大平礦特厚煤層綜放工作面水下開采安全性評價(jià)

張 峰，秦洪巖，題正義

(1.山西工程技術(shù)學(xué)院 采礦工程系，山西 陽泉 045000；2.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 101601；3.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

由于現(xiàn)行相關(guān)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)沒有為預(yù)測放頂煤導(dǎo)高提供成熟有效的計(jì)算方法[1]，而眾多相關(guān)研究成果的應(yīng)用也局限于具體的地質(zhì)采礦條件，難以在特厚煤層綜放工作面直接應(yīng)用[2-4]。因此，根據(jù)特厚煤層的地表采礦條件建立適合相應(yīng)井田范圍內(nèi)的水下開采安全性判定準(zhǔn)則，是當(dāng)前特厚煤層水下開采亟需解決的技術(shù)難題。

本文以大平礦待采工作面的地質(zhì)采礦條件和其它采區(qū)已采工作面的實(shí)測數(shù)據(jù)，構(gòu)建了該井田范圍內(nèi)水下開采安全性的判定準(zhǔn)則，并依據(jù)數(shù)值模擬得到的導(dǎo)水裂隙帶高度，對水庫下特厚煤層綜放開采的安全性進(jìn)行評價(jià)。

1 工程背景

大平礦S2S9綜放工作面位于水庫壩體下，進(jìn)行壩下開采的前提首先要保證水下開采的安全性，才能為壩體下開采的安全性分析奠定基礎(chǔ)。S2S9工作面為水庫壩體下的首采工作面，工作面長度277 m，推進(jìn)長度2 001 m，面積為55.4萬m2。煤層平均厚度8.95 m，傾角5～8°(平均7°)，埋藏深度684～767 m(平均725 m)，設(shè)計(jì)原煤采出量761.2萬t。工作面布置示意如圖1所示。

圖1 壩體下工作面布置示意

2 水下開采安全性的判定準(zhǔn)則

根據(jù)煤層上覆地表水體的層位高度、導(dǎo)高和保護(hù)層厚度三者之間的關(guān)系，構(gòu)建水體下安全開采的判定標(biāo)準(zhǔn)[5-6]，判斷水庫下首采工作面開采的安全性，為壩體下開采的安全性分析奠定基礎(chǔ)。

2.1 水體下開采安全性判定準(zhǔn)則的確定

根據(jù)《三下規(guī)程》要求：水體下進(jìn)行煤層開采時(shí)，嚴(yán)禁導(dǎo)水裂隙帶直接與水體的底界面導(dǎo)通，且應(yīng)在水體底界面以下留設(shè)一定高度的防水安全煤巖柱，防水煤巖柱高度Hsh要不小于最大導(dǎo)高Hli與最小保護(hù)層厚度Hb之和，即Hsh≥Hli+Hb。若覆巖采動裂隙使水庫與井下導(dǎo)通，將造成庫水潰入井下，對工作面綜放開采安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，水體下采煤安全與否以及安全的可靠性，取決于防水煤巖柱的高度。

1) 防水煤巖柱高度的確定。防水煤巖柱高度是指煤層上覆含水層的底板巖層或庫水底界面與煤層頂板之間的距離，如圖2所示。由大平礦井田內(nèi)的水文地質(zhì)特征可知，井田內(nèi)共含有3個(gè)含水層及其隔水能力。

圖2 巖層厚度關(guān)系示意

侏羅系系直接充水承壓含水層賦存于煤層的下部，與上覆煤層的保護(hù)層厚度無關(guān)，且其分布較薄，與上部含水層水無水力聯(lián)系，在此可忽略不計(jì)。

白堊系砂巖及砂礫巖承壓含水層和第四系砂及砂礫承壓含水層均分布在第四系底界面與風(fēng)化帶底界面上(圖3)，分析各含水層的透水性及層位高度，用于確定防水煤巖柱上邊界位置，最終確定防水煤巖柱高度。

圖3 保護(hù)層厚度構(gòu)成示意

第四系砂及砂礫承壓含水層在8.52～13.47 m厚亞粘土及粘土之下，最大厚度2.33 m，主要成分以石英、長石為主的砂及砂礫組成，依靠大氣降水補(bǔ)給，與下部白堊系風(fēng)化帶含水段有微弱水力聯(lián)系。

