木瓜礦10-103 工作面陷落柱區域突水機理及危險性評價

姚澤峰

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司，山西 方山 033102）

1 工程概況

山西焦煤霍州煤電集團10-103 工作面井下位于一采區，工作面東部和北部均為實體煤，南部為采區大巷，西部為10-105 工作面采空區。工作面開采10#煤層，煤層平均厚度為2.75 m，平均傾角為7°。工作面區域直接頂巖層為泥巖，均厚1.1 m；基本頂巖層為細粒砂巖，均厚5.3 m；直接底巖層為泥巖，均厚3.2 m；老底巖層為粉砂巖，均厚2.3 m。根據礦井地質資料可知，10#煤層上部主要含水層為石炭系上統太原組砂巖、灰巖含水層及二疊系砂巖含水層，其中影響工作面安全回采的含水層主要為太原組砂巖、灰巖含水層。根據工作面周邊南5、ZK3 鉆孔綜合分析，工作面范圍內太原組中普遍含有L1+K2、L4、L5 三層石灰巖及3 層中細粒砂巖，含水層賦水不均勻，局部存在富水區。根據工作面回采巷道掘進期間揭露的X11 巖溶陷落柱，該陷落柱長軸為18 m，短軸為10 m，陷落柱內充填物主要為黃土和矸石。為有效防止工作面回采期間陷落柱區域出現突水現象，特進行巖溶陷落柱突水機理及突水危險性的評價分析。

2 巖溶陷落柱突水機理

2.1 突水模式分析

根據眾多相關巖溶陷落柱形成過程的研究可知，陷落柱內部巖石的性質與原巖地層之間存在著明顯的不同。巖溶陷落柱區域主要受到三種作用力，分別為巖溶陷落柱本身及其覆巖的自重應力、原巖塌陷在柱壁的集中應力、高壓地下水壓力。在巖溶陷落柱形成后，自重應力與集中應力基本不會發生變化，而地下水壓力為一個變量，其是導致巖溶陷落柱突水的主要應力。另一方面，開采擾動也是誘發巖溶陷落柱突水的應力。開采擾動對巖溶陷落柱的影響主要表現在兩個方面，分別為開采擾動使得煤巖體發生松動，以致產生裂隙；另一種為開采擾動導致地下水的導升，使得地下水沿著裂隙逐漸擴展至一定的高度和寬度[1-2]。

綜合上述分析可知，按照位置關系可以將采掘工作面與巖溶陷落柱的位置關系劃分為三類，分別為采掘工作面在巖溶陷落柱的頂部、在巖溶陷落柱導水段側面、在巖溶陷落柱非導水段。誘發巖溶陷落柱突水的地質應力主要為地下水壓力，人為應力主要為開采擾動，據此可知巖溶陷落柱的主要突水形式為：滲透失穩突水和開采失穩突水[3]。根據相關組合巖梁模型建立隔水煤巖層力學模型如圖1。

圖1 組合巖梁模型對應巖溶陷落柱示意圖

2.2 突水模式的判據（巖梁模型）

在分析工作面回采期間是否會出現突水危險性時，基于巖層均以層狀進行賦存，采用組合梁理論[4]，建立組合梁力學模型如圖2。

圖2 組合梁簡化模型示意圖

圖中：L為巖梁的長度，m；F為水平應力，kN；P為垂向應力，kN；s為弧線長，m；z為最大撓度，m。

根據彈性力學中的相關知識可知，巖梁撓度表達式[5]為：

式中：f（s）為梁橫界面上任意點的撓度，m；其余符號含義同上。進一步通過推導分析能夠得出組合隔水層的應變能力為：

式中：U為組合隔水層的應變能力；k為巖梁變形后的曲率，m-1；I1為橫截面慣性矩，N·m；I2為硬巖層橫截面慣性矩，N·m；E1為彈性模量，MPa；E2為硬巖層的彈性模型，MPa；其余符號含義同上。進一步結合突變理論能夠推導得出由水平力F和垂直力P構成的F-P控制空間，通過對巖梁系統不同平衡狀態下模型失穩條件的推導能夠得出，模型失穩的充分必要條件為：

