斜溝煤礦3 號煤層覆巖結(jié)構(gòu)綜放開采頂板涌水量預(yù)測研究

王君卿

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦 ，山西 呂梁 033602）

1 概 述

煤礦水害是影響煤礦高效開采的重要影響因素之一，礦井內(nèi)的涌水現(xiàn)象阻礙著煤礦的正常開采，可造成重大人員傷亡事故和生產(chǎn)事故，惡化生產(chǎn)環(huán)境。斜溝煤礦主體構(gòu)造以東西緩褶皺構(gòu)造為主，斷裂構(gòu)造較少。3 號煤層厚度為15 m，含水層以君河砂巖和洛河砂巖為主，該組成的含水層滲透能力強(qiáng)、含水量多。本文以斜溝煤礦3 號煤層為主要研究對象，研究斜溝煤礦3 號煤層在使用綜采放頂煤采法時的涌水量預(yù)測研究，以期對礦井水害防治研究提供一定的數(shù)據(jù)參考。

2 覆巖結(jié)構(gòu)綜放開采裂隙分布規(guī)律研究

2.1 覆巖結(jié)構(gòu)破壞分帶

覆巖結(jié)構(gòu)的煤層開采必然會使巖層發(fā)生移動和破壞。經(jīng)過科研人員的不斷觀察與研究，科研人員總結(jié)出一套較為科學(xué)的理論。覆巖結(jié)構(gòu)的移動與破壞具有分帶性的特點(diǎn)，各個分帶特征與采礦條件、地質(zhì)特點(diǎn)關(guān)系密切。覆巖結(jié)構(gòu)采礦區(qū)的上方因下部已經(jīng)采空，會導(dǎo)致上層發(fā)生失衡，從而破壞巖層產(chǎn)生斷裂。巖層的破壞程度會隨著與采礦區(qū)距離的變遠(yuǎn)而減少。經(jīng)過長時間觀察研究，采空區(qū)上方的巖層可分為三帶。其示意圖如圖1 所示。

圖1 采空區(qū)巖層三帶分布示意圖

其中，第一帶為冒落帶，易產(chǎn)生斷裂和裂隙，冒落現(xiàn)象較多；第二帶為裂隙帶，易產(chǎn)生斷裂和巖層滑動，巖層運(yùn)動劇烈；第三帶為彎曲下沉帶，離開采區(qū)較遠(yuǎn)，影響最小，易達(dá)到平衡狀態(tài)。在涌水量預(yù)測研究中主要是對前2 帶進(jìn)行研究，頂板涌水通道主要分布于這2 帶，冒落帶與裂隙帶也可稱作為冒裂帶。

2.2 裂隙帶高度確定

斜溝煤礦煤層主要以粉砂巖、礫巖及砂巖為主，頂板較為堅硬。根據(jù)實際測量，最大開采厚度為10～14 m。依據(jù)相關(guān)規(guī)定，煤巖柱垂高（Hsh）應(yīng)大于等于保護(hù)層厚度（Hb）與裂隙帶導(dǎo)水道的最大高度（H）f。其表達(dá)式為：Hsh≥Hf+Hb

保護(hù)層高度為：Hα=P/V+10

式中：P為靜水壓力（MPa）；V為突水系數(shù)。

依據(jù)斜溝煤礦的實際含水層數(shù)據(jù)，可計算出Ha為61 m。

對比周邊煤礦可得出裂隙帶的導(dǎo)采比為13.0。斜溝煤礦的開采高度為10～14 m，則裂隙帶的厚度為130～182 m。通過上述計算可知，導(dǎo)水裂隙帶的厚度為130～180 m，保護(hù)煤柱高度為61 m。無論導(dǎo)水裂隙帶的厚度選取任何值，都滿足實際使用需求。

3 煤層覆巖結(jié)構(gòu)綜放開采涌水量數(shù)值分析

3.1 涌水量數(shù)值模擬理論分析

傳統(tǒng)的力學(xué)理論只能分析出規(guī)則圖形，如圓形或橢圓形等的力學(xué)問題，對于復(fù)雜無規(guī)則圖形只能望而卻步。而復(fù)雜圖形的分析通常是通過對實際圖形進(jìn)行現(xiàn)場實測或者物理模擬進(jìn)行分析的。前者耗費(fèi)資源較多，后者分析較為局限。數(shù)值力學(xué)分析法可有效解決上述問題，模擬力學(xué)與結(jié)構(gòu)特性，還能研究各種邊值以及實際施工問題，對變化過程進(jìn)行預(yù)測。

斜溝煤礦的上覆含水層現(xiàn)階段為潛水階段，裂隙構(gòu)造簡單且發(fā)育十分緩慢，水滲透較慢，涌水量較低，水壓疏降也相對較慢。由于開采過程中淋水十分大，雖原因無法探查，但是出現(xiàn)礦井水害的概率仍較大，因此需研究洛河水的運(yùn)動規(guī)律及其是否會在運(yùn)動中侵入開采場。對該過程數(shù)值模擬可得圖2。

