下組煤首采面綜放開采受上組煤老空水威脅程度研究*

毛振國 朱術(shù)云 鄧 昊 薛 宇

(①山西潞安集團左權(quán)五里堠煤業(yè)有限公司,左權(quán) 032600,中國)(②中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院,礦山水害防治技術(shù)基礎(chǔ)研究實驗室,徐州 221116,中國)

0 引 言

水體下開采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度一直是國內(nèi)眾多學(xué)者研究的熱點和難點,取得了諸多相關(guān)研究成果,最常用和列入規(guī)范的就是國家安全監(jiān)管總局頒發(fā)的《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》中附錄4給出的相關(guān)經(jīng)驗公式(國家安全監(jiān)管總局等,2017),但該公式不適合綜放開采,且考慮因素偏少; 基于此,李博等(2022)在大量收集我國華北型煤田50例煤礦綜采導(dǎo)水裂隙帶實測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,通過鄧氏灰色關(guān)聯(lián)分析和主成分分析,獲得了開采厚度、開采深度、工作面斜長和硬巖巖性比例系數(shù)4個影響因素與導(dǎo)水裂隙帶高度的關(guān)聯(lián)度; 侯恩科等(2021)采用相似材料模擬和數(shù)值模擬,對檸條塔井田南翼某工作面開采上覆巖層的擾動破壞和導(dǎo)水裂隙帶特征進行了研究; 李艷飛等(2020)和叢森等(2017)采用微震監(jiān)測和數(shù)值模擬方法,以焦煤公司古漢山煤礦某工作面為對象,獲得了頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度量化參數(shù); 王振廣等(2020)采用現(xiàn)場鉆孔成像、經(jīng)驗公式和數(shù)值模擬方法對云蓋山煤礦二礦垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度進行了研究; 舒宗運等(2016)采用地面鉆孔沖洗液漏失量觀測、鉆孔彩色電視觀測和數(shù)值模擬3種方法,對郭家河煤礦特厚煤層綜放開采條件下的“兩帶”高度進行研究; 喬倩等(2022)采用相關(guān)分析法對榆神礦區(qū)某煤礦導(dǎo)高進行了研究; 朱偉等(2017)采用統(tǒng)計分析方法,得到了潞安礦區(qū)開采山西組3煤層的導(dǎo)水裂隙帶高度計算經(jīng)驗公式,該公式在五陽煤礦漳河下及余吾煤礦絳河下開采3煤層進行了應(yīng)用(楊連超等,2020)。

以上相關(guān)研究主要針對單一煤層開采。潞安集團左權(quán)五里堠煤業(yè)有限公司山西組的上組煤已基本開采完畢,下組煤15號煤層開采已提上日程,2101首采工作面已形成。但上組煤5號煤層開采形成的采空區(qū)積水是否對下組煤15號煤層開采產(chǎn)生影響是保證礦井安全生產(chǎn)的前提條件。關(guān)于這方面系統(tǒng)研究相對偏少(楊虎雄等,2013),且導(dǎo)水裂隙帶高度影響因素較多,一般需要進行針對性研究(張玉軍等,2020; 陳陸望等,2021)。為此,本文在系統(tǒng)分析研究區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)條件基礎(chǔ)上,結(jié)合開采工藝,采用相關(guān)綜放開采導(dǎo)水裂隙帶高度及淺部薄煤層開采底板破壞深度經(jīng)驗公式和數(shù)值模擬方法,對老采空區(qū)下綜放開采下組煤首采面頂板突水危險性進行探究。

1 研究區(qū)基本概況

1.1 研究區(qū)工作面位置

2101工作面位于礦井二水平一采區(qū),是下組煤太原組15號煤層的首采工作面,上覆存在上組煤山西組5號煤層采空區(qū),對應(yīng)地表整體為北高南低的連綿起伏山地。井下工作面位于礦井東南部、準(zhǔn)備大巷南翼,切眼緊鄰南部礦界保護煤柱。2101工作面采用走向長壁后退式放頂煤開采方式。

