近松散含水層下淺部煤層開采安全煤柱合理留設研究

2023-10-24 03:42:44桂和榮

宿州學院學報 2023年9期

胡洋,桂和榮,李業

1.宿州學院資源與土木工程學院,安徽宿州,234000;2.淮北礦業股份有限公司祁南煤礦,安徽宿州,234000

淮北煤田位于華北聚煤區南緣,水害類型復雜,是全國大水礦區之一,水害事故頻發,松散層底部通常存在的弱至中等富水性含水層是其典型的突水潰砂含水層。對于松散層下煤炭資源的開采,安全煤(巖)柱合理尺寸的確定直接關系到工作面的安全開采,若煤(巖)柱尺寸過大,則會滯壓大量煤炭資源,造成煤炭資源的嚴重浪費;若煤(巖)柱尺寸過小,則會給工作面的開采帶來巨大的安全隱患[1-5]。因此,正確認識與分析松散含水層下開采覆巖的破壞特征,以此為基礎進一步探究所留設安全煤(巖)柱類型與尺寸,對礦井的安全高效開采意義重大。

針對采動過程中防水(砂)煤(巖)柱的穩定性機理問題,國內外眾多學者從采動影響下隔水層破壞模式、水砂突涌機理等方面進行深入的研究,并取得了大量卓有成效的研究成果[6-9]。隋旺華等[10]采用模型試驗的方法,對松散含水層下開采過程中含水土層及隔水層的孔隙水壓變化規律進行了監測與分析,得到了不同土層的物理力學性質、裂縫的尺寸對水砂突涌臨界坡度的影響規律。王曉振等[11]在將含水層水位降速作為臨界預警指標的基礎上,通過理論分析,得到了水位降速臨界預警值的理論解。方新秋等[12]對薄基巖厚表土層下開采時覆巖的運動規律進行了系統分析,將具有不同承載能力的表土層與基巖按照高度進行了安全性組合排列。許延春等[13]通過對各關鍵巖梁咬合點處的力學分析,提出了用基巖頂部最大拉伸水平變形值ε與潰砂有效粒徑d的比值代替“裂粒比”來評價潰砂發生危險程度的方法,并提出了相似地質條件下安全保護煤(巖)柱的留設公式。劉亞群等[14]運用PFC2D模擬軟件建立了淺埋薄基巖煤層開采的突水潰砂數值模型,研究了松散含水層的初始水壓、裂隙隙寬等因素對松散層滲透破壞、突水涌砂的影響規律。張蓓等[15]提出預測突水潰砂流量的數值計算模型,并制定了相應的防治措施。以上研究成果豐富與完善了安全煤(巖)柱的留設機理,為所選安全煤(巖)柱的可靠性分析提供了理論支撐,但研究內容多是在既定的安全煤(巖)柱類型基礎上開展的,而對特定地質及開采條件下的安全煤(巖)柱類型選擇方面研究較少。

基于此,以祁南煤礦312工作面的實際開采條件為背景,結合煤礦“三下”開采規范中相關準則與推薦公式,采用理論分析、數值模擬、實測類比分析的綜合研究方法對工作面回采過程中的覆巖破壞特征、留設安全煤(巖)柱類型與尺寸進行深入分析,以期為承壓含水層下工作面的安全開采提供依據。

1 工作面概況

祁南煤礦31采區共設計三個區段,沿煤層傾向布置,俯斜條帶開采。312工作面上部以-375 m防砂煤(巖)柱為界;下部以大巷保護煤柱為界;左側與313采空區相鄰;右側為311設計工作面,采區內工作面平面位置如圖1所示。工作面煤層平均傾角為12°,傾向長628 m,走向寬為241 m。工作面內開采32煤層,煤厚平均值為2.47 m,煤層平均傾角12°,工作面頂底板巖性特征如表1所示。

