姚橋煤礦7706 工作面淺部煤層水體下開采可行性分析

孫小軍

上海大屯能源股份有限公司

為了對姚橋煤礦7706 工作面微山湖下安全開采的可行性進(jìn)行論證，運(yùn)用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對工作面淺部區(qū)域開采后覆巖破壞高度進(jìn)行預(yù)測。結(jié)果表明，無論是理論分析還是數(shù)值模擬計(jì)算，工作面開采后，導(dǎo)水裂縫帶高度均達(dá)不到強(qiáng)含水層-第四系底含，更不能波及湖水，論證了7706 工作面湖區(qū)下安全開采的可行性。

煤炭資源是礦井生存的基礎(chǔ)，面臨資源日益枯竭的老礦井，對“三下”壓煤進(jìn)行挖潛，增加礦井可采資源儲量，是礦井能否生存和發(fā)展的前提，是老礦井當(dāng)前十分緊迫和必要的任務(wù)。姚橋煤礦分為湖區(qū)和非湖區(qū)兩部分，現(xiàn)在非湖區(qū)7 煤已經(jīng)開采殆盡，湖區(qū)部分也只有部分工作面和淺部煤炭未進(jìn)行開采。7706 工作面位于新東四采區(qū)淺部，根據(jù)過去對礦井淺部露頭區(qū)開采上限設(shè)定，在7706 工作面-174 水平以淺未進(jìn)行開采。為了礦井接替，同時(shí)提高老礦井服務(wù)年限，對7706 工作面淺部開采進(jìn)行了論證。重點(diǎn)研究了工作面開采引起的覆巖破壞高度，論證其水體下開采安全性。

工作面概況

姚橋煤礦新東四采區(qū)位于區(qū)域水文地質(zhì)單元中部偏南，為姚橋煤礦井田地東部擴(kuò)區(qū)，與西部井田屬于同一水文地質(zhì)塊段。本區(qū)主要開采煤層為7、8 號煤，煤層屬緩傾斜煤層，淺部煤層傾角較大，約13°左右。開采的煤層為7 號煤，煤層厚度約4.3～6.07m，平均5.37m，直接頂巖性為泥巖或砂質(zhì)泥巖，以砂質(zhì)泥巖為主，基本頂為灰白色細(xì)砂巖，底板巖性主要是泥巖和砂質(zhì)泥巖。7706 工作面是7501綜放工作面東部的后續(xù)工作面，擬采用俯斜開采，工作面長度為180m 左右。該工作面位于微山湖的淺部區(qū)域，工作面標(biāo)高距湖底的距離約204m，工作面開采后，受采動影響，覆巖裂隙將向頂板方向發(fā)展，若發(fā)展裂隙波及富水性強(qiáng)的松散含水層甚至湖水，工作面就有突水的危險(xiǎn)性，因此有必要對工作面開采后覆巖破壞的發(fā)育高度進(jìn)行預(yù)測。

覆巖破壞高度的理論分析

類比法預(yù)測“兩帶”高度

根據(jù)孔莊礦7501 綜放工作面地面“兩帶”孔實(shí)測結(jié)果，7 號煤綜放開采的導(dǎo)水裂縫帶高度為61m，采高為5m，裂采比為12.2；垮落帶高度為32m，垮采比為6.4。姚橋礦在7507 工作面井下仰上孔實(shí)測的導(dǎo)水裂縫帶高度為63.6m，采高4.7m，裂采比為13.53?？梢妰蓚€(gè)礦導(dǎo)水裂縫帶高度比較接近。

由此可以得到全煤厚綜放條件下姚橋礦7706 工作面導(dǎo)水裂縫帶高度：

預(yù)計(jì)垮落帶高度為：

經(jīng)驗(yàn)公式法預(yù)測“兩帶”高度

按照《三下采煤規(guī)程》規(guī)定選取中硬類覆巖的“兩帶”高度計(jì)算公式，可得到7706 工作面當(dāng)開采厚度為5.2m 時(shí)的導(dǎo)水裂縫帶、垮落帶的計(jì)算值：

由此可見，由《三下采煤規(guī)程》中經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)計(jì)的裂縫帶和垮落帶高度偏于不安全。因而，綜合確定采高為5.2m 時(shí)理論計(jì)算裂縫帶和垮落帶高度分別為70.3m 和33.3m。

覆巖破壞高度的模擬研究

FLAC3D 建模過程

FLAC3D 是一款三維顯式有限差分程序，主要用來模擬工程中遇到的地質(zhì)材料力學(xué)問題。該軟件將連續(xù)的介質(zhì)劃分為若干個(gè)單元，不同單元之間依靠節(jié)點(diǎn)連接，以節(jié)點(diǎn)的位移連續(xù)性取代質(zhì)點(diǎn)的位移連續(xù)性，通過調(diào)整單元的剖分密度來控制數(shù)值模擬的精度。為了建立FLAC3D 計(jì)算模型，必須進(jìn)行以下工作：建立有限差分網(wǎng)格（建立分層模型）；確定本構(gòu)特性與材料性質(zhì)（材料特性及巖石強(qiáng)度準(zhǔn)則）；確定邊界條件與初始條件；給定命令計(jì)算，達(dá)到開挖前原巖應(yīng)力狀態(tài)。然后進(jìn)行工程開挖或改變邊界條件來進(jìn)行工程的響應(yīng)分析，采用顯式有限差分程序進(jìn)行求解。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)

圖1 工作面開采模型圖

模型參數(shù)

