采煤工作面距开放断层安全距离分析.pdf

2023.9 矿业装备/630 引言煤矿突水事故的发生，不仅需要有突水水源的存在，而且与绝大多数和断层、陷落柱等导水构造有关，它们是矿井突水灾害事故发生的主要导水通道。在矿井的生产当中，突水事故不仅给企业带来了巨大的经济损失，而且严重威胁矿工的生命安全1-4，影响职工的家庭幸福。根据中国煤矿安全生产网上公布的煤矿突水事故，可以发现 80%的突水事故与导水的开放断层有关，为此在矿井的生产过程当中，断层已经引起了国内外专家、学者和矿井安全生产监督管理人员的高度重视5-9。对于小窑头煤业有限公司来说，81303 工作面的F4断层是一条开放性断层，断层面附近形成的破碎带充水性强，富水程度高。由于 81303 工作面上部存在积水的采空区，在采空区积水水压的影响下，当工作面距离F4断层的距离小于安全距离时，便有可能会发生断层的防隔水煤柱失稳，造成突水事故，影响矿井的安全生产。为此，从应力应变的角度出发，对小窑头煤业有限公司81303 工作面 F4 断层的具体情况进行分析，探讨了断层附近影响范围内煤层的分区，并且计算了 F4断层影响范围的大小，为工作面的布置和 F4断层防治水提供了依据。1 工作面概况81303 工作面小窑头煤业有限公司的西翼，设计走向长 714m，倾向宽 148.5m，煤层厚度 1.62.5m，平均 2.2m，煤层倾角 1 5，全区可采。81303 工作面对应地面标高为+1225+1290m，工作面煤层标高为+978+996m；工 作 面 开 采 深 度 247294m；81303 工 作面对应的地面区域内无村庄，无河流，但工作面通尺160220m 范围对应地表为沟谷带。81303 工作面边界处存在一条正断层，即 F4断层，断层走向 70，倾向 160，倾角 67 70，落差 1012m，对工作面回采影响较大。2 断层煤柱应力应变分析断层煤柱位于断层边缘，煤柱中的煤层不仅在形成时其自身会存在一定数量的原生裂隙，在断层的形成过程中，由于断层切割和应力场改变等原因也会产生一部分新的裂隙，影响煤柱的稳定性10-12。因此，有必要对其进行应力和应变状态的分析。2.1 煤柱应力状态分析通常情况下煤柱的一侧为采掘空间，另一侧则要减弱对矿井产生水、砂或应力等不利影响的因素。在煤层顶板岩层自身重力作用下，结合煤层采掘空间分布的影响，通常可以根据煤柱内应力状态的不同将煤柱划分为不同的区域。正常情况下，靠近采掘空间处的煤柱，由于煤层的开采形成了采空区上部岩层的重力转移而主要施加于其上，煤层常常由于应力集中已经产生了裂隙，本文将其称为破碎区，随着距离煤层的采掘空间距离的增加，煤柱内部的应力集中程度逐渐减小，应力集中程昝超（山西煤炭运销集团小窑头煤业有限公司，山西大同 037000）摘要：断层是煤矿中常见的破裂构造，也是主要的突水通道。为了分析 81303 工作面 F4断层的影响范围，防止采煤过程中发生突水事故，采用应力分析方法将断层的影响范围分为矿压影响区、有效隔水区和断层影响区，结合 81303 工作面的实际情况，计算了矿压影响区的宽度为 3.23m，有效隔水区的宽度为 9.09m，断层影响区的宽度为 5.06m，工作面防治水安全距离为 17.38m，为采煤工作面的布置及防治断层出水提供了依据。关键词：断层；突水通道；工作面防治水采煤工作面距开放断层安全距离分析64/矿业装备 MINING EQUIPMENT工 艺度通常能够达到煤体的塑性强度范围，进而形成了塑性区，这两个区域内煤层都产生了一定的变形，失去了隔水能力，因此通常将其称为屈服区；随着距离采掘空间的距离进一步增加，煤柱内部由于顶板岩层自重产生的应力集中程度已经十分微弱，可以忽略应力集中对其造成的影响，将其视为弹性核区，具体结构如图 1 所示，对于断层防水煤柱来说，真正能够起到防隔水作用的是弹性核区部分。2.2 断层切割作用和断层附近应力对煤柱破坏的影响断层是岩层或岩体沿着破裂面发生了明显位移的断裂构造，在断层的发生和发展过程中，在断层面两侧岩层移动和应力场改变和扰动的条件下，煤柱靠近断层面的区域受影响最为强烈，一定范围内的岩层发生了明显的扰动，产生了明显的裂隙，因而失去了原有的隔水作用，分析煤体力学强度和断层距离以及裂隙的密度与断层距离的关系可以看出，随着距离断层面距离的增加，煤体内部裂隙的密度逐渐减小，煤体的强度逐渐增加，煤柱中煤体的隔水性能逐渐增加，结构模型如图 2 所示。2.3 煤柱沿宽度方向分区通过以上的采掘活动、断层发育和应力场对煤柱的影响可以看出，煤柱的矿压影响区和断层影响区范围内均失去了隔水作用，为了保证防水煤柱的安全性，保证小窑头煤业有限公司 81303 工作面的安全开采，建立如图 3的数学模型，分析煤柱内部每个区域的宽度，具体如下。从图 3 中可以分析出，能够抵挡断层水的比较合理煤柱宽度L如公式（1）：L=L1+L2+L3 （1）3 F4 断层防水区合理宽度的确定3.1 矿压影响区煤柱宽度计算不同区域和不同地质条件下采掘空间附近矿山压力的影响区宽度有所差别，通过大量的探查分析和实验测试，得到的结果较为一致，主要都和煤层的开采厚度和煤层的埋深有关，并且为正相关关系，即随着煤层开采厚度和煤层埋藏深度的增加，矿压影响屈服区范围增加，可以用英国 AH 威尔逊公式进行计算，具体如公式（2）：L1=0.005MH （2）式（2）中：M和H分别为煤层采厚和埋深，m。