表1 312工作面煤層頂底板巖性特征

圖1 31采區工作面布置平面圖

根據相鄰83采區水文觀測鉆孔水位資料分析可知:隨著礦井開拓,采掘活動范圍的增加,煤系水位下降,四含水位隨之下降,說明四含水是煤系水的主要補給水源,研究區范圍內“四含”厚度介于20.2～35.8 m、其底板標高-336.80～-329.27 m,礦井按照初步設計留設的-375 m防砂安全煤(巖)柱線是否安全,其在采動應力與承壓水共同作用下,是否會發生破壞、失穩是亟須解決的問題。

2 四含及風化帶水文工程地質特征

二疊系含煤地層均被新生界松散層覆蓋,新生界松散層由第四系和新近系組成,其厚度整體由北向南,自西向東逐漸增大。按其巖性組合特征及其與區域水文地質剖面對比,自上而下可劃分四個含水層(組)和三個隔水層(組)。其中第三隔水層(組)主要巖性為灰綠色、棕黃色粘土和砂質粘土,夾薄層或透鏡狀砂2～5層,上部巖性質純,局部半固結狀,中下部粘土層可塑性好,膨脹性強,鈣質含量較高。三隔厚度大,分布穩定,為礦內良好的隔水層(組)。由于三隔的存在,三隔以上各含水層與其下的四含及基巖中的地下水失去水力聯系。

2.1 四含富水性評價

按照鉆孔單位涌水量,含水層富水性分為4級[16]:弱富水性:q≤0.1 L/(s·m);中等富水性:0.1 L/(s·m)5.0 L/(s·m);為進一步對研究區內“四含”的富水性進行評價,對312工作面內各鉆孔抽水試驗所得“四含”的單位涌水量q值進行統計,相應成果如表2所示。由表2可知:各鉆孔對應單位涌水量q皆小于0.1 L/(s·m),因此312工作面上部“四含”富水性較弱,故研究區“四含”為弱富水性含水層。

表2 各鉆孔抽水試驗單位涌水量及富水性統計

2.2 基巖風化帶透水性

通過鉆探過程中給水量與回水量的差值可以計算出沖洗液的漏失量,而通過漏失量的大小可以反映出巖體的透水性,基于此依托鉆探資料分析了312工作面切眼處、工作面中部、設計收作線位置對應水14、水15、水16三個鉆孔在基巖風化帶內鉆進過程中的沖洗液漏失量及水位變化。2021-14孔對應基巖風化帶沖洗液消耗段內消耗量為0～0.16 m3/h,水位基本無變化;2021-15孔對應基巖風化帶沖洗液消耗段內消耗量為0～0.15 m3/h,水位基本無變化;2021-16孔對應基巖風化帶沖洗液消耗段內消耗量為0～0.12 m3/h,水位基本無變化,根據水位與鉆孔沖洗液漏失量的大小,可以認為基巖風化帶透水性較差。由于研究區范圍內的風氧化帶透水性較差,即阻隔水能力相對較強,因此風氧化帶在開采過程中可視為隔水層,其對工作面的安全開采較為有利。

2.3 四含水體采動等級劃分

以研究區“四含”富水性特征、基巖風化帶水文地質特征為依據,結合“三下”開采規范中的礦區水體采動等級及允許采動程度劃分表,對采區水體采動等級進行劃分。由于研究區范圍內“四含”為弱富水性含水層,且疏降試驗結果表明試驗后可形成有效的降深,同時水位較為緩慢,因此該處“四含”具有一定的可疏降性。綜上分析,研究區范圍內四含滿足“有疏降條件的松散層和基巖弱含水層水體”條款,故其水體采動等級為Ⅱ類水體,允許采動程度為允許導水裂隙帶波及松散孔隙弱含水層水體、但不允許垮落帶波及該水體,要求留設的安全煤(巖)柱類型為防砂安全煤(巖)柱。

3 覆巖破壞特征及垮落帶高度計算

3.1 覆巖堅硬程度

覆巖的單軸抗壓強度是判斷其堅硬程度的重要指標,根據巖石單軸抗壓強度Rc值可以確定巖石的硬度。依據工程巖體分級標準[17],把巖石按力學類型分為五大類(表3)。在統計312工作面內的鉆孔巖芯物理力學測試結果的基礎上可知:研究區內除風化帶外的覆巖中,堅硬質巖石厚度占11%～20%,中硬質巖石厚度占70%～85%,軟質巖石厚度占3%～10%,故總體上312工作面覆巖屬中硬型覆巖類型。

