補者煤礦帶壓開采煤層底板突水可靠性分析

劉新禮

(山西煤炭進出口集團有限公司，山西 太原 030006)

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·專題綜述·

補者煤礦帶壓開采煤層底板突水可靠性分析

劉新禮

(山西煤炭進出口集團有限公司，山西 太原 030006)

以補者煤礦帶壓開采工況為例，對煤層底板突水可靠性進行了分析。由該礦2號煤樣隔水層厚度及細砂巖容重正態擬合情況得出該礦巖體物理力學指標均接受正態分布，因此使用蒙特卡羅法計算該礦相應的結構失效概率、可靠度指標，計算得到補者礦2煤標準設計開采深度-230 m處的可靠系數約為1.70，底板失效概率為0.03～0.05，對應的突水系數為0.06 MPa/m，這為該礦帶壓開采的工程設計提供了依據，避免了單純閾值作為突水判據的不合理性。

帶壓開采；底板突水；突水系數

補者煤礦位于貴州省黔西南布依族苗族自治州普安縣，礦區與縣城距離約75 km，主要出露的地層為第四紀、二疊龍源組和三疊鳳縣組。其中，龍源組為含煤地層，多為粉砂巖、黏土巖，厚度約40 m. 第四紀多以黃色粉黏為主，夾雜卵石，厚度為3～8 m. 鳳縣組則多為裂隙灰巖，為高承壓水地層，因此面臨帶壓開采的風險。

帶壓開采是深部采煤的重要工作方式，為了避免礦井突水，通常使用突水系數方法研究突水的不確定性。但有時突水安全系數足夠大，仍然會出現突水事故。面對這樣的問題，一般嘗試使用結構可靠度理論來研究突水問題的可靠度。因此，借鑒地震作用下的結構可靠度理論[1-3]，結合補者煤礦的工程實際，研究三疊鳳縣組的高承壓帶壓開采的突水問題，為普安煤礦的安全開采提供一個應用范例。

1 補者煤礦2號煤底板突水可靠性分析

1.1 水文地質概況

根據DZ1和DZ2兩個鉆孔的鳳縣組1～3抽水試驗結果，發現本層為中低等含水層，其導水系數為0.046 L/(s·m)，水位為24.60 m左右。該礦區從2014年開始對底板水進行排水施工，根據最新的觀測結果，鳳縣組水位已經跌至-150.79 m深度處。因此在放水之后，如何計算2號煤底板的突水可靠性系數，對于補者煤礦的安全生產具有重要的意義。

1.2 補者煤礦2號煤底板突水可靠性

結構可靠度是指工程結構在規定時間內規定條件下，完成預定功能的概率。在承壓水作用下，煤礦保護層的失效模式主要是結構強度的失效，即由于保護層本身厚度不足，巖層組合梁的力學強度不夠，或這兩種因素同時存在的結果。因此，使用超靜定梁推導的安全水壓力計算得到的巷道底板巖層厚度t作為可靠性分析的指標，見式(1)[4]：

(1)

式中：

h—安全水壓值，Pa；

t—巷道底板巖層厚度，m；

L—巷道底板寬度，m；

K—巷道底板巖層的抗拉強度，Pa；

r—巷道底板巖層容重，kN/m3.

補者煤礦2號煤設計標高為-230 m. 根據給出的實際承壓水位，認為可靠度計算開采上限為-250 m、下限為-430 m. 分別計算2號煤隔水底板結構穩定的可靠度指標以及失效概率。收集了25個2號煤的鉆孔樣本，樣本隔水層厚度及細砂巖容重的正態分布擬合情況見圖1. 假設各個參數的估計方法為最大似然法[5]. 補者煤礦2號煤樣本隔水層厚度、砂巖容重的正態擬合情況給出了不同厚度數據上的概率分布，見表1，表2.可以發現，所有的指標都接受正態分布。值得指出的是，假設檢驗的結果除了泥巖和粉砂巖比重之外都符合相關性檢驗。

圖1 2號煤樣本隔水層厚度及細砂巖容重正態擬合曲線圖

隔水層厚度/m概率密度隔水層厚度/m概率密度5.03E+011.07E-026.13E+017.29E-025.13E+012.04E-026.24E+016.32E-025.20E+012.91E-026.29E+015.48E-025.28E+014.11E-026.37E+014.45E-025.35E+015.11E-026.46E+013.64E-025.64E+019.36E-026.78E+011.10E-025.77E+011.00E-016.84E+018.36E-035.90E+019.93E-026.90E+015.01E-035.99E+019.19E-026.98E+013.68E-036.06E+018.22E-027.00E+012.67E-03