2101工作面平面布置如圖1所示,工作面及周邊施工有3個地面鉆孔,地面標(biāo)高+1160～+1300m,工作面標(biāo)高+880～+990m,工作面走向長約1275m,傾斜長約196m。上覆老采空區(qū)工作面標(biāo)高+1010～+1120m,工作面走向長約1100m,傾斜長偏窄,約100m。

圖1 2101工作面及周邊鉆孔平面布置

1.2 開采煤層及其頂?shù)装鍘r層組合特征

2101工作面煤層厚度5.03～8.18m,平均6.17m,屬于厚煤層; 傾角8°～18°,平均13°; 該煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,多數(shù)煤層夾矸層數(shù)為3層。該工作面上覆的5號煤層開采厚度為0.9～1.6m,平均1.2m,屬于薄煤層。

15號煤層頂板為巨厚層中砂巖,平均厚度14.4m,局部為炭質(zhì)泥巖、泥巖和砂質(zhì)泥巖。砂質(zhì)泥巖為灰黑色,暗色礦物含量較多,中砂巖為灰白色,以石英、長石為主,含大量云母和少量暗色礦物,粒度由下而上由粗到細(xì),泥質(zhì)膠結(jié); 泥巖為灰黑色,含植物化石。

煤層底板大部為砂質(zhì)泥巖、泥巖,局部為炭質(zhì)泥巖、薄層灰?guī)r和中砂巖,中砂巖為灰白色中粒石英砂巖,泥質(zhì)膠結(jié),頂部含大量黃鐵礦集合體; 基于3個鉆孔資料和掘進揭露,2101工作面開采煤層頂?shù)装宓貙悠骄穸燃皫r性柱狀特征分布具體見圖2。

圖2 2101工作面頂?shù)装宓貙又鶢?/p>

1.3 工作面主要含水層特征

2101工作面到5號煤層之間存在K2灰?guī)r含水層,經(jīng)2101工作面巷道施工26個鉆孔探查,該含水層以靜儲量為主,水量小; 上覆巨厚中砂巖也不含水; 開采15號煤層主要受上覆上組煤山西組5號煤層老采空區(qū)水威脅大,初步物探、施工地面和井下鉆孔探查,老空積水量大,井下26個鉆孔揭露老空區(qū)后有16個鉆孔出水,出水量2～70m3·h-1,變化大,其中:6-1鉆孔累計排放約21.91×104m3,可見,上覆老空水富水性強,水量大。15號煤層開采后產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙高度能否波及延伸到5號煤層底板破壞帶之內(nèi),是保證15號煤層安全回采的前提條件。為此,需要進行下組煤15號煤層綜放開采所引起的頂板最大導(dǎo)水裂隙帶高度和5煤層開采底板最大破壞深度研究。

2 導(dǎo)水裂隙帶高度計算

導(dǎo)水裂隙帶高度主要受開采煤層厚度、開采深度、覆巖巖性和工作面斜長等因素控制(李博等,2022)。2101工作面頂板以砂巖和泥巖及薄層灰?guī)r為主,屬中硬類型頂板。因現(xiàn)場還不具備實測導(dǎo)水裂隙帶高度條件,基于前人相關(guān)研究成果,這里選用比較適合該工作面地質(zhì)及水文地質(zhì)和開采條件的經(jīng)驗公式類比確定。

(1)潞安礦區(qū)開采山西組3號煤層經(jīng)驗公式:朱偉等(2017)對潞安礦區(qū)開采山西組3煤層不同開采方式下實測導(dǎo)水裂隙帶高度進行了對比分析,獲得了綜采和綜放開采導(dǎo)水裂隙帶高度(Hli)和累計采高(M)及開采分層數(shù)(n)的關(guān)系式為:

(1)

2101工作面15號煤層最大厚度8.18m,考慮開采實際情況,綜放開采回采率一般可按85%,則實際最大采厚約7.0m,將采厚7.0m,分層數(shù)取1,代入式(1),得出2101工作面最大導(dǎo)水裂隙帶高度151.4m。

