霍爾辛赫煤礦3102工作面水體下采煤可行性分析

張志偉

（山西霍爾辛赫煤業有限公司，山西長治 046000）

霍爾辛赫煤礦3102工作面水體下采煤可行性分析

張志偉

（山西霍爾辛赫煤業有限公司，山西長治 046000）

通過分析了霍爾辛赫煤礦地表水體及礦井充水因素、覆巖結構、導水裂隙帶發育規律、地表變形對采煤的影響，結合附近煤礦導水裂隙帶發育現場實測以及對數值模擬結果的比較，論證了該煤礦水體下采煤的可行性。

水體下采煤；數值模擬；導水裂隙帶高度；地表移動變形

霍爾辛赫煤礦設計生產能力300萬t/a，主要開采山西組下部3號煤層，煤層埋藏深度446～466 m，煤平均厚度5.65 m，煤層傾角3°～5°。井田區內主要河流為濁漳河南源，雍河和嵐水河為其支流，均常年有水。現開采3102工作面，地表水體的存在對工作面布置和生產接續造成了巨大的阻礙，因此需對地表裂隙、導水裂隙帶及其地表移動變形是否影響安全開采進行可行性研究。

1 礦井充水因素

3102工作面現開采3號煤層，工作面充水水源主要為煤層頂板砂巖裂隙含水層，充水通道為采動裂隙及構造破碎帶，因都屬弱含水層，其充水量有限，不影響礦井生產，煤層埋藏較深地表水體和基巖風化帶水不會形成對礦井直接充水影響，可成為礦井充水間接補給水源。

2 覆巖結構分析

覆巖結構特征對水體下安全開采意義重大[1-2]。現對3102工作面周圍2908、2801、2708號鉆孔柱狀圖分析總結，本區3號煤層上覆巖層為二疊系下統山西組（P1s）、下石盒子組（P1x）和二疊系上統上石盒子組（P2s）地層，其巖性主要為中、細砂巖、粉砂巖、泥巖、砂質泥巖交互沉積而成，沉積比較規則。2908號鉆孔頂板上覆巖層巖性統計結果，如表1所示。

表1 2908號鉆孔頂板上覆巖層巖性統計表

根據霍爾辛赫煤礦頂板上覆巖層巖性統計結果，3號煤層直接頂砂質泥巖自然抗壓強度9.2～10.5 MPa，泥巖自然抗壓強度18.1～42.5 MPa，粉砂巖自然抗壓強度19.0～32.3 MPa。老頂細粒砂巖自然抗壓強度17.8～66.1 MPa，粗粒砂巖自然抗壓強度43.82～84.5 MPa。依據頂板厚度、巖性特征及力學性質，直接頂板綜合評價為不穩定至中等穩定；老頂為中等至穩定，以穩定為主。根據巖層抗壓強度分類，3102工作面上方煤系地層為中硬-堅硬型覆巖力學結構。

3 綜放開采導水裂縫帶發育規律分析

3.1 綜放開采頂板覆巖破壞過程數值模擬

運用巖層破斷過程分析系統RFPA來進行數值模擬。采用平面應變模型模擬3102綜放工作面覆巖垮落破壞過程。模型沿水平方向取300 m，鉛垂方向取180 m，底部至3號煤層老底。由于實際巖層較多，為了簡化模型，建模時將厚度較薄，性質相近的巖層組合在一起，巖層之間預設層理，系統設定基元為均質、各向同性線彈脆性體，每一巖層為非均質的，如表2所示。

表2 工作面上覆巖層物理力學參數

綜采放頂煤一次采全高工作面上覆巖層運動破壞規律的模擬，見圖1。

圖1 導水裂隙帶發育高度

數值模擬結果由圖1可見，當工作面推進到16 m時，裂縫帶高度達到6 m左右，繼續推進到64 m時裂隙帶高度達到52 m，呈現緩慢增長趨勢，推進到80 m時高度發育到80 m，推進到92 m時高度發育到120 m，再繼續推進高度便趨于穩定，縱向上不再向上發育，當工作面繼續向前推進時，上位頂板呈現出周期運動的特征。經過對3102工作面覆巖破壞動態發育過程模擬得出，綜放一次采全高有效采厚6 m時工作面導水裂縫帶最終發育高度約為120 m。

3.2 導水裂縫帶最終發育高度的理論計算

根據“三下”采煤規程公式[3]

式中：∑M為累計采厚，m；Hli為導水裂隙帶的理論高度，m。

計算所得導水裂隙帶的理論高度為：

3.3 綜放覆巖破壞高度現場實測

本地區附近王莊煤礦以及高河煤礦導水裂縫帶高度觀測結果，如表3所示。

表3 國內部分煤礦導水裂縫帶鉆探實測資料

綜合表3實測資料，特別是本礦附近王莊煤礦、高河煤礦綜放開采導水裂縫帶現場實測資料，同時參考數值模擬及理論研究成果，采用回歸方法，獲取導水裂縫帶最大高度計算經驗公式如下：

