承壓含水層下大傾角煤層條帶開采參數(shù)設(shè)計與實踐

馬軍杰，范德源，徐 強

（1.山東新河礦業(yè)有限公司，山東 嘉祥 272400；2山東科技大學 礦業(yè)與安全工程學院，山東 青島 266590）

在我國華東、華北很多礦區(qū)都面臨著三下開采的問題，其中承壓含水層下開采問題尤為突出[1-3]。近年來，我國發(fā)生多起因承壓含水層下開采引發(fā)的突水事故，造成了重大的經(jīng)濟損失，對煤礦的安全生產(chǎn)造成嚴重的威脅。條帶開采可以有效地控制覆巖沉陷，減小地表移動和變形，保護地面建筑物和生態(tài)環(huán)境，目前已成為我國三下開采的有效技術(shù)途徑[4-7]。國內(nèi)外學者對承壓含水層下開采技術(shù)進行了大量研究，取得了豐富成果。黃炳香等[8]采用相似模擬實驗，研究了正、逆斷層對導(dǎo)水斷裂帶發(fā)育規(guī)律的影響，得出了采場小斷層對導(dǎo)水斷裂高度的影響規(guī)律；趙德深等[9]采用有限元軟件進行三維數(shù)值模擬，分析了軟巖煤層開采過程中導(dǎo)水斷裂帶的形態(tài)，揭示了大型水體下三軟煤層采用放頂煤開采條件下的覆巖破壞規(guī)律；許文松等[10]采用數(shù)值模擬的方法，建立了含承壓水模型，分析厚松散層承壓水對工作面支撐壓力的影響；陳雪嘯等[11]運用FLAC3D對膏體充填法開采過程中頂板的破壞情況進行了數(shù)值模擬，建立了頂板力學模型并通過計算得到了導(dǎo)水斷裂帶發(fā)育高度。

新河煤礦330采區(qū)-400 m水平以上第四系底界水文地質(zhì)條件復(fù)雜，導(dǎo)水斷裂帶發(fā)育高度容易受采動影響，因此采用條帶開采的方法進行工作面布置。以新河煤礦大傾角330采區(qū)實際地質(zhì)條件為背景，采用數(shù)值模擬的方法，探討了承壓含水層下大傾角煤層條帶開采參數(shù)對導(dǎo)水斷裂帶發(fā)育規(guī)律的影響，給出了合理工作面和煤柱寬度。

1 工程概況

新河煤礦330采區(qū)位于-400 m水平軌道大巷西側(cè)，F(xiàn)03-5斷層下盤。主要開采3#煤層，煤層平均厚度6 m，埋深331.7～393.5 m，采區(qū)內(nèi)地層總體呈單斜形態(tài)，傾角 40°～60°，煤層地質(zhì)柱狀圖如圖 1。工作面頂板含水層較多，根據(jù)抽水試驗所得結(jié)果，工作面頂板上方垂直距離52～97 m范圍內(nèi)，鉆孔單位涌水量在0.006 32～4.023 54 L/（s·m），屬強富水性，并且在煤層開采過程中，上覆巖層發(fā)生破斷后易與含水層導(dǎo)通，進而導(dǎo)致工作面突水事故的發(fā)生。

圖1 計算模型

2 導(dǎo)水斷裂帶發(fā)育規(guī)律

2.1 模型建立

根據(jù)新河煤礦3303和3302工作面實際條件，建立FLAC3D計算模型，計算模型尺寸長×寬×高=240 m×120 m×178 m，模型共劃分207 900個單元，221 875個節(jié)點。模型底部邊界固定，頂部為應(yīng)力邊界，應(yīng)力值為上部巖層自重，其余面均施加水平位移約束。模型中各巖層采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型[12]，煤層的頂?shù)装鍘r層分類及物理力學參數(shù)見表1。計算模型如圖1。

表1 煤層頂?shù)装鍘r層物理力學參數(shù)

2.2 模擬方案

為了研究采用不同條帶開采參數(shù)時，工作面圍巖的應(yīng)力分布、頂?shù)装宄两狄?guī)律以及塑性區(qū)的發(fā)育規(guī)律，針對新河煤礦承壓含水層下條帶開采提出3種方案，不同條帶開采方案參數(shù)見表2。通過數(shù)值計算進而對模擬結(jié)果進行對比分析，最終確定最優(yōu)的參數(shù)設(shè)計方案。