按朱偉等(2017)表3中獲得的潞安礦區(qū)綜放開采3號煤層最大裂采比20.2進行計算,則可得2101工作面最大導(dǎo)水裂隙帶高度141.4m。

(2)《煤礦防治水手冊》經(jīng)驗公式:根據(jù)武強(2013)主編的《煤礦防治水手冊》經(jīng)驗公式,綜放條件下中硬頂板類型的導(dǎo)水裂隙帶高度(Hli)與采厚(M)的關(guān)系式為(綜放開采公式適用的采放高度為3.5～12m):

(2)

將采厚7.0m代入式(2),得出2101工作面最大導(dǎo)水裂隙帶高度91.9m。

(3)《建筑物、水頭、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采指南》經(jīng)驗公式:根據(jù)胡炳南等(2017),厚煤層綜放條件下中硬頂板類型的導(dǎo)水裂隙帶高度(Hli)與采厚(M)的關(guān)系式為:

(3)

將采厚7.0m代入式(3),得出2101工作面最大導(dǎo)水裂隙帶高度101.2m。

(4)李鵬宇等(2018)根據(jù)實測數(shù)據(jù)綜合單因素分析以及多元逐步回歸分析,得到綜放開采工作面導(dǎo)水裂隙帶計算公式:

Hli=6.28M+2.14lnL+

(4)

式中:M為采厚;L為工作面斜長;H為采深。

將采厚7.0m、工作面斜長196m和采深302.4m帶入式(4)得出2101工作面最大導(dǎo)水裂隙帶高度68.0m。

(5)導(dǎo)水裂隙帶高度確定影響因素較多,以上這些經(jīng)驗公式計算結(jié)果僅可作為參考,但并不能硬性作為2101工作面導(dǎo)水裂隙帶實際高度。按國家煤礦安監(jiān)局(2018)規(guī)定,放頂煤開采或者大采高(3m以上)綜采的導(dǎo)水裂隙帶高度,應(yīng)當(dāng)根據(jù)本礦區(qū)類似地質(zhì)條件實測資料等多種方法綜合確定。但由于2101工作面還不具備實測條件,這里仍可參考以上相關(guān)經(jīng)驗公式計算結(jié)果類比獲得?；谇懊鎺追N經(jīng)驗公式對比分析,安全起見,2101工作面最大導(dǎo)水裂隙帶高度151.4m。

3 老采空區(qū)下綜放開采下組煤首采面突水危險性評價

3.1 兩組煤開采后空間位置及下組煤突水條件

下組煤15號煤層首采面2101工作面綜放開采后將形成最大導(dǎo)水裂隙帶高度(Hli),上組煤5號煤層開采后形成老空水,兩煤層正常間距H,開采5號煤層也會對底板產(chǎn)生最大破壞深度(Hp)。為此,可形成如圖3所示的兩煤層間開采后變形破壞空間分布特征。

圖3 兩煤層開采后頂?shù)装迤茐目臻g分布特征

由此可見,兩煤層之間的間距(H)和15號煤層開采后最大導(dǎo)水裂隙帶高度(Hli)與5號煤層采動底板最大破壞深度(Hp)之和關(guān)系基本決定了下組煤15號煤層首采面能否安全開采的保障(隋旺華,2021)。則存在3種可能,即:

(1)H>(Hp+Hli) 安全條件下開采;

(2)H=(Hp+Hli) 臨界條件下開采;