3.2 有效隔水区煤柱宽度计算根据煤柱的受力状态和隔水原理，可以将断层防隔水煤柱留设简化为如图 4 所示的力学模型，根据煤层埋深和顶板岩石地球物理特征以及断层的水文地质参数，通过材料力学的方法可求得煤柱内任意点的正应力如公式（3）：（3）式（3）中：Mx为断面弯矩；X为中性轴距离；Jz为中性轴断面矩。根据材料力学分析结果可知，单位宽度梁的断面矩如公式（4）：Jz=L3/12 （4）梁内任意一点的正应力如公式（5）：（5）图1 粗煤分选系统的工艺流程图图 3 断层防水煤柱留设示意图图 2 构造应力作用下煤体不同物性区域图 4 煤柱上任意点的应力分析=MxX12MxXJzL232023.9 矿业装备/65鉴于煤柱为煤层与顶、底板岩层的组合的特点，可以将其看作“简支梁”模型进行力学分析和计算，在开放性断层中充水水压的作用下，煤柱与顶、底板岩层结合的位置附近其弯矩最大，根据材料力学原理，其计算如公式（6）：（6）同样位置对应的最大拉应力max如公式（7）：（7）由以上分析可知，在计算点处煤柱中煤体的极限抗拉强度等于正应力时，即max=KP时，煤柱中的煤体表开始被拉裂，进而产生破坏，具体如公式（8）：（8）通过变换可求得煤柱临界宽度如公式（9）：（9）在井下实际的环境中，煤层中的煤体存在一定的结构面和原生脆弱面，并且受力学强度测试样品取值的限制，指导生产时要留有一定的安全系数，通常为 25，在考虑断层倾角的情况下，有效隔水煤柱的宽度如公式（10）：（10）3.3 断层影响区煤柱宽度计算在对大量的断层的研究结果进行统计分析后发现，断层带的发育宽度主要受断层切割的岩性、断层的落差以及断层的滑移距离等因素有关，并且符合公式（11）的统计规律：L3=h3/5 （11）式（11）中：为计算系数；松软岩层和煤层统计结果为 1.14，中硬岩层统计结果为 0.76；坚硬岩层统计结果为 0.38；h为断层落差，m。结合小窑头煤业有限公司 81303 工作面的地质情况和水文地质情况，此处取平均煤厚 2.2m，最大埋深294m，平均安全系数 3.5，煤的抗拉强度样品实测最小值 0.35MPa，断层落差最大值 12m 为计算参数，将这些参数带入上述公式。具体如下：带入公式（2）：L1=0.0052.2294=3.23m；带入公式（10）：L2=8.73/sin67=9.09m；带入公式（11）：L3=1.14123/5=5.06m；带入公式（1）：L=L1+L2+L3=17.38m。上述理论分析，计算可得小窑头煤业有限公司 81303工作面断层煤柱需要的宽度应不小于 17.38m，为工作面的布置提供了参考依据。4 结束语通过建立模型进行力学理论分析，把工作面距离断层的距离范围内的煤柱划分为矿压影响区、有效隔水区和断层影响区，计算了三个区的宽度分别为 3.23m、9.09m 和 5.06m。为防止断层出水影响工作面回采，根据模型计算出 81303 工作面距离 F4开放断层的安全距离应该大于计算结果中三个区的总和，即 17.38m，为指导工作面的设计提供了依据。参考文献1 董书宁,虎维岳.中国煤矿水害基本特征及其主要影响因素J.煤田地质与勘探,2007(5):34-38.2 陈江峰,黄玉峰,熊法政.承压水导升过程中微裂隙扩张分析 J.地质与勘探,2017,53(1):157-163.3 虎维岳,田干.我国煤矿水害类型及其防治对策 J.煤炭科学技术,2010,38(1):92-96.4 武强,张志龙,马积福.煤层底板突水评价的新型实用方法主控指标体系的建设 J.煤炭学报,2007(1):42-47.5 李海龙,白海波,钱宏伟,等.含水煤层底板岩层力学性质分析:以小纪汗煤矿为例 J.采矿与安全工程学报,2016,33(3):501-508.6 闫帅,柏建彪,张自政,等.含水层上巷道过断层围岩破坏机制及控制J.采矿与安全工程学报,2016,33(6):979-984,991.7 李海燕,张红军,李术才,等.断层滞后型突水渗-流转化机制及数值模拟研究 J.采矿与安全工程学报,2017,34(2):323-329.8 刘泽威.大采深高水压矿井断层滞后突水机理研究 D.煤炭科学研究总院矿产普查与勘探,2020.9 白继文,李术才,刘人太,等.深部岩体断层滞后突水多场信息监测预警研究 J.岩石力学与工程学报,2015(11):2327-2335.10 张庆松,张连震,张霄,等.基于浆液黏度时空变化的水平裂隙岩体注浆扩散机制 J.岩石力学与工程学报,2015(6):1198-1210.11 潘锐.深部巷道破碎围岩锚注机制及控制技术研究 J.岩石力学与工程学报,2021,40(4):864.12 刘滨,桑昊旻,康永水,等.岩体裂隙网络注浆模拟试验系统研制及应用 J.岩石力学与工程学报,2020,39(3):540-549.max=KP=max=12MxXPM2PM2PH2L234L224L228L2=M3P2KPL2=0.5KM sin3PKP