導(dǎo)水裂隙帶影響下的煤層穩(wěn)定性及安全開采措施研究

李金松

(大同煤礦集團地質(zhì)勘測處地質(zhì)科，山西 大同 037003)

煤礦水災(zāi)害是礦井幾大主要災(zāi)害之一，嚴重威脅著礦井的安全開采，在開采中要按照“預(yù)測預(yù)報、有掘必探、有采必探、先探后掘、先治后采”的原則，加強礦井地質(zhì)及水文地質(zhì)工作。

1 礦井充水條件

（1）頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度

采動條件下，覆巖破壞后在采空區(qū)上方形成“三帶”，其中冒落帶和裂隙帶是采動破壞形成的人工導(dǎo)水通道。當其波及采空區(qū)上方的地表水體或含水層時就會引起頂板突水。因此評價覆巖破壞是否會引起頂板突水，關(guān)鍵是確定導(dǎo)水裂縫帶最大發(fā)育高度。

未來三年內(nèi)15、15下煤層開采采用一次采全高，頂板采用全部垮落法管理。據(jù)補勘報告對煤層頂?shù)装鍘r石力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計（見表1），該井田未來三年內(nèi)開采15、15下煤層，其覆巖巖性屬軟弱～中硬巖性，但夾有極軟弱的泥巖、砂質(zhì)泥巖及堅硬的中粒砂巖。覆巖總體巖性介于軟弱與中硬之間，考慮安全系數(shù)，本次計算取覆巖巖性為中硬。

表1 煤層頂?shù)装鍘r石力學(xué)性質(zhì)

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》煤層覆巖巖性中硬垮落帶高度計算公式為：

依據(jù)公式（1）所得15及15下煤層垮落帶高度發(fā)育預(yù)測值見表2所示。

表2 煤層跨落帶高度發(fā)育預(yù)測

15下煤層開采垮落帶大于15、15下煤層間距。根據(jù)下層煤的垮落帶接觸到或完全進入上層煤范圍內(nèi)時，上層煤的導(dǎo)水裂縫帶最大高度采用本層煤的開采厚度計算，下層煤的導(dǎo)水裂縫帶最大高度，則應(yīng)采用上、下層煤的綜合開采厚度計算，取其中標高最高者為兩層煤的導(dǎo)水裂縫帶最大高度。

據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》中綜合開采厚度計算公式：

式中：

M1-上層煤開采厚度，取3.65m；

M2-下層煤開采厚度，取6.10m；

h1-2-上、下層煤之間的法線距離，取3.31m；

y2-下層煤的冒高與采厚之比，取15/6.1；

經(jīng)計算，15、15下煤層綜合開采厚度為7.29m。

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》，采用經(jīng)驗法確定煤層上覆導(dǎo)水裂縫帶最大高度。

煤層覆巖巖性中硬導(dǎo)水裂縫帶高度計算公式為：

式中：

∑M-累計采厚，應(yīng)用范圍為單層采厚1～3m，累計采厚不超過15m。

各煤層開采的導(dǎo)水裂縫帶最大高度計算值見圖1。

圖1 導(dǎo)水裂縫帶最大高度

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》導(dǎo)水裂隙帶最大高度取64m。

（2）底板采動導(dǎo)水破壞帶發(fā)育深度

采礦對底板擾動破壞厚度Hi按《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》規(guī)定公式：

式中：

Hi-底板采動導(dǎo)水破壞帶深度，m；

L-壁式工作面斜長，取150m；

各煤層開采的底板采動導(dǎo)水破壞帶發(fā)育深度見圖2。

圖2 底板采動導(dǎo)水破壞帶發(fā)育深度

15、15下煤層開采后導(dǎo)水裂隙帶最大高度達64m，詳見圖1，未波及9號煤層(最小距離67.35m)。因此從理論上計算開采15、15下煤層時工作面是安全的。但考慮到9煤采后形成的底板導(dǎo)水破壞帶深度為16.88m（式（1）），當存在陷落柱、斷層等導(dǎo)水構(gòu)造裂隙時，可導(dǎo)通上覆煤層采空區(qū)積水和各含水層間水力聯(lián)系。