(3)H<(Hp+Hli) 不安全條件下開采。

這里所提出的兩煤層先后開采下組煤工作面發(fā)生突水條件3種可能,主要是根據(jù)2101工作面所在地質(zhì)條件提出的。一般來說采動底板破壞深度和開采煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶高度受巖體結(jié)構(gòu)控制,也就是孫廣忠先生生前提出的巖體結(jié)構(gòu)控制論核心內(nèi)容(孫廣忠,1988)。但對2101工作面而言,我們關(guān)注的上組煤采動底板破壞深度和預(yù)開采下組煤所引起的導(dǎo)水裂隙帶高度是宏觀量化指標(biāo),從理論上來說是個定值。且該工作面單斜構(gòu)造,沒有揭露斷層,圖6中該工作面及周邊3個地面鉆孔揭露的兩煤層間距變化也不大,兩煤層之間主要是泥巖類和砂巖類巖層組合,采用的導(dǎo)水裂隙帶高度和底板破壞深度經(jīng)驗公式類比和數(shù)值模擬中均考慮到巖體結(jié)構(gòu)的綜合影響。

為此,還需要分析計算上組煤5號煤層開采后形成的采動底板最大破壞深度(Hp)

3.2 上組煤5號煤層開采底板最大破壞深度

3.2.1 理論公式計算

根據(jù)陳洋(2021)斷裂力學(xué)和彈塑性理論,可得底板變形破壞深度計算公式:

(5)

式中:hp為底板變形破壞深度(m);x0為塑性區(qū)寬度,即煤層屈服區(qū)長度(m);φ0為底板巖體平均內(nèi)摩擦角(°)。

淺部開采一般可選取塑性區(qū)寬度經(jīng)驗公式x0=0.015H,并代入式(5),可得:

(6)

式中:H為平均采深(m)。

根據(jù)2101工作面實際條件,平均采深H=150m,底板巖體平均內(nèi)摩擦角φ0=47°,代入式(6)可得2101工作面底板最大破壞深度為7.5m。

3.2.2 《建筑物、水頭、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采指南》經(jīng)驗公式

胡炳南等(2017)給出了3種基于大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的工作面底板破壞深度(hp)經(jīng)驗公式:

hp=0.7007+0.1079L

(7)

hp=0.303L0.8

(8)

hp=0.0085H+0.1665α+0.1079L-4.3579

(9)

上組煤5號煤層老采空區(qū)采深(H)150m、煤巖層傾角(α)13°、工作面斜長(L)100m和采厚(M)1.5m,分別代入式(7)、式(8)和式(9),可分別獲得5號煤層開后后底板破壞深度依次為11.5m、12.1m和9.9m。

可見,兩種方法計算的上組煤5號煤層開采后底板最大破壞深度(hp)12.1m。

3.3 兩煤層開采頂?shù)装迤茐臄?shù)值模擬

為進一步研究上組煤5號煤層開采底板破壞深度和15號煤層開采頂板導(dǎo)水裂隙帶高度,以期與前面的經(jīng)驗公式進行相互驗證,這里應(yīng)用數(shù)值模擬方法再進行對比分析(陳凱等,2021)。

3.3.1 工程地質(zhì)數(shù)值模型建立

根據(jù)圖2,將研究區(qū)內(nèi)巖層按巖性和完整性劃分為泥巖、砂質(zhì)泥巖、煤層、中砂巖、粉砂巖、灰?guī)r(太灰)和奧灰7個工程地質(zhì)巖組,15號煤層頂板劃分為22層地層,底板劃分為7層,共劃分為30層地層,建立如圖4所示三維不考慮構(gòu)造的完整地層的坐標(biāo)系統(tǒng)。模型空間范圍取包含兩帶孔和419鉆孔在內(nèi)的300m×400m的地塊,高約取202m,先開采上組煤5號煤層,厚度1.6m; 再開采下組煤15號煤層,開采厚度仍按折算后的實際7.0m考慮。

