霍爾辛赫煤礦3102工作面水體下采煤可行性分析

張志偉

（山西霍爾辛赫煤業(yè)有限公司，山西長(zhǎng)治 046000）

霍爾辛赫煤礦3102工作面水體下采煤可行性分析

張志偉

（山西霍爾辛赫煤業(yè)有限公司，山西長(zhǎng)治 046000）

通過分析了霍爾辛赫煤礦地表水體及礦井充水因素、覆巖結(jié)構(gòu)、導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律、地表變形對(duì)采煤的影響，結(jié)合附近煤礦導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)以及對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的比較，論證了該煤礦水體下采煤的可行性。

水體下采煤；數(shù)值模擬；導(dǎo)水裂隙帶高度；地表移動(dòng)變形

霍爾辛赫煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力300萬t/a，主要開采山西組下部3號(hào)煤層，煤層埋藏深度446～466 m，煤平均厚度5.65 m，煤層傾角3°～5°。井田區(qū)內(nèi)主要河流為濁漳河南源，雍河和嵐水河為其支流，均常年有水。現(xiàn)開采3102工作面，地表水體的存在對(duì)工作面布置和生產(chǎn)接續(xù)造成了巨大的阻礙，因此需對(duì)地表裂隙、導(dǎo)水裂隙帶及其地表移動(dòng)變形是否影響安全開采進(jìn)行可行性研究。

1 礦井充水因素

3102工作面現(xiàn)開采3號(hào)煤層，工作面充水水源主要為煤層頂板砂巖裂隙含水層，充水通道為采動(dòng)裂隙及構(gòu)造破碎帶，因都屬弱含水層，其充水量有限，不影響礦井生產(chǎn)，煤層埋藏較深地表水體和基巖風(fēng)化帶水不會(huì)形成對(duì)礦井直接充水影響，可成為礦井充水間接補(bǔ)給水源。

2 覆巖結(jié)構(gòu)分析

覆巖結(jié)構(gòu)特征對(duì)水體下安全開采意義重大[1-2]。現(xiàn)對(duì)3102工作面周圍2908、2801、2708號(hào)鉆孔柱狀圖分析總結(jié)，本區(qū)3號(hào)煤層上覆巖層為二疊系下統(tǒng)山西組（P1s）、下石盒子組（P1x）和二疊系上統(tǒng)上石盒子組（P2s）地層，其巖性主要為中、細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖交互沉積而成，沉積比較規(guī)則。2908號(hào)鉆孔頂板上覆巖層巖性統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如表1所示。

表1 2908號(hào)鉆孔頂板上覆巖層巖性統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)霍爾辛赫煤礦頂板上覆巖層巖性統(tǒng)計(jì)結(jié)果，3號(hào)煤層直接頂砂質(zhì)泥巖自然抗壓強(qiáng)度9.2～10.5 MPa，泥巖自然抗壓強(qiáng)度18.1～42.5 MPa，粉砂巖自然抗壓強(qiáng)度19.0～32.3 MPa。老頂細(xì)粒砂巖自然抗壓強(qiáng)度17.8～66.1 MPa，粗粒砂巖自然抗壓強(qiáng)度43.82～84.5 MPa。依據(jù)頂板厚度、巖性特征及力學(xué)性質(zhì)，直接頂板綜合評(píng)價(jià)為不穩(wěn)定至中等穩(wěn)定；老頂為中等至穩(wěn)定，以穩(wěn)定為主。根據(jù)巖層抗壓強(qiáng)度分類，3102工作面上方煤系地層為中硬-堅(jiān)硬型覆巖力學(xué)結(jié)構(gòu)。