為了模擬實(shí)際開采過程中覆巖破壞高度，建立如圖1所示的模型。工作面傾斜布置，寬度取180m，考慮到邊界效應(yīng)的影響，最終模型的長度為600m，高度為295m。整個(gè)模型共劃分為19800 個(gè)單元，23188 個(gè)節(jié)點(diǎn)，為加快計(jì)算速度，按區(qū)域需要考慮的輕重來調(diào)整單元的疏密。建模過程中的力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

結(jié)果分析

（1）破壞場結(jié)果分析

通過對破壞場的分析，可以直觀地看出頂板塑性區(qū)的分布及裂隙的發(fā)育情況。根據(jù)單元體不同的破壞形態(tài)，可以分為拉伸破壞區(qū)、剪切破壞區(qū)和未破壞區(qū)。拉伸破壞區(qū)是由于拉應(yīng)力超過了巖體的抗拉強(qiáng)度導(dǎo)致的，剪切破壞區(qū)主要是頂板巖體收到剪應(yīng)力作用導(dǎo)致巖體變形破壞。一般認(rèn)為，垮落帶為拉伸破壞區(qū)，而裂隙帶為剪切破壞區(qū)。

圖2 是姚橋煤礦工作面推進(jìn)不同的距離頂部巖體的發(fā)育情況。模擬過程中發(fā)現(xiàn)，隨著工作面的逐漸推進(jìn)，工作面頂板、底板及工作面兩幫處均產(chǎn)生明顯的塑性破壞，從頂板向上依次發(fā)育著垮落帶和裂隙帶，破壞范圍呈“馬鞍”狀。推進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)工作面推進(jìn)至150m 左右破壞帶高度不再向上發(fā)展，即頂板發(fā)育高度達(dá)到最大，繼續(xù)推進(jìn)，只是水平方向的橫向發(fā)展。

（2）位移場模擬結(jié)果分析

圖2 工作面推進(jìn)過程中破壞場分布

隨著工作面的回采，工作面頂?shù)装宓奈灰埔苍诓粩喟l(fā)生變化。如圖3 是姚橋煤礦7706 工作面推進(jìn)120m 和180m 時(shí)位移場模擬結(jié)果。

通過位移場發(fā)現(xiàn)，隨著開采工作的進(jìn)行，工作面頂板的位移逐漸加大，通過顏色可以判別某一位置的豎直位移大小。受到煤層傾角的影響，數(shù)值位移分布有明顯的不對稱性。工作面開采后，采空區(qū)內(nèi)的矸石逐漸得到壓實(shí)，工作面推進(jìn)180m 時(shí)同一位置的位移值相對工作面推進(jìn)120m 更大，說明發(fā)育還在繼續(xù)，模擬過程中發(fā)現(xiàn)，推進(jìn)至150m 左右時(shí)頂板最大位移不再發(fā)生變化，說明達(dá)到了充分采動狀態(tài)。

（3）最大主應(yīng)力場模擬結(jié)果分析

如圖4 是姚橋煤礦新東采區(qū)7706 工作面推進(jìn)120m 和180m 時(shí)最大主應(yīng)力場模擬結(jié)果。

表2 7706 工作面不同方法得到的覆巖破壞高度匯總

圖3 工作面推進(jìn)過程中位移場分布

通過最大主應(yīng)力場模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)上方與塑形破壞區(qū)相似，均出出現(xiàn)了一個(gè)近似馬鞍狀的區(qū)域。工作面前方一定距離處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，而采空區(qū)上部應(yīng)力相對較低，分析原因主要是由于頂板破壞后形成梁的結(jié)構(gòu)，講應(yīng)力向兩邊轉(zhuǎn)移，從而中部出現(xiàn)應(yīng)力降低的現(xiàn)象，根據(jù)破壞準(zhǔn)則，可確定某一區(qū)域是否發(fā)生破壞。

通過以上對7706 工作面在兩種不同推進(jìn)距離情況下的破壞場、垂直位移場和最大主應(yīng)力場的模擬結(jié)果，可計(jì)算得到7706 工作面的導(dǎo)水裂縫帶高度和垮落帶高度分別為60m 和25m（見表2）。

綜合以上分析發(fā)現(xiàn)，無論采用理論計(jì)算還是數(shù)值模擬方法得到的姚橋煤礦7706 工作面的頂板發(fā)育高度均遠(yuǎn)小于工作面至第四系強(qiáng)含水層的距離101m，更不能波及湖水，因此7706 工作面可安全開采。

圖4 工作面推進(jìn)過程中最大主應(yīng)力場分布

結(jié)語

（1）為了論證姚橋煤礦7706 工作面湖區(qū)下安全開采的可行性，通過理論計(jì)算工作面的導(dǎo)水裂縫帶高度為70.3m，裂采比為13.53；垮落帶高度為33.3m，垮采比為6.4。

（2）對7706 工作面進(jìn)行數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，隨著采煤工作的進(jìn)行，從煤層頂板開始，依次分布著拉伸破壞區(qū)、剪切破壞區(qū)和未破壞區(qū)域，通過對破壞場、位移場和最大主應(yīng)力場分析，最終確定模擬結(jié)果的導(dǎo)水裂縫帶高度為60m，裂采比為12.5；垮落帶高度為25m，垮采比為5.2。

（3）通過不同方式對工作面開采后覆巖破壞高度進(jìn)行預(yù)測表明，頂板發(fā)育高度遠(yuǎn)小于工作面至湖區(qū)底，因此確定7706 工作面可安全開采，開采過程中無大的構(gòu)造不會發(fā)生大的突水事故。