白堊系砂巖及砂礫巖承壓含水層分為白堊系風(fēng)化帶含水段和白堊系微弱含水段。白堊系風(fēng)化帶含水層厚度為10.73～62.34 m，平均31.03 m。主要由紫紅色砂巖及砂礫巖組成，其成分以石英、長石為主，結(jié)構(gòu)松散破碎，礫徑不一，其含水性及透水性較強(qiáng)。

白堊系微弱含水層厚度為14.91～44.18 m，平均27.17 m。主要由灰綠色砂巖及砂礫巖組成，為泥質(zhì)膠結(jié)，其結(jié)構(gòu)較上部風(fēng)化帶含水段致密，其含水性及透水性比較弱。

分析以上含水層的位置、厚度和特點(diǎn)，從開采安全角度考慮，選取煤層上覆白堊系微弱含水層底邊界作為防水煤巖柱高度的上邊界，白堊系微弱含水層底邊界距水庫底邊界高度為122.32 m(13.47 m+2.33 m+62.34 m+44.18 m)。

防水煤巖柱的高度等于煤層最小埋深與采高和水庫底端含水層影響高度之差。

2) 最小保護(hù)層厚度的確定。保護(hù)層厚度是指煤層開采后上覆含水層下起隔水作用的巖層厚度，其范圍為含水層下邊界至最大導(dǎo)高的上邊界之間。

由于《三下規(guī)程》中防水安全煤巖柱保護(hù)層厚度選取規(guī)定不適用于綜放開采，采用工程類比法，根據(jù)大平礦水庫下已安全開采的4個(gè)綜放工作面最大導(dǎo)高與防水煤巖柱高度之間的關(guān)系[7-9]，求出各工作面的保護(hù)層厚度(表1)。從開采安全角度考慮，選取保護(hù)層的最小值58.84 m作為S2S9工作面開采安全性判定指標(biāo)。

表1 已采工作面保護(hù)層厚度

由于庫水下工作面留設(shè)的最小保護(hù)層厚度為58.84 m時(shí)，工作面能夠安全開采，因此，58.84 m厚的保護(hù)層，其巖性及組合特征均能起到隔水作用，且不被破壞。

由上述分析可得大平礦水庫下安全開采的判定標(biāo)準(zhǔn)為：煤層上方的最小防水煤巖柱高度(埋深取最小值)與最大導(dǎo)高之間的差值要大于58.84 m的保護(hù)層厚度(Hsh-Hli>Hb)。

3 導(dǎo)水裂隙帶高度的數(shù)值模擬分析

3DEC軟件能夠模擬動壓或靜壓影響下非連續(xù)介質(zhì)的變化形態(tài)，更能夠突出顯示非連續(xù)性介質(zhì)的破壞過程和破壞趨勢，對于煤層開采后覆巖破斷、冒落和滑移現(xiàn)象的模擬最為形象，因此，選用3DEC數(shù)值模擬軟件模擬不同影響因素組合成的綜放工作面開采后覆巖變形破壞發(fā)育高度，通過上覆巖層受到拉伸、剪切破壞的顏色變化進(jìn)行高度判別。根據(jù)工作面地質(zhì)采礦條件確定模型的長×寬×高=360 m×340 m×300 m，其他參數(shù)見表2。由于埋深對導(dǎo)高的影響較大，因此選擇最大埋深767 m進(jìn)行模擬計(jì)算，得出最大導(dǎo)高。

表2 巖石力學(xué)基礎(chǔ)參數(shù)

根據(jù)工作面埋深767 m和庫水壓力0.034 1 MPa，計(jì)算得到的上覆載荷共施加12.18 MPa的垂直壓力，水平應(yīng)力15.83 MPa為垂直壓力的1.3倍。開挖步距設(shè)為10 m。模擬開挖后在工作面前方設(shè)置觀測面，觀測不同推進(jìn)過程中剖面位置上的覆巖塑性變形和應(yīng)力變化，分析、確定導(dǎo)高的大小。

為消除初次來壓對分析結(jié)果的影響，選取距開切眼70 m處設(shè)置觀測剖面，分別分析工作面推過觀測剖面10 m、30 m、50 m、70 m、90 m和100 m時(shí)觀測剖面的塑性變形破壞和應(yīng)力變化情況，確定導(dǎo)高的大小。圖4為工作面不同推進(jìn)距離時(shí)觀測剖面上的應(yīng)力變化云圖。