3 綜放開采導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律分析

3.1 綜放開采頂板覆巖破壞過程數(shù)值模擬

運(yùn)用巖層破斷過程分析系統(tǒng)RFPA來進(jìn)行數(shù)值模擬。采用平面應(yīng)變模型模擬3102綜放工作面覆巖垮落破壞過程。模型沿水平方向取300 m，鉛垂方向取180 m，底部至3號(hào)煤層老底。由于實(shí)際巖層較多，為了簡(jiǎn)化模型，建模時(shí)將厚度較薄，性質(zhì)相近的巖層組合在一起，巖層之間預(yù)設(shè)層理，系統(tǒng)設(shè)定基元為均質(zhì)、各向同性線彈脆性體，每一巖層為非均質(zhì)的，如表2所示。

表2 工作面上覆巖層物理力學(xué)參數(shù)

綜采放頂煤一次采全高工作面上覆巖層運(yùn)動(dòng)破壞規(guī)律的模擬，見圖1。

圖1 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度

數(shù)值模擬結(jié)果由圖1可見，當(dāng)工作面推進(jìn)到16 m時(shí)，裂縫帶高度達(dá)到6 m左右，繼續(xù)推進(jìn)到64 m時(shí)裂隙帶高度達(dá)到52 m，呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，推進(jìn)到80 m時(shí)高度發(fā)育到80 m，推進(jìn)到92 m時(shí)高度發(fā)育到120 m，再繼續(xù)推進(jìn)高度便趨于穩(wěn)定，縱向上不再向上發(fā)育，當(dāng)工作面繼續(xù)向前推進(jìn)時(shí)，上位頂板呈現(xiàn)出周期運(yùn)動(dòng)的特征。經(jīng)過對(duì)3102工作面覆巖破壞動(dòng)態(tài)發(fā)育過程模擬得出，綜放一次采全高有效采厚6 m時(shí)工作面導(dǎo)水裂縫帶最終發(fā)育高度約為120 m。

3.2 導(dǎo)水裂縫帶最終發(fā)育高度的理論計(jì)算

根據(jù)“三下”采煤規(guī)程公式[3]

式中：∑M為累計(jì)采厚，m；Hli為導(dǎo)水裂隙帶的理論高度，m。

計(jì)算所得導(dǎo)水裂隙帶的理論高度為：

3.3 綜放覆巖破壞高度現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

本地區(qū)附近王莊煤礦以及高河煤礦導(dǎo)水裂縫帶高度觀測(cè)結(jié)果，如表3所示。

表3 國(guó)內(nèi)部分煤礦導(dǎo)水裂縫帶鉆探實(shí)測(cè)資料

綜合表3實(shí)測(cè)資料，特別是本礦附近王莊煤礦、高河煤礦綜放開采導(dǎo)水裂縫帶現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料，同時(shí)參考數(shù)值模擬及理論研究成果，采用回歸方法，獲取導(dǎo)水裂縫帶最大高度計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式如下：

式中：M為煤層有效采厚，m；Hli為導(dǎo)水裂隙帶的理論高度，m。

由此可得導(dǎo)水裂隙帶的最大高度為131.2 m，并由上述所得可以作為本井田內(nèi)水體下采煤防水安全煤巖柱的留設(shè)依據(jù)。

3.4 安全防水煤巖柱高度留設(shè)

防水安全煤巖柱垂高按下式計(jì)算[4]：

式中：Hsh為安全防水煤巖垂高，m；Hli為導(dǎo)水裂縫帶的高度，m；Hb為保護(hù)層厚度，綜放開采條件下取3倍采厚；Hfe為基巖風(fēng)化帶高度，通常取50 m。

3102工作面濁漳河水體下綜放開采所需防水煤巖柱尺寸分析比較，如表4所示。

表4 3102工作面濁水下開采各情況下防水安全煤巖柱尺寸比較

綜上所述，經(jīng)過對(duì)頂板覆巖破壞高度數(shù)值模擬、經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算及其高度實(shí)測(cè)的分析比較得出取導(dǎo)水裂隙帶的最大高度為131.2 m，防水煤柱高度取200 m，而該區(qū)域地表水體距煤層400 m以上，開采不會(huì)波及地表水體。

