姚橋煤礦7706 工作面淺部煤層水體下開采可行性分析

孫小軍

上海大屯能源股份有限公司

為了對姚橋煤礦7706 工作面微山湖下安全開采的可行性進行論證，運用理論分析和數值模擬相結合的方法對工作面淺部區域開采后覆巖破壞高度進行預測。結果表明，無論是理論分析還是數值模擬計算，工作面開采后，導水裂縫帶高度均達不到強含水層-第四系底含，更不能波及湖水，論證了7706 工作面湖區下安全開采的可行性。

煤炭資源是礦井生存的基礎，面臨資源日益枯竭的老礦井，對“三下”壓煤進行挖潛，增加礦井可采資源儲量，是礦井能否生存和發展的前提，是老礦井當前十分緊迫和必要的任務。姚橋煤礦分為湖區和非湖區兩部分，現在非湖區7 煤已經開采殆盡，湖區部分也只有部分工作面和淺部煤炭未進行開采。7706 工作面位于新東四采區淺部，根據過去對礦井淺部露頭區開采上限設定，在7706 工作面-174 水平以淺未進行開采。為了礦井接替，同時提高老礦井服務年限，對7706 工作面淺部開采進行了論證。重點研究了工作面開采引起的覆巖破壞高度，論證其水體下開采安全性。

工作面概況

姚橋煤礦新東四采區位于區域水文地質單元中部偏南，為姚橋煤礦井田地東部擴區，與西部井田屬于同一水文地質塊段。本區主要開采煤層為7、8 號煤，煤層屬緩傾斜煤層，淺部煤層傾角較大，約13°左右。開采的煤層為7 號煤，煤層厚度約4.3～6.07m，平均5.37m，直接頂巖性為泥巖或砂質泥巖，以砂質泥巖為主，基本頂為灰白色細砂巖，底板巖性主要是泥巖和砂質泥巖。7706 工作面是7501綜放工作面東部的后續工作面，擬采用俯斜開采，工作面長度為180m 左右。該工作面位于微山湖的淺部區域，工作面標高距湖底的距離約204m，工作面開采后，受采動影響，覆巖裂隙將向頂板方向發展，若發展裂隙波及富水性強的松散含水層甚至湖水，工作面就有突水的危險性，因此有必要對工作面開采后覆巖破壞的發育高度進行預測。

覆巖破壞高度的理論分析

類比法預測“兩帶”高度

根據孔莊礦7501 綜放工作面地面“兩帶”孔實測結果，7 號煤綜放開采的導水裂縫帶高度為61m，采高為5m，裂采比為12.2；垮落帶高度為32m，垮采比為6.4。姚橋礦在7507 工作面井下仰上孔實測的導水裂縫帶高度為63.6m，采高4.7m，裂采比為13.53。可見兩個礦導水裂縫帶高度比較接近。

由此可以得到全煤厚綜放條件下姚橋礦7706 工作面導水裂縫帶高度：

預計垮落帶高度為：

經驗公式法預測“兩帶”高度

按照《三下采煤規程》規定選取中硬類覆巖的“兩帶”高度計算公式，可得到7706 工作面當開采厚度為5.2m 時的導水裂縫帶、垮落帶的計算值：

由此可見，由《三下采煤規程》中經驗公式預計的裂縫帶和垮落帶高度偏于不安全。因而，綜合確定采高為5.2m 時理論計算裂縫帶和垮落帶高度分別為70.3m 和33.3m。

覆巖破壞高度的模擬研究

FLAC3D 建模過程

FLAC3D 是一款三維顯式有限差分程序，主要用來模擬工程中遇到的地質材料力學問題。該軟件將連續的介質劃分為若干個單元，不同單元之間依靠節點連接，以節點的位移連續性取代質點的位移連續性，通過調整單元的剖分密度來控制數值模擬的精度。為了建立FLAC3D 計算模型，必須進行以下工作：建立有限差分網格（建立分層模型）；確定本構特性與材料性質（材料特性及巖石強度準則）；確定邊界條件與初始條件；給定命令計算，達到開挖前原巖應力狀態。然后進行工程開挖或改變邊界條件來進行工程的響應分析，采用顯式有限差分程序進行求解。

