水下綜放工作面煤層運(yùn)移規(guī)律相似模擬的研究

閆勇生

(霍州煤電集團(tuán) 洪洞悅昌煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 洪洞 031600)

霍州煤電集團(tuán)洪洞悅昌煤業(yè)公司主要開(kāi)采位于地侵蝕基準(zhǔn)面以下的煤層，附近無(wú)大的地表水，地形地貌有利于自然排水。淺部地層是分布極不均勻的第四系松散層，厚度在0～44.70 m，平均15 m，主要為不含水的透水層，在平坦開(kāi)闊的低洼地帶，含有孔隙潛水。深部是裂隙不發(fā)育的煤系地層，地下水補(bǔ)給條件差，以靜儲(chǔ)量為主。礦床含水層單位涌出量小于0.01 L/s·m，含水層富水性差。綜合分析，該礦水文地質(zhì)類(lèi)型以孔隙、裂隙含水層為主的中等水文地質(zhì)條件。

相似模擬是建立與原型相似的材料模型,間接通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)研究客體原型。模擬實(shí)驗(yàn)可以根據(jù)實(shí)際礦井的具體因素來(lái)人為地改變?cè)囼?yàn)條件，從而可以獲得比較接近的數(shù)據(jù)和相應(yīng)的礦床水下上覆巖層的規(guī)律。

1 模型實(shí)驗(yàn)原理及基本參數(shù)的確定

1.1 模擬研究的目的

根據(jù)該礦井觀測(cè)的數(shù)據(jù)，分析綜放工作面采場(chǎng)上覆巖層的基本規(guī)律，再通過(guò)相似模擬實(shí)驗(yàn)，最終得出綜放工作面普遍所遵循的規(guī)律，為在水體下順利安全開(kāi)采提供合理可靠的依據(jù)。

1.2 模擬技術(shù)

該礦井大部分可采煤層為2-3、10-11號(hào)煤，其頂、底板巖石結(jié)構(gòu)主要包括砂質(zhì)泥巖和泥巖，局部由粗砂巖和細(xì)砂巖組成。根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件，建立正確的模型規(guī)格。試驗(yàn)臺(tái)尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=4 200 mm×250 mm×2 000 mm。模擬的巖層主要以砂質(zhì)巖為主，該煤礦的2-3煤層上覆巖層力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 該煤礦2-3煤層上覆巖層性質(zhì)表

1.3 模型設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的模型見(jiàn)圖1，為了更好地研究不同采高條件下頂板的垮落和三帶分布，特別是導(dǎo)水裂隙帶高度，為水體下安全采煤提供科學(xué)依據(jù)，實(shí)驗(yàn)安排4組模型，采高分別為3 m、4 m、5 m和7 m。試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂偤穸葹?40 cm，各煤巖層的實(shí)際尺寸嚴(yán)格按幾何比折算后的厚度來(lái)鋪設(shè)施工。每次鋪設(shè)厚度不大于2 cm ,盡量使其平穩(wěn)均勻，以保持較好的煤層傾角，層與層之間撒云母粉使模型層理分明。

圖1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D

2 相似模型的觀察及測(cè)試

水體下礦床上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶高度的相似材料模擬研究關(guān)鍵在于掌握煤層上覆巖層的移動(dòng)破壞規(guī)律，確定導(dǎo)水裂隙帶的位置。本實(shí)驗(yàn)采用7V14數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、結(jié)果輸出系統(tǒng)采集和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.1 采高3 m厚情況

模型體中黑色部分代表煤層，煤層厚度3 m，同時(shí)布置了10 m×10 m的觀測(cè)點(diǎn)。為消除邊界效應(yīng)，選擇距離煤層上邊界50 m處開(kāi)切眼，模擬工作面的回采過(guò)程。通過(guò)相似模擬實(shí)驗(yàn)可以觀測(cè)到工作面自開(kāi)切眼推進(jìn)至35 m處時(shí)，頂板發(fā)生垮落，垮落的厚度為3～4 m，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果判定采高為3 m時(shí)，工作面的初次來(lái)壓步距為35 m。工作面繼續(xù)向前回采，當(dāng)工作面推進(jìn)至120 m時(shí)，頂板發(fā)生周期垮落；根據(jù)試驗(yàn)垮落情況，工作面的周期來(lái)壓步距為10～15 m。實(shí)驗(yàn)分別測(cè)試工作面回采到140 m和180 m時(shí)垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶的分布情況，以實(shí)驗(yàn)中斜向貫通裂隙發(fā)育最大的高度作為導(dǎo)水裂隙帶高度，以周期垮落的巖層作為垮落帶高度，垮落帶高度和導(dǎo)水裂隙帶高度分別為15 m和48 m,見(jiàn)圖2。

圖2 3 m采高垮落帶及導(dǎo)水裂隙帶分布圖

2.2 采高4 m情況

第二個(gè)相似材料模型把采高改為4 m。黑色部位代表煤層，進(jìn)行同樣的操作，當(dāng)工作面推進(jìn)至35 m時(shí)，頂板開(kāi)始發(fā)生垮落，因此，根據(jù)實(shí)驗(yàn)判斷頂板的初次垮落步距為35 m，實(shí)驗(yàn)中顯示頂板周期垮落步距在10～15 m。根據(jù)實(shí)驗(yàn)4 m采高垮落帶及導(dǎo)水裂隙帶分布圖，得出垮落帶高度和導(dǎo)水裂隙帶高度分別為20 m和58 m，見(jiàn)圖3。