由圖4可以看出，工作面推過觀測剖面10～70 m時(shí)，工作面上覆巖層的應(yīng)力降低區(qū)域逐漸增大，且逐漸向上擴(kuò)展，但中部區(qū)域的應(yīng)力值較小，約0～5 MPa，遠(yuǎn)小于原巖應(yīng)力值，說明此范圍內(nèi)的巖體處于卸壓狀態(tài)，裂隙發(fā)育充分；在工作面推進(jìn)至距觀測剖面90 m位置時(shí)，中部卸壓狀態(tài)區(qū)域的巖體受到上覆破裂巖層和煤層底板巖層之間的擠壓，應(yīng)力值開始增大，應(yīng)力恢復(fù)區(qū)向上覆擴(kuò)展；在工作面繼續(xù)向前推過觀測剖面100 m位置時(shí)，下部卸壓區(qū)域巖體由松散堆積狀態(tài)轉(zhuǎn)向壓密階段，巖體間的空隙減小，更加密實(shí)，但應(yīng)力值仍小于原巖應(yīng)力。而中上部巖體受上覆巖層和嚴(yán)密段巖層之間的擠壓作用，裂隙也發(fā)生閉合，應(yīng)力值逐漸增大，直至達(dá)到一定值時(shí)(大于原巖應(yīng)力)就不再增加，此時(shí)工作面的導(dǎo)高根據(jù)巖體應(yīng)力變化值的大小(應(yīng)力值由原始應(yīng)力先減小后增大，穩(wěn)定時(shí)大于原巖應(yīng)力值)確定為175 ～185 m之間。

圖4 不同推進(jìn)距離時(shí)觀測剖面上覆巖的應(yīng)力變化云圖

圖5為工作面不同推進(jìn)距離時(shí)觀測剖面上的塑性破壞云圖。

由圖5可以看出，隨著工作面的推進(jìn)，覆巖塑性破壞范圍逐漸增大，基本上都屬于拉伸和剪切破壞。工作面推過100 m時(shí)的塑性破壞區(qū)只在橫向上比推過90 m時(shí)有所增大，但高度基本保持不變，說明導(dǎo)高已發(fā)育至最大。根據(jù)觀測結(jié)果繪制導(dǎo)高變化曲線，見圖6。

圖5 不同推進(jìn)距離時(shí)觀測剖面上覆巖的塑性區(qū)變化云圖

由圖6可以看出，導(dǎo)高隨著工作面的推進(jìn)呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，在工作面推過90 m后，基本保持不變的狀態(tài)，此時(shí)最大可能導(dǎo)高為180.6 m。

圖6 工作面推過觀測剖面不同距離時(shí)導(dǎo)高

通過對工作面開采過程中不同推進(jìn)距離下同一剖面導(dǎo)高的塑性變形和應(yīng)力云圖分析得到，S2S9綜放工作面水下開采的導(dǎo)高為180.6 m。

4 S2S9工作面水下開采安全性判定

根據(jù)S2S9工作面導(dǎo)高和覆巖結(jié)構(gòu)性質(zhì)，按照庫水下開采安全判定準(zhǔn)則，判定S2S9工作面庫水下開采的安全性。

從數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果可知，S2S9工作面的導(dǎo)高為180.6 m。結(jié)合防水煤巖層高度和最小保護(hù)層厚度58.84 m判定S2S9工作面水下開采的安全性，如表3所示。

表3 S2S9工作面水下開采安全性判定數(shù)據(jù)

由表3可知，S2S9工作面最小埋深與上覆含水層高度的差值得到的防水煤巖柱高度為552.73 m，防水煤巖柱高度與最大可能導(dǎo)高之間的差值為372.13 m，不僅大于能夠安全隔水的最小保護(hù)層厚度58.84 m，而且還大于已采面最大的保護(hù)層厚度333.04 m，說明S2S9工作面實(shí)施水庫下綜放開采是安全可行的。

5 結(jié) 語

1) 依據(jù)《三下規(guī)程》的規(guī)定及巖層性質(zhì)，結(jié)合大平礦庫水下已安全回采工作面的保護(hù)層厚度，提出了該井田水下采煤安全性的判定標(biāo)準(zhǔn)。

2) 根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，S2S9工作面的導(dǎo)高為180.6 m，結(jié)合工作面最小埋深，從而得到防水煤巖柱高度與最大可能導(dǎo)高之間的差值為372.13m，大于安全隔水的最小保護(hù)層厚度58.84m，證明S2S9工作面實(shí)施水庫下綜放開采是安全可行的。