表1 巖石力學參數

圖1 工作面開采模型圖

模型參數

為了模擬實際開采過程中覆巖破壞高度，建立如圖1所示的模型。工作面傾斜布置，寬度取180m，考慮到邊界效應的影響，最終模型的長度為600m，高度為295m。整個模型共劃分為19800 個單元，23188 個節點，為加快計算速度，按區域需要考慮的輕重來調整單元的疏密。建模過程中的力學參數如表1 所示。

結果分析

（1）破壞場結果分析

通過對破壞場的分析，可以直觀地看出頂板塑性區的分布及裂隙的發育情況。根據單元體不同的破壞形態，可以分為拉伸破壞區、剪切破壞區和未破壞區。拉伸破壞區是由于拉應力超過了巖體的抗拉強度導致的，剪切破壞區主要是頂板巖體收到剪應力作用導致巖體變形破壞。一般認為，垮落帶為拉伸破壞區，而裂隙帶為剪切破壞區。

圖2 是姚橋煤礦工作面推進不同的距離頂部巖體的發育情況。模擬過程中發現，隨著工作面的逐漸推進，工作面頂板、底板及工作面兩幫處均產生明顯的塑性破壞，從頂板向上依次發育著垮落帶和裂隙帶，破壞范圍呈“馬鞍”狀。推進過程中發現當工作面推進至150m 左右破壞帶高度不再向上發展，即頂板發育高度達到最大，繼續推進，只是水平方向的橫向發展。

（2）位移場模擬結果分析

圖2 工作面推進過程中破壞場分布

隨著工作面的回采，工作面頂底板的位移也在不斷發生變化。如圖3 是姚橋煤礦7706 工作面推進120m 和180m 時位移場模擬結果。

通過位移場發現，隨著開采工作的進行，工作面頂板的位移逐漸加大，通過顏色可以判別某一位置的豎直位移大小。受到煤層傾角的影響，數值位移分布有明顯的不對稱性。工作面開采后，采空區內的矸石逐漸得到壓實，工作面推進180m 時同一位置的位移值相對工作面推進120m 更大，說明發育還在繼續，模擬過程中發現，推進至150m 左右時頂板最大位移不再發生變化，說明達到了充分采動狀態。

（3）最大主應力場模擬結果分析

如圖4 是姚橋煤礦新東采區7706 工作面推進120m 和180m 時最大主應力場模擬結果。

表2 7706 工作面不同方法得到的覆巖破壞高度匯總

圖3 工作面推進過程中位移場分布

通過最大主應力場模擬結果發現，采空區上方與塑形破壞區相似，均出出現了一個近似馬鞍狀的區域。工作面前方一定距離處出現應力集中現象，而采空區上部應力相對較低，分析原因主要是由于頂板破壞后形成梁的結構，講應力向兩邊轉移，從而中部出現應力降低的現象，根據破壞準則，可確定某一區域是否發生破壞。

通過以上對7706 工作面在兩種不同推進距離情況下的破壞場、垂直位移場和最大主應力場的模擬結果，可計算得到7706 工作面的導水裂縫帶高度和垮落帶高度分別為60m 和25m（見表2）。

綜合以上分析發現，無論采用理論計算還是數值模擬方法得到的姚橋煤礦7706 工作面的頂板發育高度均遠小于工作面至第四系強含水層的距離101m，更不能波及湖水，因此7706 工作面可安全開采。

圖4 工作面推進過程中最大主應力場分布

結語

（1）為了論證姚橋煤礦7706 工作面湖區下安全開采的可行性，通過理論計算工作面的導水裂縫帶高度為70.3m，裂采比為13.53；垮落帶高度為33.3m，垮采比為6.4。

（2）對7706 工作面進行數值模擬發現，隨著采煤工作的進行，從煤層頂板開始，依次分布著拉伸破壞區、剪切破壞區和未破壞區域，通過對破壞場、位移場和最大主應力場分析，最終確定模擬結果的導水裂縫帶高度為60m，裂采比為12.5；垮落帶高度為25m，垮采比為5.2。

（3）通過不同方式對工作面開采后覆巖破壞高度進行預測表明，頂板發育高度遠小于工作面至湖區底，因此確定7706 工作面可安全開采，開采過程中無大的構造不會發生大的突水事故。