基于滲流解析理論的采煤工作面陷落柱危險性評判分析

張軍飛

(山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 晉中 045400)

根據(jù)對陷落柱突水進(jìn)行相似模擬和數(shù)值模擬的相關(guān)研究成果可知，對于陷落柱突水的分析模型，其基本組成存在一定的規(guī)律，按照其區(qū)域內(nèi)巖體破壞程度可以分為：一是陷落柱柱體周邊破壞區(qū);二是陷落柱周邊滲透區(qū)域;三是工作面采動形成的破壞區(qū)域[1]。巷道掘進(jìn)或者工作面的回采工作會對采場圍巖有一定的破壞，這種破壞有一定的區(qū)域，如果當(dāng)該區(qū)域擴(kuò)展到陷落柱的有效滲透范圍時，那么就會形成良好的過水通道，此區(qū)域是陷落柱突水的危險區(qū)域，在此區(qū)域進(jìn)行開采和掘進(jìn)是危險的。當(dāng)采動破壞區(qū)域遠(yuǎn)離陷落柱滲透區(qū)域時,開采活動是安全的。在陷落柱突水危險中，其中采動導(dǎo)致的破壞。

因此本文運用滲透解析理論對煤礦陷落柱突水危險性系數(shù)進(jìn)行分析和評判具有重要意義。

1 煤礦陷落柱突水滲透解析理論分析

為了求解陷落柱周邊滲透區(qū)域范圍,可以借鑒均質(zhì)土石壩的成熟理論和均質(zhì)土石壩滲流進(jìn)行計算模型，對于滲流進(jìn)行計算和分析，其計算過程以及復(fù)雜程度是不一樣的，通常斜面入流的滲流分析是比較復(fù)雜的[2]。而通過相關(guān)研究成果表明,使用虛擬適宜位置的垂直面代替上游壩坡斜面進(jìn)行滲流分析,最后的計算結(jié)果的和實際情況變化是不大的。所以在實際計算分析過程中，為了方便計算分析常以虛擬等效的矩形代替上游壩體三角形。虛擬矩形寬度按式(1)計算:

(1)

式中:m1為上游坡度系數(shù)平均值;H1為上游水深，m。

如果上游坡度系數(shù)平均值,其計算模型中的參數(shù)坡角度值比較大,并且其角度接近直角時,將與陷落柱的形態(tài)更為相似。無排水設(shè)施均質(zhì)滲流分析的思路是以滲流逸出點為界把壩體分為上、下游兩部分,分別列出各部分的流量表達(dá)式,并根據(jù)流量連續(xù)性原理,求出相應(yīng)的未知量(q，a)。由達(dá)西定律的有關(guān)計算方法,通過浸潤線以下所有單位垂直剖面的滲流量q為:

(2)

對公式(2)進(jìn)行積分處理可得:

(3)

同理,積分區(qū)間從EO斷面至逸出點CC斷面可得:

(4)

將公式(4)代入(3)變形得到:

(5)

2 柱體周邊圍巖塑性破壞區(qū)及采動時寬度計算分析

運用彈塑性力學(xué)的理論可以對其周邊破壞塑性區(qū)進(jìn)行計算確定，但是在計算過程中需要對其基本條件進(jìn)行假設(shè)，對于塑性破壞區(qū)域的計算可以按照巷道圍巖穩(wěn)定性分析中關(guān)于塑性區(qū)域的計算進(jìn)行。根據(jù)地應(yīng)力的相關(guān)理論可知，陷落柱所在區(qū)域巖石應(yīng)處于三向應(yīng)力狀態(tài),可以利用巷道圍巖穩(wěn)定性控制中的雙剪強(qiáng)度理論確定陷落柱周邊圍巖塑性區(qū),其公式為[3]:

(6)

工作面開采時,在工作面周邊形成塑性破壞區(qū),包括前方和底板兩部分破壞區(qū)。比較采場前方破壞寬度和底板破壞深度,為保證開釆更加安全,取較大值作為采動時圍巖的破壞深度。采場前方煤體的破壞寬度按照極限平衡方程[3]:

m(σx+dσx)-mσx-2σyfdx=0 .