式中各項符號的含義同上。

3 突水危險性評價

3.1 模糊評判法

根據10-103 工作面內X13 陷落柱的發育特征，結合陷落柱突水機理的分析結果，選取具有可行性和代表性的指標，主要選取五大影響因素，分別為陷落柱所在地段巖溶地下水徑流條件、巖溶陷落柱內部結構和其導水性、關鍵隔水層、采掘工程的擾動、巖溶陷落柱周邊地質構造發育情況。具體選取的影響陷落柱突水因素見表1。

表1 影響巖溶陷落柱突水因素

本次陷落柱區域突水危險性評價采用模糊綜合評價法，多層次綜合評判的數學模型建立步驟如下[6]：

（1）因素集F={F1,F2,...Fn}按照某些屬性劃分成m個子集，即：fi={fi1,fi2,...fin}，其中i=1,2,3…m。

（2）針對每一個因素集Fi分別作出綜合評判，設C={c1,c2...cs}為評判集，其中Fi中各因素對應的V權重分配為Ai={ai1,ai2...ain}，其中ai1+ai2+ai3+….+ain=1，當Ri為單因素評判矩陣時，能夠得出一級評判向量Bi=Ai·Bi=(bi1,bi2...bis)，其中i=1,2,3…m。

（3） 將每個Fi視為一個因素， 計μ={F1,F2,...Fm}，其中μ為一個因素集，μ的單因素評判矩陣R為：

式中：R為單因素評判矩陣；Bi為一級評判向量；Fi為一個影響因素；bi為二級評判向量。

模糊理論應用時，首先需建立模糊集隸屬函數，針對突水影響因素中的I～IV 等級，分別賦予數值1～4 的邊界值，其隸屬函數分別為：

3.2 評價過程及結果

根據上述確定的影響陷落柱突水的主要因素，結合X11 陷落柱的具體特征，具體各項陷落柱影響因素如下：

（1）陷落柱所處區域水文地質條件。X11 陷落柱區域巖層主要以粉砂巖和灰巖為主，且陷落柱下部礫狀灰巖的厚度為218.4～229.74 m，該巖層中部的富水性較強，另一方面奧灰單位涌水量為0.004 27～26.75 L/s·m 之間，巖層滲透系數為0.05～304 m/d，陷落柱所處區域地面為強徑流帶，奧灰頂部水壓平均為6 MPa。

（2）陷落柱內部結構及周邊構造。基于工作面的地質條件可知，X11 陷落柱內多為松散巖體，陷落柱內充填的巖石基本與原始巖層一致，工作面共計發育4 條斷層，斷層落差為0.4～1.8 m。

（3）關鍵隔水層特征。奧灰含水層與工作面的隔水巖層主要為灰巖、粉砂巖和泥巖，奧灰含水層與工作面煤層底板的平均間距為45.77 m。

（4）采掘工作面特征。10-103 工作面走向長度為1100 m，傾向長度為175 m，開采10#煤層平均厚度為2.75 m，平均傾角為7°，工作面區域頂板巖層為泥巖和細粒砂巖，底板巖層為粉砂巖，工作面下巷距離陷落柱邊緣為5 m。

通過層次分析法進行陷落柱突水危險性評級分析時，確定影響因素的指標權重數值見表2。

表2 陷落柱突水危險性影響因素權重表

基于上述文中提出的確定隸屬函數的方法，通過計算能夠得出一級模糊評判的表達式如公式（6）：

基于一級模糊評判的表達式，進一步分析得出二級模糊關系矩陣R為公式（7）：

得出二級模糊評判如下：

根據最大隸屬度原則，確定B=0.399。據此可知，10-103 工作面內X11 陷落柱內存在極大的突水危險性。

4 結論

根據10-103 工作面及X11 陷落柱的具體條件，通過分析巖溶陷落柱突水模式和突水判據，通過模糊評判法建立評判模型，采用層次分析法確定X11陷落柱具有極大的突水危險性。評價結果為工作面的安全生產提供指導，工作面過陷落柱時需要采取有效的疏水、降水或堵水措施，確保陷落柱無突水危險性后方可繼續回采。