五沟煤矿1031工作面防水煤柱留设分析

五沟煤矿1031工作面防水煤柱留设分析

朱凯,宣以琼,曹培喜,张俊

(安徽建筑大学 土木学院,安徽 合肥230022)

摘要：在分析五沟煤矿地质、水文地质基础上,建立了数值分析模拟模型,利用FLAC3D数值模拟软件分析1031工作面开采“两带”高度,获得了顶板岩层应力与应变演化特征。采用不同方式预测了工作面不同开采区域“两带”最大发育高度,确定了含水层下防水煤岩柱的合理留设,制定了安全调控技术措施,由此可解放煤炭资源量20余万t,对含水层下安全开采具有重要的推广应用价值。

关键词：工程地质;防水煤柱;FLAC3D 数值模拟;“两带”高度

收稿日期：2014-10-19

基金项目：国家自然科学基金(51074002，51274007)联合资助。

作者简介：朱凯(1990-)，男，硕士生，主要研究方向为岩土及地下结构工程。

中图分类号：TD821

Analyse on Reasonable Water coal pillarLeaving Key

Technologies in No.1031 working face, Wugou Coalmine

ZHU Kai,XUAN Yi-qiong,CAO Pei-xi,ZHANG Jun

(School of Civil engineering, Anhui Jianzhu University , Hefei 230022,China)

Abstract:Based on the analysis of Wugou coalmine geology and hydrogeology, numerical simul-ation model is established. The 1031 working face of mining height is numerical simulated by mea-ns of the FLAC3D software. The stress and strain evolution characteristics of roof strata were obtained. Different ways are adopted to predict the biggest growth altitude of "two belts"in workin-g face's different mining regions.The reasonable design of waterproof coal pillar in the lower aqui-fer is determined and safety regulation and technical measures are developed. All of these can lib-erate coal resources of more than 20 million t and have important application value for the lower a-quifer mining safety.

Key words:engineering geology; waterproof coal pillar; FLAC3D simulation; highly "Two Belts"

0引言

近10年来,煤炭生产基地发生各类矿井水害事故多达1000余起,经济损失达40亿元人民币,死亡事故连年发生,煤层在开采以后覆岩会发生移动与破坏,从而引发冒顶事故和工作面突水事故[1-3]。防水煤岩柱的留设不合理,会造成断层或其他含水体水突入矿井[4]。为了实现安全合理煤层开采,通过使用数值软件进行数值模拟[5]和实测成果留设技术研究,对冒落带高度和导水裂隙带高度进行分析研究,进一步得出减少煤岩柱宽度留设的方法,从而提高煤炭资源的回采率,延长矿井服务年限,为煤层安全开采提供合理依据[6-9]。

1工程地质与水文条件分析

五沟煤矿1031工作面为三采区首采工作面,北靠F16正断层防水煤柱,南邻1032工作面(未设计),东起三采区10煤层三条大巷,西至DF5断层。工作面回采山西组10煤层,机巷可采走向长度1411m,风巷可采走向长度1411m,1#切眼长88m,2#切眼长178m,煤层厚度在1.6m～5.4m,平均3.8m,倾角为3～16°,平均倾角8°,地质储量126万吨。近几年随着煤炭开采量的增加及大量可开采煤炭区域被占用等因素影响,矿井资源有效的开采量急剧减少,使得矿井的服务年限大大缩短,再加上矿井水文地质条件复杂,煤层的分布不规律,井田的构造发育断层密集。

1.1新生界松散层“四含”分布特征

1031工作面上覆松散层厚273.4m,其中位于新生界第四含水层上部的第三隔水层,塑性指数Ip为11.30～27.80,其可塑性好,厚度大,膨胀性强,隔水性良好,分布比较稳定,使其以上各含水层与含水层下的“四含”水之间失去水力联系。

通过钻孔抽水资料及组合分析(见表1、表2)及水文地质资料和 “四含”颗粒的分布情况,得到1031工作面上方第四含水砂层应为弱含水层。

表1　1031工作面附近四含抽水试验成果统计表

表2　1031工作面附近钻孔资料统计一览表

1.210煤顶底板砂岩裂隙含水层

由工作面内及其附近的5个地面钻孔资料,10煤顶底板岩性以灰白色中、细砂岩为主,夹灰色粉砂岩及泥岩。本工作面顶、底板30m范围内砂岩含水层平均厚度分别为11.05m,5.73m。砂岩裂隙发育不均,局部多发育垂直裂隙。据抽水试验资料,q=0.006823～0.008145L/s.m,K=0.061231～0.030978m/d,水质类型为HCO3～K+Na型,矿化度0.430～0.521g/l。说明10煤顶底板砂岩含水层裂隙发育不明显,含水性相对较弱,对工作面回采影响比较小。

为了确保工作面安全和正常回采,分别通过地面三维地震勘探、地面钻探、井下瞬变电磁等物探方法对工作面地质和水文地质条件进行了综合探查,进一步查清了工作面开采范围内的隐伏构造及赋水区情况。

1.3地面三维地震勘探

地面物探采用三维地震勘探。采区内共施工地震物理点9742个,工程量11.108Km2,采用科学合理的勘探方法控制构造和基岩面,符合工作面设计要求。

1.4地面钻探

西三采区内共有钻孔34个,钻孔密度11.07个/Km2,有J1、J2、J4 、J5、30线和28线6条勘探线所控制,勘探线间距336m,在设计工作面及周围取间距150m～250m的钻孔。对构造和基岩面有较好的控制,西三采区基岩面起伏不大,尤其是在1031工作面附近 “四含”厚度较薄,随着中深部基岩面逐渐降低、“四含”厚度逐渐加大;工作面切眼附近28-13和28-16孔基岩面标高为-239.35和-236.14m,基岩面控制程度较高。