圖4 工程地質(zhì)模型

根據(jù)2101工作面地質(zhì)及水文地質(zhì)和兩煤層開采條件,對所建立的模型進行適當(dāng)概化:模型上覆巖土層的自重壓力采用補償荷載代替; 原始應(yīng)力場考慮為自重應(yīng)力場,不考慮構(gòu)造應(yīng)力場作用。模型前后、左右4個側(cè)面采用水平方向固定與垂直方向自由的邊界; 底面全固定約束方式; 模型頂部補償荷載約按130m厚度上覆巖土體自重壓力(0.024MPa·m-1)施加,約3.1MPa。為了消除邊界效應(yīng),模型四周各留50m的煤柱; 按實際條件進行開采模擬,5號煤層開采長度300m,寬度100m; 15號煤層開采長度300m,寬度200m。

3.3.2 物理力學(xué)參數(shù)

本次模型采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件(彭文斌,2020),該軟件在類似研究中應(yīng)用較廣泛(楊彪,2017; 武忠山等,2019; Chen et al.,2020),本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。具體各巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 工作面頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)

3.3.3 模擬結(jié)果與分析

先開采上組煤5號煤層,然后再開采下組煤15號煤層,可獲得兩煤層開采后塑性區(qū)分布如圖5所示。根據(jù)建模尺寸及網(wǎng)格劃分,單獨開采5號煤層后形成的底板破壞帶深度約11.0m(圖5a),兩煤層都開采后5號煤層底板破壞帶深度沒有增加,15號煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶高度約112.0m(圖5b),兩者之和123.0m。

3.4 下組煤15號煤層開采安全性評價

下組煤15號煤層開采突水危險性主要取決于15號煤層頂板到5號煤層底板之間高度(H)、5號煤層底板破壞深度(Hp)和開采15號煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶高度(Hli)三者之間關(guān)系(圖3)。

基于前面分析,2101工作面導(dǎo)水裂隙帶高度對比分析見表2,上組煤開采形成的底板破壞深度對比見表3。

表2 2101工作面開采導(dǎo)水裂隙帶高度對比

根據(jù)表2和表3,安全起見,可得開采下組煤15號煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶高度(Hli)和上組煤5號煤層底板破壞深度(Hp)之和最大為151.4m+12.1m=163.5m。

根據(jù)下組煤首采面2101工作面內(nèi)及周邊已有3個地面鉆孔資料分析,如圖6所示,兩煤層間距介于126.8～129.8m,小于163.5m。由此可見,下組煤15號煤層開采后,通過導(dǎo)水裂隙帶,正常可能與上組煤5號煤層采空區(qū)積水導(dǎo)通(這里還沒有考慮構(gòu)造情況)造成突水事故。

圖6 2101工作面及附近地面鉆孔兩煤層間距剖面

綜合分析,上組煤5號煤層采空區(qū)積水對下組煤15號煤層首采面安全開采會造成很大威脅。在開采15號煤層時,需提前對上覆的5號煤層老空水進行探放。

4 結(jié) 論

下組煤開采是否受上組煤老空水威脅,其最大導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度和上組煤底板最大破壞深度是兩個重要參數(shù),但兩者影響因素均很多。這里采用理論分析、經(jīng)驗公式和數(shù)值模擬綜合探究,獲得如下主要研究結(jié)論:

(1)系統(tǒng)分析了研究區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)條件,建立了兩煤層開采后頂?shù)装遄冃纹茐目臻g分布特征模型,提出了老空水是否威脅下組煤安全開采的3個可能條件,采用多種相關(guān)經(jīng)驗公式類比和數(shù)值模擬獲得了開采下組煤15號煤層首采面最大導(dǎo)水裂隙帶高度151.4m。

(2)采用理論計算、3種相關(guān)經(jīng)驗公式類比和數(shù)值模擬獲得了開采上組煤5號煤層最大底板破壞深度12.1m。

(3)根據(jù)下組煤首采面2101工作面內(nèi)及周邊已有地面鉆孔資料分析,兩煤層間距介于126.8～129.8m,小于最大導(dǎo)水裂隙帶高度和最大底板破壞深度之和的163.5m,下組煤15號煤層開采后,通過導(dǎo)水裂隙帶,在正常條件下可能與上組煤5號煤層采空區(qū)積水導(dǎo)通,需要進行5號煤層老空水提前疏放。