工作面的实测结果，数值模拟结果相对于理论公式更接近实际值，但是修正后的公式计算结果更加接近实际值，可用于进行华阳二矿后续15号煤层回采工作面导水裂隙带高度预测。孔数据点0.030一线性回归曲线y=0.059 1x0.000 9,0.0250.020w/PH/l0.0150.0100.0050.0000.1图3 采高倒数与导高倒数的关系曲线Fig.3 The relationship curve between mining height reciprocaland penetration height reciprocal3.3上位煤层底板破坏深度分析华阳二矿并未在3 号煤层各回采工作面都进行底板破坏深度实测，为了更加准确的预测3 号煤层开采引起底板破坏深度，在煤矿矿井设计规范中底板破坏深度计算公式为基础，采用多元线性回归分析的手段拟合得出3 号煤层各回采工作面底板破坏深度计算公式。首先收集相似地质条件下煤矿回采工作面布置参数及底板破坏深度实测数据，见表3。将收集的数据及华阳二矿3 号煤层回采工作面底板破坏深度的实测数据导入Excel软件中，通过多元线性回归分析，得到在考虑埋深（H）、采高（M）、倾角（）、斜长（L）4个影响因子的回61H,;=-0.09M+5.91100M0.20.31/M/m(3)(4)0.40.52023年第7 期煤矿及工作面名称埋深/m倾角/（）采高/m倾斜长度/m实测底板破坏深度/m阳煤一矿3 0 11381阳煤一矿3 0 12383阳煤一矿3 3 0 6325曹村煤矿8 412210南沟煤矿6 5 13362屯兰煤矿45 0 8218屯兰煤矿6 10 3230赵固二矿2 0 14251赵固二矿110 3 9687归公式：H=0.018 7H+0.227 8 0+3.485 8M+0.043 5L-8.253 9(5)4采空区积水对下位煤层影响程度分区华阳二矿3 号煤层开采完成后，采空区形成大量积水，15 号煤层赋存稳定，但煤层厚度变化较大，致使15 号煤层开采引起的导水裂隙带发育高度存在明显差异，且3 号与15 号煤层间层间距同样波动变化。为更加明确3 号煤层采空区积水对15 号开采的影响，将采空区积水对于15 号煤层的影响分为4个类型：层间距-3 号煤层底板破坏深度-15号煤层顶板导水裂隙带高度0，存在极大的突水危险性定义为危险区；0 层间距-3 号煤层底板破坏深度-15 号煤层顶板导水裂隙带高度10，采空区积水仍向下渗流，定义为威胁区；10 层间距-3 号煤层底板破坏深度-15 号煤层顶板导水裂隙带高度2 0，层间岩层基本可隔绝上覆采空区积水，定义为微影响区；2 0 层间距-3 号煤层底板破坏深度+15 号煤层顶板导水裂隙带高度，层间岩层可较好的隔绝采空区积水，定义为安全区。结合3 号、15 号煤层层间岩层相关数据，根据上文模拟分析和公式计算，得到华阳二矿15 号煤层开采受上覆3 号煤层采空区积水影响程度分区，如图 4 所示。5 结 语借助FLAC3D软件进行华阳二矿3 号、15 号煤层开采的模拟分析，研究表明3 号煤层底板破坏深度为19.8 5 m，15 号煤层导水裂隙带高度为6 4.8煤炭与化工表3 收集整理底板破坏深度实测数据统计Table 3 Statistic of collected and sorted measured data offloor failure depth232933894第46 卷3.451803.031802.951802.191801.991501.421802.071201.871005.9160m，并使3 号煤层底板破坏深度增大为2 1.4m，15号煤层开采并不会完全导通3 号煤层采空区，但会引起3 号煤层采空区塑性破坏范围增大。采用线性回归方法得到更贴合华阳二矿的顶板导水裂隙带高度、底板破坏深度计算公式，结合3 号煤层、15号煤层层间岩层厚度等值线将采空区积水的威胁程度划分为危险区、威胁区、微影响区、安全区4个等级，并以判定标准进行了危险程度分区。所得结果对于15 号煤层上覆3 号煤层采空区积水的治理具有重要意义。采区二采区四采区危险区威胁区微影响区安全区翔断层定区图415 号煤层受3 号煤层采空区积水威胁程度分区Fig.4 Threat degree zoning map of No.15 coal seam by goafwater accumulation of No.3 coal seam参考文献：1 李建龙.小窑头煤业5 13 0 4工作面上覆采空区积水估算及治理研究 J.矿业装备，2 0 2 2（5）：16 4-16 6.2张楠.慈林山矿上覆采空区积水煤层开采突水危险性评价 J.煤炭与化工，2 0 2 2，45（7）：5 0-5 3，5 6.3黄浩.近距离煤层开采顶板采空区积水防治技术研究 J华北科技学院学报，2 0 2 2，19（3）：3 2-3 7.21.919.219.89.712.511.79.28.835.1口六采区八采区62