天安煤礦5404工作面帶壓開采安全性綜合評(píng)價(jià)研究

趙 勇

（陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)天安煤礦 ，山西 忻州 034000）

1 工程概況

陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)天安煤礦有限公司天安煤礦正在進(jìn)行5#煤層的采掘工作，5#煤厚度8.57～15.62m，平均厚12.6m，為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。根據(jù)地面奧灰水位觀測(cè)資料，奧灰水位標(biāo)高為1474m，高于2、5煤層最低底板標(biāo)高，煤層處于底板承壓開采狀態(tài)。5#煤底板主要充水含水層有石炭系K1砂巖含水層和奧陶系灰?guī)r巖溶含水層，其中奧灰富水性強(qiáng)、水壓大，形成對(duì)5煤開采主要的底板突水威脅。根據(jù)三維地震勘探及井巷實(shí)際揭露情況，5號(hào)煤層底板至奧灰?guī)r頂面間距平均在50m左右，5#煤層底板標(biāo)高位于1220m～1376m之間，奧陶系灰?guī)r含水層水位標(biāo)高為+1474m，因此井田評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)5號(hào)煤層全部處于帶壓區(qū)，底板隔水巖柱承受的最大水頭壓力為2.54MPa，最小0.98MPa。井田中部承壓較低，東、西兩部承壓較高。5#煤層底板標(biāo)高位于1220m～1376m之間，最高處位于ZK7鉆孔以東以南地段，其標(biāo)高為1376m；最低處位于勘探區(qū)東北部，其標(biāo)高為1220m。位于井田東南側(cè)4采區(qū)工作面埋深較深，底板將面臨更大的奧灰承壓水突水危險(xiǎn)，因此在4采區(qū)的5404工作面正式回采前，對(duì)其帶壓開采的安全性進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià)，為工作面回采期間采取合理的措施提供理論依據(jù)。

2 采動(dòng)影響下底板破壞深度模擬分析

為更加詳細(xì)的對(duì)天安煤礦5#煤層5404工作面面臨的問(wèn)題進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)應(yīng)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，根據(jù)該工作面具體的地質(zhì)條件進(jìn)行模擬。承壓開采工作面其底板突水的危險(xiǎn)性很大程度上取決于底板隔水層能否有效的防止工作面與下部含水層的連通，工作面回采期間采動(dòng)及底板承壓水壓力會(huì)對(duì)底板隔水層造成一定程度的破壞，底板的破壞深度對(duì)于底板隔水層的隔水能力具有很大影響。根據(jù)天安煤礦5#煤層具體的地質(zhì)條件建立如圖1（a）所示的三維模型，模型的尺寸長(zhǎng)×寬×高=300×350×100m，5#煤層厚度12.6m，平均埋深取190m，模型底面為固定邊界，左右、前后邊界面水平位移為固定約束，模型上部為自由邊界，上覆巖層載荷等效為2.54MPa的均布載荷，下部含水層內(nèi)的孔隙水壓力根據(jù)5404工作面的地質(zhì)條件取可能的最大值，設(shè)定為2.5MPa，模型詳細(xì)的邊界條件如圖1（b）所示。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型示意圖

天安煤礦5#煤層4采區(qū)工作面長(zhǎng)度不等，基本可分為210m、220m、230m、240m四種情況，為分析不同工作面長(zhǎng)度條件下對(duì)底板破壞深度的影響，共進(jìn)行四次模擬，模擬工作面的推進(jìn)長(zhǎng)度均為280m，工作面的長(zhǎng)度分別為 210m、220m、230m、240m，工作面回采后在工作面推進(jìn)方向取一個(gè)截面，得到圍巖塑性破壞情況如圖2所示。

圖2 不同工作面長(zhǎng)度條件下底板塑性破壞區(qū)分布

天安煤礦5#煤層4采區(qū)工作面回采后圍巖塑性破壞分布規(guī)律如圖2所示，由于篇幅所限，僅將各個(gè)不同長(zhǎng)度工作面條件下的最終結(jié)果展示出來(lái)，根據(jù)圖示結(jié)果可以看出，工作面回采后，上覆巖層和煤層底板均出現(xiàn)了明顯的塑性破壞區(qū)域，圍巖塑性破壞的區(qū)域基本對(duì)稱分布，在工作面中部附近圍巖塑性破壞的范圍最大，并且隨著工作面長(zhǎng)度的增大，圍巖的塑性破壞范圍逐漸增大，當(dāng)工作長(zhǎng)度為210m時(shí)，底板塑性破壞深度最大約為14m，當(dāng)工作面長(zhǎng)度增加為240m時(shí)，底板巖層塑性破壞深度達(dá)到17m，因此根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，天安煤礦5#煤層4采區(qū)工作面開采引起的底板塑性破壞深度最大為17m。

3 工作面涌水量及突水系數(shù)等分析計(jì)算

3.1 隔水層阻水性能分析

天安煤礦5404工作面共施工了三個(gè)井下水文孔，在5#煤層底板開孔，得到5#煤層下方隔水層厚度為51.9～68.7m，隔水層平均厚度約為59.89m，鉆孔終孔位置在奧灰含水層內(nèi)40m左右，隔水層巖性主要為泥巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、灰?guī)r，為分析底板巖層的阻水能力，取隔水層最薄的SK3鉆孔進(jìn)行分析，隔水層厚度為51.9m，根據(jù)第二節(jié)的模擬分析可知，工作面回采引起的底板破壞深度為15m，根據(jù)三個(gè)水文鉆孔鉆進(jìn)過(guò)程中的涌水情況可知，隔水層中導(dǎo)升帶最大高度為7.2m，兩者之和明顯比隔水層厚度要小，因此工作面開采引起的底板塑性破壞區(qū)域不會(huì)直接導(dǎo)致底板奧灰水涌出。SW3鉆孔處底板隔水層的主要巖性為泥巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、灰?guī)r，根據(jù)隔水層巖層的不同可分為泥巖為主型、砂巖為主型和砂泥巖復(fù)合型隔水層，其中泥巖為主型隔水層巖層的物理力學(xué)性質(zhì)主要表現(xiàn)為塑性，但是由于泥巖的強(qiáng)度較低，導(dǎo)致其抵抗水壓的能力較小，整體來(lái)說(shuō)泥巖為主型隔水層隔水能力較好。隔水層一般是由多個(gè)巖性的巖層組合而成，隔水層的類型通過(guò)以下方法進(jìn)行判別，隔水層中泥巖所占的厚度百分比為[1]：