圖2 數(shù)值模擬示意圖

巖石強(qiáng)度（fs）的計算公式為：

其中，σ1為最大主應(yīng)力（MPa）；σ3為最小主應(yīng)力（MPa）；c為粘結(jié)力（粘結(jié)力）；φ為摩擦角。

3.2 數(shù)值模擬分析

煤礦開采的初級階段是打破原有平衡狀態(tài)到形成新平衡的應(yīng)力狀態(tài)。煤礦實施開采后，地下巖體的原有應(yīng)力狀態(tài)遭到破壞，應(yīng)力將進(jìn)行重新分布，圍巖發(fā)生形變且進(jìn)行應(yīng)力釋放，在該階段煤壁會出現(xiàn)低支承應(yīng)力區(qū)，隨著開采的不斷推進(jìn)，應(yīng)力會升至峰值，應(yīng)力峰值主要受開采深度、范圍和圍巖特性影響，隨著開采的加深，最后應(yīng)力會回歸正常水準(zhǔn)。通過實際的檢測發(fā)現(xiàn)，在開采前30 m，煤壁的支承壓力會發(fā)生前移且數(shù)值不斷增大，當(dāng)開采推進(jìn)至42 m后，壓力峰值會改變方向朝工作面方向移動且數(shù)值有所下降。如圖3 所示。初始階段的圍巖破壞是在工作面回采18 m 的位置開始的，破壞范圍不斷加大，直到54 m 破壞狀態(tài)達(dá)到峰值，進(jìn)入老頂巖層全破壞狀態(tài)，以拉破壞為主。當(dāng)工作面回采達(dá)到66 m 時，塑性區(qū)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，頂板趨于穩(wěn)定。

圖3 初采階段應(yīng)力分布圖

進(jìn)入正常開采狀態(tài)后，開采的擾動雖有一定影響，但圍巖與采空區(qū)已進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，該過程的應(yīng)力變化主要集中在工作面的平移。對垂直應(yīng)力進(jìn)行分析，垂直應(yīng)力是沿工作面進(jìn)行走向的，煤壁附近的煤礦所受垂直應(yīng)力較小，隨著回采深度的不斷加深，應(yīng)力不斷變大。在15～20 m 的位置應(yīng)力達(dá)到峰值狀態(tài)，數(shù)值為24 MPa 左右，該點(diǎn)之后垂直應(yīng)力呈下降趨勢，直到達(dá)到50 m 時應(yīng)力趨于穩(wěn)定，進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。在200 m 時，煤壁上方出現(xiàn)水平破壞帶，采空區(qū)直接頂、低破壞帶消失。在320 m 時，煤壁上方出現(xiàn)剪切破壞區(qū)，對含水層滲流活動造成影響。在560 m時，煤壁上方破壞區(qū)仍然較多，滲流活動變活躍。在798 m 時，煤壁上方破壞區(qū)仍然較多且采空區(qū)直接底產(chǎn)生破壞帶。在940 m 時，煤壁上方破壞區(qū)仍然較多，直接底有破壞帶且發(fā)生剪切破壞。在990 m 時，破壞帶減少，逐漸趨于穩(wěn)定。

工作面回采的初始階段，裂隙發(fā)育并不完全，主要以孔隙滲流為主要滲流方式。隨著回采的不斷加深，覆巖結(jié)構(gòu)的不斷破壞，滲流孔隙就會發(fā)展為裂隙，以裂隙滲流為主。通過分析可知，回采長度達(dá)到450 m 前，涌水量呈上升趨勢不斷增加；回采長度未達(dá)到100 m 時，覆巖結(jié)構(gòu)以孔隙滲流為主，滲流活動較為緩慢，預(yù)估涌水量為500 m3/d。隨著回采長度的不斷增加，覆巖結(jié)構(gòu)會受到嚴(yán)重破壞，圍巖發(fā)生位移形成裂隙帶，加劇滲流活動，直至發(fā)展到工作面中央，形成冒落。在回采長度為100、200、300 m 時涌水量達(dá)到極值，隨后呈下降趨勢。在450 m 時，涌水量達(dá)到峰值2 175.3 m3/d。隨后覆巖結(jié)構(gòu)逐漸穩(wěn)定，涌水量開始下降，在900-1 000 m3/d 徘徊。涌水量預(yù)計曲線圖如圖4 所示。

圖4 覆巖結(jié)構(gòu)開采頂板涌水量預(yù)測曲線圖

4 結(jié) 論

本文通過對斜溝煤礦3 號煤層覆巖結(jié)構(gòu)綜放開采時覆巖層的裂隙規(guī)律分析和相應(yīng)數(shù)值模擬分析可以看出，該覆巖結(jié)構(gòu)破壞區(qū)域可分為3 個帶，包括冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶3 個部分；且冒落帶巖體運(yùn)動方向為垂直向下且朝采空區(qū)位移，采空區(qū)煤體向冒落帶方向位移，工作面煤體水平朝工作面位移，覆巖結(jié)構(gòu)頂板滲流分孔隙和裂隙滲流2 種方式，通過預(yù)測分析可知，初始階段以孔隙滲流方式為主，用水量不斷增加，當(dāng)達(dá)到450 m 時，涌水量達(dá)到峰值2 175.3 m3/d，隨后開始下降，并在900-1 000 m3/d 區(qū)間波動。