4 地表移動(dòng)變形分析

采用概率積分法對(duì)本次地表沉陷變形進(jìn)行計(jì)算：

1）地表最大移動(dòng)變形值

最大下沉值Wmax=qmcosα；最大傾斜值imax= Wmax/r；最大水平移動(dòng)值Umax=bWmax。

表5 3102工作面綜放開采后地表最大移動(dòng)與變形值

最大曲率變形值：kmax=±1.52Wmax/r2；最大水平變形值εmax=±1.52bWmax/r。

式中：r=H/tgβ；m為煤層采厚，m；α為煤層傾角，°；q為下沉系數(shù)；b為水平移動(dòng)系數(shù)；H為煤層開采深度，m；tg β為主要影響角正切。

2）參照“三下”采煤規(guī)程和其他類似礦區(qū)的經(jīng)驗(yàn)，并借鑒潞安礦區(qū)的實(shí)測(cè)參數(shù)[5]，綜合選取概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)如下：

下沉系數(shù)：q=0.85，水平移動(dòng)系數(shù)：b=0.31，主要影響角正切：tgβ=2.3。

將地表移動(dòng)預(yù)計(jì)參數(shù)、開采范圍輸入計(jì)算機(jī)，采用概率積分法預(yù)計(jì)程序進(jìn)行了計(jì)算和處理。3102工作面地表最大移動(dòng)與變形值，如表5所示。

由此得出，地表最大下沉值為4 m，最大水平移動(dòng)值為1.542 m，且煤層埋藏深度為450 m，結(jié)合上述分析可知導(dǎo)水裂隙帶高度為131.2 m，中間基巖層厚度為315 m，導(dǎo)水裂隙帶不會(huì)波及地表塌陷水體，對(duì)工作面的安全不會(huì)構(gòu)成威脅。

5 結(jié)束語

工作面涌水主要為頂板基巖裂隙水，地表水體不會(huì)對(duì)開采造成充水影響。3102工作面導(dǎo)水裂隙帶上覆巖層整體隔水性能良好。其最大導(dǎo)水裂縫帶高度約為131.2 m，河下開采所需防水安全煤巖柱尺寸約為200 m,地表最大下沉值為4m，導(dǎo)水裂隙帶距地表沉陷處315 m，地表水體不會(huì)對(duì)工作面充水產(chǎn)生直接影響，3102工作面在水體下采煤是可行的。

[1]郭文斌，邵強(qiáng)，尹士獻(xiàn)，等.水庫下采煤的安全性分析[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2006,23（3）：323-330.

[2]武雄，汪曉剛，段慶偉，等.重大水利工程下礦產(chǎn)開采對(duì)其安全影響評(píng)價(jià)及加固措施研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007,26（2）: 335-347.

[3]國(guó)家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2000.

[4]山西潞安環(huán)能股份有限公司王莊煤礦，煤炭科學(xué)研究總院唐山研究院.山西潞安環(huán)能股份有限公司王莊煤礦6206綜放工作面快速推進(jìn)條件下“兩帶”高度觀測(cè)研究報(bào)告[R].2008.

[5]山西潞安環(huán)能股份有限公司五陽煤礦，煤炭科學(xué)研究總院唐山研究院.七八采區(qū)7802工作面漳河水體下采煤可行性論證與技術(shù)方案[R].2007.

Feasibility Analysis on Mining under Water Body of No.3102 Working Face in Huerxinhe Mine

ZHANG Zhiwei
(Shanxi Huerxinhe Coal Co.,Ltd.,Changzhi 046000,China)

The influence of surface water body,water filling factors,overlying strata structure, development of water flowing fracture zone,and ground deformation on mining were analyzed in Huerxinhe mine.Combined with field measurement of the water flowing facture zone,numerical simulation results were compared to verify the feasibility of mining under water body.

mining under water body;numerical simulation;height of water flowing fracture zone; ground movement and deformation

TD823

A

1672-5050（2015）03-0067-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.03.024

（編輯：薄小玲）

2015-02-08

張志偉（1986-），男，山西長(zhǎng)子人，大學(xué)本科，助理工程師，從事煤礦水文地質(zhì)生產(chǎn)和管理工作。