表3 巖石單軸抗壓強度Rc對應巖石硬度表 Mpa

3.2 經驗公式計算垮落帶高度

由于312工作面內平均采厚為3.4 m,而“三下”開采規范中的分層綜采兩帶發育高度推薦公式的適用條件為單層采厚介于1～3 m,為進一步確保安全,可采用煤礦防治水手冊中綜放開采的垮落帶高度推薦公式進行計算,結合覆巖堅硬程度為中硬型,故垮落帶計算公式如公式(1)所示[18]。

(1)

其中Hm為垮落高度;ΣM為煤層有效采厚。

按照工作面內平均采厚3.4 m進行計算,實際操作時為進一步確保安全,將±4.71按照4.71進行計算。將上述數據代入式(1),利用經驗公式求得312工作面垮落帶高度Hm=21.07 m,即利用經驗公式所得312工作面垮采比為6.2。

3.3 實測類比法分析垮落帶高度

313工作面為31采區首采工作面,目前已收作,在工作面回采期間采用網絡并行電法技術對回采過程中覆巖的“兩帶”高度進行了實測分析。鉆孔觀測地質剖面如圖2所示。

圖2 鉆孔觀測系統及地質剖面圖

以煤層頂板孔口位置為坐標0點,垂直巷道指向頂板上方為Y軸正向,沿鉆孔測線在煤層頂板投影指向切眼方向為X橫正向。由于巖層電阻率越大,電極供電電流越小,在采動應力影響下,當巖層受采動影響后,巖層裂隙發育,導致孔內電極所測電流值會逐漸變小,因此可通過觀察電極電流在采動前后的比值變化情況,反演出電極點附近的裂隙發育情況。采動過程中電極電流比值與回采距離動態變化關系如圖3所示。

圖3 電極電流與回采距離動態變化圖

由圖3可知,當工作面推進至距鉆孔孔口70 m左右時,在超前采動應力的影響下,垂高20～32 m左右位置處電極電流比值降低,整體位于頂板粉砂巖與泥巖層位,隨著回采工作面的推進,由于裂隙發育范圍的不斷增大,導致電極電流比值降低的范圍逐漸增大,電流比值逐漸降到0.5左右。當工作面推進至鉆孔孔口12.3～20 m范圍時,整個電極系統電流比值幾乎都顯著降低,并出現明顯的分層現象,部分區域降至0.3左右。該時刻煤層頂板垂高32 m以上電流比值整體與前期電流比值無明顯變化,保持相對完整的巖層特征,該區域即為彎曲下沉帶所在位置。煤層頂板垂高14～32 m部分,電極電流比值降低的范圍隨工作面逐漸推進,電流比值緩慢下降,比值范圍為0.3～0.9,該區域即為導水裂隙帶發育的范圍;而煤層頂板垂高14 m以下部分,在采空區上方表現為很低的電流比值范圍,且與之前的電流比值無較大變化、表現出整體較小的現象,該區域即為垮落帶的范圍,因此313工作面的冒落帶高度為14 m。由于本次測線觀測區域內平均采高為2.9 m,因此313工作面垮采比為4.8。類比313工作面垮采比值,可得利用實測類比法所得312工作面的垮落帶高度h=4.8×3.4 m=16.32 m。

3.4 垮落帶高度數值計算

3.4.1 數值模型建立

以312工作面綜合柱狀圖為依據,運用Flac3d數值模擬軟件,構建數值計算模型。為提高計算效率,同時考慮到規則三維數值模型具有對稱性結構特點,可運用平面二維數值計算模型代替三維數值計算模型進行模擬分析,對應模型的尺寸為:長×高=700 m×300 m,網格劃分后的模型,共包含9 380個網格、19 110個節點,所構建的數值模型如圖4。