表2 2號煤樣本細砂巖容重正態擬合情況表

由于補者煤礦所有的巖體物理力學指標都接受正態分布，因此可以引入可靠度評價函數做出帶壓開采安全性分析，采用一般的荷載-抗力模式：

(2)

其中，β為可靠性指標。通過Matlab2012a軟件使用蒙特卡羅法計算得到補者煤礦相應的結構失效概率、可靠度指標，見圖2. 為了研究帶壓開采的可靠程度，需要給出工程的結構可靠性指標；同時從風險耐受能力的考量上，研究帶壓開采能夠接受的風險。由圖2可以清晰地發現，隨著突水系數上升，可靠性線性降低，而失效概率則出現指數增大的趨勢。按照可靠性指標和失效概率的不同階段，將趨勢劃分為3部分：1) 失效概率低位，從10E-5增大到了1E-2左右，而對應的突水系數為0.04～0.05 MPa/m，此時的可靠度從5.0降低到了2.1左右。2) 失效概率增加段，從1E-2增大到了8E-2左右，而對應的突水系數為0.05～0.06 MPa/m，此時的可靠度從2.1降低到了1.3左右。3) 失效概率激增段，從8E-2增大到了16E-2左右，而對應的突水系數為0.06～0.08 MPa/m，此時的可靠度從1.3降低到了0.9左右。

因此，根據《礦井水文地質規程》，同時考慮黔西南礦區實際情況，將底板臨界突水系數取0. 06 MPa/m. 由圖2的失效概率曲線可以計算得到，補者礦2號煤的底板失效概率為0.03～0.05. 根據規程，由圖2中可靠系數曲線，可以得到補者礦2號煤標準設計開采深度-230 m處的可靠系數約為1.70，對應的突水系數為0.06 MPa/m.

圖2 補者煤礦相應的結構失效概率、可靠度指標曲線圖

2 結 論

本文開展了補者煤礦帶壓開采工況下煤層底板突水可靠性分析，使用突水穩定性的蒙特卡羅可靠性分析開展了工作，使得評價結果更加接近實際情況。全文使用了普安補者煤礦帶壓開采工況的數據給出了詳細的應用案例，可以為我國煤礦突水的安全性評價提供重要的參考。最終計算得到補者礦2號煤標準設計開采深度-230 m處的可靠系數約為1.70，對應的突水系數為0. 06 MPa/m，這為煤礦帶壓開采的工程設計提供了依據，避免了單純閾值作為突水判據的不合理性。

[1] 孟慶筱，王太松.二維有限元基巖水平向地震動模擬方法及檢驗[J].大地測量與地球動力學,2014(4):9-16，20.

[2] 王潤紅,郭聯宏,朱文勝,等.突水系數法在華晟榮煤礦水上帶壓開采安全評價中的應用[J].煤礦安全,2012(10):135-138.

[3] 韓青林.煤礦帶壓開采技術體系分析[J].硅谷,2013(18):48，78.

[4] 田坤云,劉志源,唐現奇,等.新密西區煤礦群帶壓開采條件下水災害綜合治理[J].遼寧工程技術大學學報(自然科學版),2014(1):17-22.

[5] 許海濤,吳新慶,丁順華.許廠煤礦11603工作面帶壓開采安全性評價[J].中國煤炭,2015(9):41-44，68.

Reliability Analysis on Floor Water Inrush of Mining Coal Seam with Pressure in Buzhe Coal mine

LIU Xinli

The reliability of coal seam floor water inrush is analyzed. Based on the normal fitting of water thickness and tiny sandstone density of No.2 coal sample in the coal mine, it is concluded that the physical and mechanical indexes of the rock are subjected to the Normal Distribution, and the Monte Carlo method is used to calculate the corresponding structural failure probability of the No.2 coal seam under the surface in the coal mine. The reliability index is calculated to be 1.70, the failure probability of the floor is 0.03～0.05, and the corresponding water inrush coefficient is 0.06 MPa/m, it provides a basis for engineering design of mining with underground water pressure, also for avoiding the irrationality of simply observing the threshold as the criterion of water inrush.

Mining under pressure; Floor water inrush; Water burst coefficient

2017-03-28

劉新禮(1986—)，男，山西懷仁人，2015年畢業于太原理工大學，工程碩士，助理工程師，主要從事煤炭安全管理工作

(E-mail)147377358@qq.com

TD745

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1672-0652(2017)05-0050-03