(7)

采空區(qū)塑性破壞區(qū)計算:

(8)

式中：f為層面間的摩擦因數(shù)；M為采高,m；φ為內(nèi)摩擦角，°；N0為煤幫的抗壓強(qiáng)度,MPa；σr為支撐壓力，MPa。

煤層底板破壞深度計算模型[3]：

(9)

由公式(9)式可知,浸潤線的形式為拋物線,如果相關(guān)參數(shù)固定不變那么，x和y之間存在一定的變化規(guī)律。

3 工程實踐分析

3.1 陷落柱工程地質(zhì)概況分析

某煤礦在輔運巷掘進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn)有一個異常構(gòu)造區(qū)，通過采用井下物探、鉆探、槽探、水化學(xué)分析等手段對其異常構(gòu)造進(jìn)行進(jìn)一步驗證后，確定其為典型的陷落柱構(gòu)造。構(gòu)造體為一個基本垂向發(fā)育的面積為33.8 m×44.3 m的導(dǎo)水陷落柱，陷落柱的發(fā)育高度已進(jìn)入9#煤層頂板以上12 m,治理鉆孔探查到的深度在11#煤層以下5 m，陷落柱在這一段的空間形態(tài)為一個上小下大的垂直的構(gòu)造體。陷落柱發(fā)育根部在11#煤以下37 m深的奧陶系灰?guī)r地層，目前從已揭露的鉆孔中穩(wěn)定涌水量為16 m3/h,另外其根部發(fā)育的具體位置和平面大小面積也尚不清楚，存在地質(zhì)隱患，對煤層的開采推進(jìn)工作會構(gòu)成一定的突水威脅，需要在治理工作中進(jìn)一步探查。

影響主采煤層開采的石炭系含水層，主要發(fā)育有K2、K1兩層砂巖，巖性為淺灰色-灰白色厚層砂巖，以中粒砂巖為主，各砂巖含水層賦存于兩煤層底板和本溪組，屬層間裂隙承壓水。K2砂巖位于石炭系下統(tǒng)太原組底部，為開采煤層的間接充水含水層，厚度10 m左右，風(fēng)化裂隙發(fā)育，富水性不均一，一般較弱。K1砂巖位于石炭系中統(tǒng)本溪組，是開采煤層的直接充水含水層，為砂巖裂隙承壓水，巖性以中粗砂巖為主，厚度6 m左右，砂巖分布穩(wěn)定，成份以石英、長石為主，分選磨圓中等，孔隙式或接觸式膠結(jié)，經(jīng)過多年煤礦開采砂巖水已經(jīng)基本疏干，一般不會對煤層開采構(gòu)成威脅，只有在構(gòu)造破壞、采動裂隙及導(dǎo)水陷落柱溝通的情況下，間接發(fā)生水力聯(lián)系，才會對煤層開采造成一定影響。下組煤底板充水水源主要來自奧灰水。奧灰含水層是礦區(qū)主要含水結(jié)構(gòu)體，巖溶裂隙發(fā)育，含水層滲透性及傳導(dǎo)性強(qiáng)，地下水補(bǔ)給、運移、貯存條件良好，富水性強(qiáng)。在有構(gòu)造破壞、采動裂隙及導(dǎo)水陷落柱溝通的情況下，容易發(fā)生突水。奧灰最上層的馬家溝組灰?guī)r是下組煤開采的直接威脅含水層。在未來最下層11#煤的開采中，如果馬家溝組頻繁突水，其涌水構(gòu)成礦井涌水量，此時馬家溝組灰?guī)r便是直接充水含水層，對煤層的開采構(gòu)成直接影響。

3.2 陷落柱安全性評判計算分析

設(shè)陷落柱上部水頭壓力為4.5 MPa,換算成水柱高度為450 m;陷落柱發(fā)育高度近似為90 m,如果陷落柱為自由水面時,其公式中H1=600 m。如果y=100 m時,可以計算陷落柱其上部滲透危險的水平距離：

按照其工作面現(xiàn)場地質(zhì)條件,a=30 m;P為內(nèi)摩擦角,取35°；P=12 MPa；P1=5 MPa;m= 4。

陷落柱所在區(qū)域周邊塑性區(qū)32.25 m-30 m=2.25 m。

按照現(xiàn)場地質(zhì)條件,各參數(shù)取值如下:N0=8.78 MPa;M保守取4 m,如果K=5，則可以計算工作面煤體的破壞寬度L= 1.92 m。通過上述計算公式計算可以確定其底板破壞寬度為11.78 m。通過計算分析結(jié)果以及對照煤礦相關(guān)防治水規(guī)范可知此陷落柱有突水的危險性，需要進(jìn)行相應(yīng)的防治水措施進(jìn)行處理。

4 結(jié)束語

通過對土石壩滲流計算模型的理論分析，對煤礦陷落柱突水危險性評判參數(shù)——上部滲透危險的水平距離，陷落柱其所在區(qū)域周邊塑性區(qū)，工作面煤體的破壞寬度，底板破壞寬度進(jìn)行了理論分析與計算。并運用此計算方法，對工程實踐中的陷落柱進(jìn)行了危險性評判，計算出其危險性評判參數(shù)的具體數(shù)值，結(jié)合煤礦防治水規(guī)范，確定了其具有突水危險性的安全評判結(jié)果。