圖4 數值計算模型

模型左右兩端為水平位移約束;模型底部為固定位移邊界,底部的水平位移、水平速度、垂直位移、垂直速度皆為0;模型頂部為自由邊界,模型中未體現的巖土層以等效荷載的形式施加于模型上邊界,等效荷載σ=4.8 MPa。模型左右兩側各留設60 m邊界影響區域,并采用分步開挖方式模擬煤層開采過程,一次開挖步距為15 m。

在實驗室所得巖(土)層物理力學參數的基礎上,以313工作面開采的工程地質模型為基礎建立數值模型,當反演調參所得兩帶發育高度與實測兩帶高度值相同時,記錄下調整后的物理力學參數,并應用于312工作面的數值計算分析,對應物理力學參數如表4所示。

表4 物理力學參數表

3.4.2 垮落帶高度

巖石抗壓不抗拉,若采空區覆巖三個方向的主應力皆為拉應力則巖石會拉伸而發生破壞,并隨著頂板垮落形成垮落帶;若三個主應力中只有一個主應力為拉應力,則與之垂直的方向將產生明顯的裂隙而形成裂隙帶。根據該原則制定采動頂板“上三帶”數值界定準則[19],其中裂隙帶分布形態與高度主要取決于最小主應力,采空區頂板最小主應力中拉應力區域的高度即為裂隙帶的高度。由于頂板最小主應力中拉應力的范圍大于最大主應力中拉應力的范圍,因此可根據最大主應力(垂直應力)分布形狀與高度近似判斷垮落帶的高度。當工作面推進30 m、45 m、60 m、75 m時,垂直應力云圖如圖5所示。

圖5 4種推進步距下垂直應力云圖

如圖5所示,隨著工作面的不推進頂板覆巖一定區域范圍內垂直應力表現為正值(拉應力區域),當工作面推進距離為30 m、45 m、60 m和75 m時,拉應力垂直高度分別為3 m、5 m、7 m和9 m,即隨著工作面的不斷增大,垮落帶高度也出不斷增大。當工作面完全推進后,頂板垂直應力分布云圖如圖6所示。

圖6 工作面完全推進后垂直應力云圖

由圖6可知,當工作面回采結束后,采空區上部的冒落帶發育高度大于采空區下方,在采空區中上方處頂板拉應力區域最大,最大垮落帶高度值為20 m,因此利用數值模擬研究手段所得312工作面的垮采比為5.9。

4 工作面防砂煤(巖)柱尺寸計算

《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》中,關于安全煤(巖)柱保護層厚度的選取標準,如表5所示。由于研究區“四含”厚度介于20.2～35.8 m,覆巖的堅硬程度為中硬型,故312工作面防砂煤(巖)柱的保護層厚度按照3A計算。

表5 防砂安全煤(巖)柱保護層厚度

由312工作面內鉆孔實際揭露煤層厚度為1.47～3.36 m,按照最大采高為3.4 m,保護層厚度為采厚的3倍計算。綜上可得出類比313工作面兩帶發育高度實測值所得工作面防砂煤(巖)柱尺寸應為:16.32 m+3.4 m×3=26.52 m;由按照“三下”規程中計算公式所得垮落帶高度為21.07 m,由此可得工作面防砂煤(巖)柱尺寸應為:21.07 m+3.4 m×3=31.27 m;按照數值模擬計算所得結果計算工作面防砂煤(巖)柱尺寸為:20 m+3.4 m×3=30.2 m。從以上計算結果可以看出,按照“三下”規范留設的防砂安全煤(巖)柱高度最大,實測類比法留設的防砂安全煤(巖)柱高度與數值模擬留設的結果最為接近。因此,312工作面開采防砂安全煤(巖)柱高度取值為31.27 m。

研究區范圍內“四含”底板標高為:-336.80～-329.27 m,其中工作面切眼附近的2018-9孔基巖面最低,標高為-336.80 m,按照設計開采上限為-375 m,可得實際煤(巖)柱高度為38.20 m,比計算留設的防砂安全煤(巖)柱的尺寸31.27 m高6.93 m,所留設防砂安全煤(巖)柱示意圖如圖7所示。由圖7可知正常情況下312工作面的開采是安全的。