1.5井下瞬变电磁探测

为探明工作面含水层的赋水性,徐州中澳地质工程科技开发有限公司对1031工作面进行了瞬变电磁探测。分析电阻率等值线拟断面图(见图1)可以看出，横坐标在0～320m范围、390～410m范围和440～480m范围,纵坐标在70～120m(沿探测方向距离)范围,等值线数值小于1.5Ωm(80～310m之间等值线数值小于1Ωm),为明显低阻异常反应,结合实际地质资料分析,说明工作面靠近机巷附近顶板上35～60m范围赋水裂隙带发育,发育范围大,向上赋水性增强。其它探测范围视电阻率等值线横向虽然变化较大,但等值线数值大于2Ωm,为相对高阻反应,说明工作面靠近机巷一侧对应位置煤层顶板上60m范围岩层赋水性较弱。通过防水煤岩柱工作面综合探查分析及依据实际资料数据,逐渐减少防水煤柱尺寸。

2防水煤岩柱留设的计算方法

2.1按“三下”开采规程留设

(1)计算冒落带高度

根据1031工作面采前水文检查孔的岩体力学性能实验测试资料,得到其主采煤层浅部覆岩属于软弱～中硬型。因此,该类型的覆岩 “两带”高度的预计参数及条件为三采区内1031工作面内,10煤层重新界定上提部位最大采煤厚为4.63m,对应的冒落带高度为:13.56m

式中:Hm-冒落带高度;

∑M-煤层采厚,m。

(2)计算

按“三下”开采《规程》规定, 1031工作面覆岩岩性为软弱～中硬类型情况时,保护层Hb=2A～3A,即

覆岩为软弱时:Hb=2A=2×4.63=9.26m

覆岩为中硬时:Hb=3A=3×4.63=13.89m

(3)防水煤岩柱Hsb垂高计算

Ⅰ按软弱覆岩计算:

Hsb=Hmi+Hb=9.13+9.26=18.39m

Ⅱ按中硬覆岩计算:

Hsb=Hmi+Hb=13.56+13.89=27.45m

2.2按“实测成果”进行留设

五沟煤矿为确保重新界定后的1031工作面,通过缩小防护煤柱的1016工作面后,在煤层地面施工区取三个两带高度孔和一个采前检查孔,由表3可知最大冒高采厚比为4.69倍。从而确定出1031浅部工作面需留设的防水煤岩柱高度为:4.69×4.63+13.89=35.60m

表3　五沟煤矿“两带”高度发育特征测试成果一览表

3FLAC3D数值模拟及分析

通过FLAC3D三维数值模型和开采煤层上覆岩层移动规律,可知当工作面推进距离和工作面长度接近时,裂隙带发展高度出现最大值,对于此次研究模型走向长300m(y方向),每10m一格。倾向长250m(x方向),共分40格。裂隙倾角为50度,高100m。模型共120000个网格。煤层沿走向开挖,工作面宽度取100m,考虑到模型边界效应的影响,模拟软件采用在模型的中间布设合理的采空区的方法,来消除左右边界效应,在模型的上部采用载荷来代替上部松散层的重量见图2～3所示。

开采煤层后,综采工作面上层覆岩应力重新分布,根据莫尔库仑理论,采用迭代法并利用FLAC3D计算出10煤层开采后底板岩层的变形破坏特征,获得底板工作面倾向屈服破坏特征图,通过FLAC3D软件模拟分析,可以方便地确定三采区在采高为4.63m的条件下,综采工作面两带发育规律模拟成果见图4～6所示,计算结果见表4。

3.1安全煤柱的留设与可靠性研究

据“三下”采煤《规程》规定,在这种水体允许受采动的水文地质条件下,采用防水煤岩柱进行开采,即安全煤岩柱高度=冒落带高度+保护层厚度,保护层厚度按“三下”采煤采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与开采规程》规定,可按“弱含水层厚度小于累计采厚”的情况选取,由此确定的三采区浅部工作面需留设的安全保护煤岩柱高度为:17.1+13.89=30.99m。

1031工作面浅部基岩面标高为-236.51m,风氧化带厚度为15m;按上述研究成果,采用综采采煤技术计算,安全煤岩柱高度为27.45m。由此确定开采上限为-263.96m,。由于本工作面是西三采区提高开采上限,留设防水煤柱的第一个试采工作面,为确保该工作面开采安全稳妥进行,增大其安全系数;同时也为保证采出煤炭质量不受断层和风化影响,实际其开采上限标高为-292.3m。1031工作面风巷标高为-292.3m,1031工作面防水煤岩柱实际高度为55.83m,远远大于计算的安全煤岩柱高度27.45m。因此,1031工作面开采,顶板“四含”无突水危险性。

4含水层下1031工作面开采安全调控技术措施

根据《煤矿安全规程》及《煤矿防治水规定》中的有关内容,1031工作面安全防控应按照相关的安全技术原则来实施,采用井上、下物探、钻探相结合,时刻观测开采区域水文地质的变化情况,并加强地质观测的研究工作,并建立地下水长期动态观测系统来预防“四含”水害,从而确立出安全合理有效的综合防治措施。

5结论

通过研究资料和建立FLAC3D有限元数值模拟软件,最后计算出五沟煤矿1031采区煤层开采冒落带高度为14.00m,最大冒高采厚比为4.69。使得煤层留设从55.83m降低到35.60m,减少近20m的压煤量,共计解放煤炭资源量20万t,在原来的基础上带了上千万元的经济效益,为五沟煤矿防水煤柱的有效回收和安全回采提供了科学依据。

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