式中：M為煤層有效采厚，m；Hli為導水裂隙帶的理論高度，m。

由此可得導水裂隙帶的最大高度為131.2 m，并由上述所得可以作為本井田內水體下采煤防水安全煤巖柱的留設依據。

3.4 安全防水煤巖柱高度留設

防水安全煤巖柱垂高按下式計算[4]：

式中：Hsh為安全防水煤巖垂高，m；Hli為導水裂縫帶的高度，m；Hb為保護層厚度，綜放開采條件下取3倍采厚；Hfe為基巖風化帶高度，通常取50 m。

3102工作面濁漳河水體下綜放開采所需防水煤巖柱尺寸分析比較，如表4所示。

表4 3102工作面濁水下開采各情況下防水安全煤巖柱尺寸比較

綜上所述，經過對頂板覆巖破壞高度數值模擬、經驗公式計算及其高度實測的分析比較得出取導水裂隙帶的最大高度為131.2 m，防水煤柱高度取200 m，而該區域地表水體距煤層400 m以上，開采不會波及地表水體。

4 地表移動變形分析

采用概率積分法對本次地表沉陷變形進行計算：

1）地表最大移動變形值

最大下沉值Wmax=qmcosα；最大傾斜值imax= Wmax/r；最大水平移動值Umax=bWmax。

表5 3102工作面綜放開采后地表最大移動與變形值

最大曲率變形值：kmax=±1.52Wmax/r2；最大水平變形值εmax=±1.52bWmax/r。

式中：r=H/tgβ；m為煤層采厚，m；α為煤層傾角，°；q為下沉系數；b為水平移動系數；H為煤層開采深度，m；tg β為主要影響角正切。

2）參照“三下”采煤規程和其他類似礦區的經驗，并借鑒潞安礦區的實測參數[5]，綜合選取概率積分法預計參數如下：

下沉系數：q=0.85，水平移動系數：b=0.31，主要影響角正切：tgβ=2.3。

將地表移動預計參數、開采范圍輸入計算機，采用概率積分法預計程序進行了計算和處理。3102工作面地表最大移動與變形值，如表5所示。

由此得出，地表最大下沉值為4 m，最大水平移動值為1.542 m，且煤層埋藏深度為450 m，結合上述分析可知導水裂隙帶高度為131.2 m，中間基巖層厚度為315 m，導水裂隙帶不會波及地表塌陷水體，對工作面的安全不會構成威脅。

5 結束語

工作面涌水主要為頂板基巖裂隙水，地表水體不會對開采造成充水影響。3102工作面導水裂隙帶上覆巖層整體隔水性能良好。其最大導水裂縫帶高度約為131.2 m，河下開采所需防水安全煤巖柱尺寸約為200 m,地表最大下沉值為4m，導水裂隙帶距地表沉陷處315 m，地表水體不會對工作面充水產生直接影響，3102工作面在水體下采煤是可行的。

[1]郭文斌，邵強，尹士獻，等.水庫下采煤的安全性分析[J].采礦與安全工程學報，2006,23（3）：323-330.

[2]武雄，汪曉剛，段慶偉，等.重大水利工程下礦產開采對其安全影響評價及加固措施研究[J].巖石力學與工程學報，2007,26（2）: 335-347.

[3]國家煤炭工業局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程[M].北京：煤炭工業出版社，2000.

[4]山西潞安環能股份有限公司王莊煤礦，煤炭科學研究總院唐山研究院.山西潞安環能股份有限公司王莊煤礦6206綜放工作面快速推進條件下“兩帶”高度觀測研究報告[R].2008.

[5]山西潞安環能股份有限公司五陽煤礦，煤炭科學研究總院唐山研究院.七八采區7802工作面漳河水體下采煤可行性論證與技術方案[R].2007.

Feasibility Analysis on Mining under Water Body of No.3102 Working Face in Huerxinhe Mine

ZHANG Zhiwei
(Shanxi Huerxinhe Coal Co.,Ltd.,Changzhi 046000,China)

The influence of surface water body,water filling factors,overlying strata structure, development of water flowing fracture zone,and ground deformation on mining were analyzed in Huerxinhe mine.Combined with field measurement of the water flowing facture zone,numerical simulation results were compared to verify the feasibility of mining under water body.

mining under water body;numerical simulation;height of water flowing fracture zone; ground movement and deformation

TD823

A

1672-5050（2015）03-0067-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.03.024

（編輯：薄小玲）

2015-02-08

張志偉（1986-），男，山西長子人，大學本科，助理工程師，從事煤礦水文地質生產和管理工作。