2 礦井水對采場圍巖穩(wěn)定性影響的理論分析

煤體夾持理論認為，煤層處于覆巖和底板的夾持之中，而煤體與圍巖的力學(xué)特性正是由此夾持特性決定的。

式中：

p-煤體支撐壓力，MPa；

σc-煤體抗壓強度，MPa；

τ-煤體抗剪強度，MPa；

φ-煤體內(nèi)摩擦角，（°）；

x-研究位置距煤壁的距離，m。

M-開采煤層高度，m。

以煤壁前方的極限平衡理論為基礎(chǔ)，可計算得到極限平衡區(qū)的寬度。

式中：

S-極限平衡區(qū)寬度，m；

σy-垂直應(yīng)力，MPa；

N-煤壁的支撐力，MPa；

M-開采煤層高度，m；

f-煤層與頂板間的摩擦系數(shù)；

φ-煤體內(nèi)摩擦角，（°）。

通過分析公式可得：參數(shù)T隨著煤體內(nèi)摩擦角的減小而變大，而極限平衡區(qū)寬度與參數(shù)T呈正相關(guān)關(guān)系，在煤壁支撐力變化不大的情況下，極限平衡區(qū)寬度也在增加；即隨著礦井水含量的增加，煤幫集中應(yīng)力前移，高壓區(qū)和彈性能量積聚范圍向遠離煤壁方向轉(zhuǎn)移。

3 礦井水對采場圍巖穩(wěn)定性影響的數(shù)值模擬研究

本次以含水率為指標研究礦井水對采場圍巖穩(wěn)定性的影響。

圖3 采場圍巖的垂直變形云圖

從圖中看出出現(xiàn)下沉的上覆巖層范圍隨著煤層含水率的升高不斷擴大，進一步導(dǎo)致上覆巖層的下沉量也逐步增加。隨著含水率的增加，關(guān)鍵層也隨之產(chǎn)生更大的彎曲變形，更加容易達到極限垮落步距而發(fā)生破斷。

模型的破壞可分為拉伸破壞、剪切破壞及拉剪破壞的復(fù)合。對于頂板而言，隨著煤層含水率的升高，采空區(qū)直接頂塑性破壞區(qū)域逐漸擴大，且破壞形式從以拉伸破壞為主過渡為以剪切破壞為主，出現(xiàn)剪破壞的區(qū)域向采空區(qū)轉(zhuǎn)移，采空區(qū)頂板應(yīng)力集中程度加劇。

圖4 采場圍巖的塑性屈服云圖

4 塔山礦井15及15下煤層安全開采措施及建議

當?shù)V井含水量較大時，圍巖的變形量和塑性屈服范圍就越大。為了盡可能地控制采空區(qū)圍巖的穩(wěn)定性，由此提出針對的防治水措施：

（1）開采15號煤層時充水水源主要為太原組K2上灰?guī)r、K2灰?guī)r、K3灰?guī)r、K4灰?guī)r水，局部可能受到9號煤層采空區(qū)積水影響，對工作面開采有影響。因此，在開拓掘進前，應(yīng)用井下電磁物探及鉆探等手段，進行進一步探測和驗證，根據(jù)探測結(jié)果及時采取相應(yīng)的抽放水防治水措施。

（2）開采15下煤層時充水水源主要為太原組K2上灰?guī)r、K2灰?guī)r、K3灰?guī)r、K4灰?guī)r水，15號煤層采空區(qū)積水，局部可能受到6、8、9號煤層采空區(qū)積水，注意事項及應(yīng)對與15號煤層開采相同。

（3）斷層或陷落柱是重要的導(dǎo)水通道。通過斷層、陷落柱有導(dǎo)通松散含水層水和基巖風(fēng)化裂隙帶含水層，不導(dǎo)水構(gòu)造在采動影響下也可能成為導(dǎo)水構(gòu)造。在開拓掘進前，應(yīng)用井下鉆探、物探等手段，進行進一步探測和驗證，根據(jù)探測結(jié)果及時采取相應(yīng)的抽放防治水措施。對于斷層，可采用超前預(yù)注漿技術(shù)控制斷層破碎帶，使用的注漿材料為瑪麗散。為了減小工作量以及對斷層圍巖的破壞，需要先采用機尾加刀方式，然后調(diào)斜工作面，適當減小工作面與斷層傾向的夾角，這樣也可以減小采場斷層的暴露范圍，可保證工作面機道的順暢運行，使工作面快速通過冒頂區(qū)。

5 結(jié)論

本文以塔山煤礦實際水文地質(zhì)資料為基礎(chǔ)，采用理論計算結(jié)合經(jīng)驗公式確定了15及15下煤層開采后導(dǎo)水裂隙帶最大高度達64m，未波及9號煤層。隨著礦井水含量的增加，高壓區(qū)和彈性能量積聚范圍向遠離煤壁方向轉(zhuǎn)移，采空區(qū)直接頂塑性破壞區(qū)域逐漸擴大。為了保證采場的安全開采，應(yīng)加強對地表變形現(xiàn)象的管理，及時回填治理各種裂隙，防患于未然。