其中：h為底板含水層與煤層間巖層泥巖的總厚度，單位：m；H為底板含水層與煤層間巖層總厚度，單位：m；

根據(jù)計(jì)算所得的K值的大小進(jìn)行判斷：K＞65%，為泥巖為主型，抗水壓能力弱，隔水性能較好；35%＜K＜65%，砂泥巖復(fù)合型，抗水能力和隔水能力均為中等；K＜35%時(shí)為砂巖為主型，抗水壓能力較強(qiáng)，隔水性能較弱。天安煤礦5#煤層4采區(qū)地下水文SK3號(hào)鉆孔處底板隔水層的巖性和總厚度：泥巖37.36m，粉砂巖6.6m，砂質(zhì)泥巖5.32m，灰?guī)r3.02m。代入式（1）可得K=71.98%＞65%，底板隔水層為泥巖為主型，隔水能力較好，并且底板隔水層含有1～3層強(qiáng)度較高的砂巖和灰?guī)r，可以形成整個(gè)含水層穩(wěn)定的骨架，使底板隔水層的抗水壓能力大大提高，并且底板奧灰水水壓較小，綜上可知，天安煤礦5#煤層4采區(qū)底板隔水層隔水能力較好。

3.2 工作面涌水量預(yù)測(cè)

根據(jù)以往的研究成果可知，工作面回采期間底板的突水點(diǎn)及突水量具有很大的不確定性和偶然性，目前無(wú)法對(duì)底板的突水量進(jìn)行定量的計(jì)算，但是可以采用裘布依Dupuit公式定量計(jì)算底板奧灰水水位降低到一定程度下所需的降水量，為承壓水工作面開采的安全性評(píng)價(jià)提供參考，天安煤礦5#煤層底板最低標(biāo)高為1220m，工作面最大長(zhǎng)度為240m，工作面推進(jìn)長(zhǎng)度為1100m，奧灰含水層的靜水位為1474m，采用“大井法”以承壓轉(zhuǎn)無(wú)壓為模型，計(jì)算奧灰含水層水位降到1220m的疏水量[2]：

其中：

式中：K為滲透系數(shù)；H為水柱高度；R為影響半徑；M為含水層總厚；r0為工作面開采影響范圍；R為引用影響半徑；S為水位降低深度；F為工作面開采范圍的面積；

根據(jù)天安煤礦5404工作面具體的地質(zhì)條件，以 上 參 數(shù) 取 值 ：K=1.245m/d；M=50m；H=1474m；h=1220m；F=0.264km2；將以上參數(shù)代入式（2）～（4）可得，將5404工作面底板奧灰水降至工作面底板以下疏降的穩(wěn)定水量為660m3/h，相對(duì)來(lái)說(shuō)涌水量較小。

圖3 開采煤層底板巖石力學(xué)和水力學(xué)分層結(jié)構(gòu)模式圖

3.3 奧灰水突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

工作面回采期間，底板隔水層的作用形式如圖3所示，采用突水系數(shù)法確定工作面采用全部垮落法開采底板突水危險(xiǎn)性的公式如下[3～4]。

底板突水系數(shù)：

式中：Ts為突水系數(shù)，單位：MPa/m；P為底板隔水層承受的水頭壓力，單位：MPa；M2底板有效隔水層厚度，單位：m。

式中：

式中：hD為煤層底板距離含水層最上部的垂直距離，單位：m；h1為煤層底板采動(dòng)破壞深度，單位：m；hd為承壓水導(dǎo)升高度，單位：m；

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，天安煤礦5404工作面回采期間，在回采動(dòng)壓和承壓水壓共同作用下，底板塑性破壞深度根據(jù)模擬分析結(jié)果為17m，根據(jù)地井下水文鉆孔探查結(jié)果可知承壓水導(dǎo)升帶高度hd=7.2m。隔水層的總厚度采用SK3鉆孔處的51.9m，由此根據(jù)式（6）計(jì)算可得有效隔水層厚度M=27.7m。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)5401工作面承壓水壓力P為1.5MPa，將以上參數(shù)帶入式（5）可得，底板奧灰水突水系數(shù)Ts=0.057MPa/m。通過(guò)查閱相關(guān)的文獻(xiàn)可知[4]，正常地段臨界突水系數(shù)值為0.1MPa/m，底板突水系數(shù)應(yīng)小于0.1MPa/m。根據(jù)突水系數(shù)理論，5404工作面帶壓開采比較安全。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)以上的數(shù)值模擬、理論分析及計(jì)算的結(jié)果可知，天安煤礦5#煤層4采區(qū)工作面開采底板破壞最大深度約為17m，底板隔水層的厚度較厚并且阻水性較好，含水層的富水性為弱-中等，導(dǎo)升帶高度最大約為7.2m，采用突水系數(shù)法以最不利的條件進(jìn)行分析計(jì)算，5404工作面帶壓開采仍較安全，綜上可知，天安煤礦5#煤層4采區(qū)能夠進(jìn)行帶壓開采。