圖3 4 m采高垮落帶及導(dǎo)水裂隙帶分布圖

2.3 采高5 m情況

第三個(gè)相似材料模型把采高改為5 m。黑色部位表示煤層，進(jìn)行同樣的操作，當(dāng)工作面推進(jìn)至40 m時(shí)，頂板開(kāi)始發(fā)生垮落，因此,根據(jù)實(shí)驗(yàn)判斷頂板的初次垮落步距為40 m，實(shí)驗(yàn)中顯示頂板周期垮落步距在10～15 m。根據(jù)實(shí)驗(yàn)5 m采高垮落帶及導(dǎo)水裂隙帶分布圖，得出垮落帶高度和導(dǎo)水裂隙帶高度分別為24 m和67 m,見(jiàn)圖4。

圖4 5 m采高垮落帶及導(dǎo)水裂隙帶分布圖

2.4 采高7 m厚情況

第四個(gè)相似材料模型采用7 m的采高。黑色部位代表煤層，繼續(xù)進(jìn)行同樣的操作，當(dāng)工作面推進(jìn)至40 m時(shí)，頂板發(fā)生垮落，因此根據(jù)實(shí)驗(yàn)判斷頂板的初次垮落步距為40 m，實(shí)驗(yàn)中顯示頂板周期垮落步距同之前實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相同，也在10～15 m。根據(jù)實(shí)驗(yàn)7 m采高垮落帶及導(dǎo)水裂隙帶分布圖，得出垮落帶高度和導(dǎo)水裂隙帶高度分別為28 m和94 m，見(jiàn)圖5。

圖5 7 m采高垮落帶及導(dǎo)水裂隙帶分布圖

3 相似模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)論及總結(jié)

3.1 通過(guò)相似模擬實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果

1) 當(dāng)采高為3 m和4 m時(shí)，頂板初次垮落步距為35 m，采高為5 m和7 m時(shí)，頂板初次垮落步距為40 m，在當(dāng)前的頂板條件下，頂板的初次垮落步距為35～40 m。

2) 采高在3 m、4 m、5 m和7 m情況下頂板的周期垮落步距一致，都為10～15 m。

3) 上覆巖層垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶的高度隨采高的增大而增大。上覆巖層垮落帶高度和導(dǎo)水裂隙帶高度：當(dāng)采高為3 m時(shí)，分別為15 m和48 m；當(dāng)采高為4 m時(shí)，分別為20 m和58 m；當(dāng)采高為5 m時(shí)，分別為24 m和67 m；當(dāng)采高為7 m時(shí)，分別為28 m和94 m。

3.2 結(jié)論

1) 為達(dá)到控制導(dǎo)水裂隙帶高度和實(shí)現(xiàn)水下安全采煤的目的，該礦在水體下開(kāi)采2-3煤層時(shí)需進(jìn)行采高控制：

當(dāng)上覆巖層厚度小于80 m時(shí)，一般在水體附近，采高應(yīng)小于或等于3 m。

當(dāng)上覆巖層厚度范圍在80～100 m時(shí)，采高應(yīng)小于或等于4 m。

當(dāng)上覆巖層厚度范圍在100～120 m時(shí)，采高應(yīng)小于或等于5 m。

當(dāng)上覆巖層厚度大于120 m時(shí)，由實(shí)驗(yàn)及實(shí)際觀測(cè)得出，因?yàn)榇嬖诟羲P(guān)鍵層，可以采全高。

2) 為了實(shí)現(xiàn)水體下安全開(kāi)采，還需在實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中注意以下幾個(gè)方面：

a) 在進(jìn)入水體下工作面開(kāi)采以前，應(yīng)在臨近水下工作面開(kāi)采過(guò)程中進(jìn)行導(dǎo)水裂隙帶的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，得到該煤礦的裂采比，為水體下工作面的安全開(kāi)采提供真實(shí)可靠的依據(jù)。

b) 對(duì)原有的地質(zhì)鉆孔和開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生的冒落裂隙帶應(yīng)及時(shí)充填封閉，避免地下水、地表水流入礦井。

c) 應(yīng)做好地表松散層潛水和頂板砂巖水局部富水區(qū)域的防治，建議對(duì)河床下松散層潛水和厚層頂板的富水性進(jìn)行水文地質(zhì)勘察，當(dāng)頂板有厚狀富水砂巖或潛水時(shí)，遵循“先探后掘”的原則，先用鉆機(jī)探水，疏干，再向前推進(jìn)工作面。

d) 采煤實(shí)踐證明，工作面推進(jìn)速度不同，開(kāi)采覆巖穩(wěn)定時(shí)間也有差異，甚至對(duì)覆巖破壞的最大高度也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。應(yīng)采取適當(dāng)?shù)墓ぷ髅嫱七M(jìn)速度來(lái)控制采動(dòng)形成的覆巖破壞范圍，以不波及到上覆含水層為基本原則。

參 考 文 獻(xiàn)

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