表2 不同條帶開采方案參數(shù)

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.3.1 方案1模擬結(jié)果

采用方案1時工作面開采后模型垂直應(yīng)力云圖、垂直位移云圖以及塑性區(qū)分布圖如圖2。

圖2 方案1數(shù)值計算結(jié)果圖

由圖2可知：

1）條帶煤柱形成后在其兩邊緣內(nèi)側(cè)出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力峰值為33.6 MPa。

2）工作面圍巖以及煤柱變形較大，工作面頂?shù)装逑鄬σ平繛?20 mm，煤柱變形量為40 mm。

3）由于工作面圍巖應(yīng)力重新分布，使得工作面頂板和煤柱的兩側(cè)形成大范圍的塑性區(qū)。工作面頂板破壞深度為46 m，煤柱側(cè)最大破壞深度為5 m，破壞形式以剪切破壞為主。另外，在煤柱上方21 m處頂板塑性區(qū)將兩工作面導(dǎo)通，導(dǎo)水斷裂帶與含水層距離為6 m。

2.3.2 方案2模擬結(jié)果

采用方案2時工作面開采后模型垂直應(yīng)力云圖、垂直位移云圖以及塑性區(qū)分布圖如圖3。

圖3 方案2數(shù)值計算結(jié)果圖

由圖3可知：

1）條帶煤柱形成后在其兩邊緣內(nèi)側(cè)出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力峰值為31.7 MPa。

2）工作面圍巖以及煤柱變形較大，工作面頂?shù)装逑鄬σ平繛?6.2 mm，煤柱變形量為35 mm。

3）由于工作面圍巖應(yīng)力重新分布，使得工作面頂板和煤柱的兩側(cè)形成較大范圍的塑性區(qū)。工作面頂板破壞深度為39 m，煤柱側(cè)最大破壞深度為5 m，破壞形式以剪切破壞為主。另外，在煤柱上方18 m處頂板塑性區(qū)將兩工作面導(dǎo)通，導(dǎo)水斷裂帶與含水層距離為13 m。

2.3.3 方案3模擬結(jié)果

采用方案3時工作面開采后模型垂直應(yīng)力云圖、垂直位移云圖以及塑性區(qū)分布圖如圖4。

圖4 方案3數(shù)值計算結(jié)果圖

由圖4可知：

1）條帶煤柱形成后在其兩邊緣內(nèi)側(cè)出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力峰值為29.8 MPa。

2）工作面圍巖以及煤柱變形較大，工作面頂?shù)装逑鄬σ平繛?7.9 mm，煤柱變形量為25 mm。

3）工作面頂板和煤柱的兩側(cè)塑性區(qū)范圍明顯減小，工作面頂板破壞深度為30 m，煤柱側(cè)最大破壞深度為3 m，破壞形式以剪切破壞為主。另外，煤柱上方頂板處未出現(xiàn)塑性區(qū)，導(dǎo)水斷裂帶與含水層距離為22 m。

2.3.4 方案對比及分析

根據(jù)《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》對于三下煤層開采的要求，在水體下采煤時，必須嚴格控制地下開采對水體的影響[13]。因此，在承壓含水層下進行條帶開采時必須留設(shè)安全煤巖柱保護層，目的是防止導(dǎo)水斷裂帶波及到水體，導(dǎo)致工作面突水事故的發(fā)生。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，第四系松散層底部黏性土層厚度大于工作面煤層采厚，按規(guī)程規(guī)定取3倍的采高作為保護層厚度，即18 m。

為便于對比分析，將上述3種支護方案的模擬結(jié)果進行列表分析（表3）。

1）采用方案1時，工作面煤柱側(cè)應(yīng)力大，工作面圍巖變形明顯，煤柱位移較大，工作面維護困難，另外導(dǎo)水斷裂帶與含水層距離為6 m，導(dǎo)水斷裂帶發(fā)育高度大。

表3 數(shù)值模擬結(jié)果

2）相比于方案1，采用方案2時，工作面煤柱側(cè)垂直應(yīng)力峰值減小了5.7%，工作面頂?shù)装逡平肯陆盗?8.2%，煤柱垂直位移移近量減小了12.5%，頂板塑性區(qū)破壞范圍減小了7 m，導(dǎo)水斷裂帶發(fā)育高度減小了15.2%。由此可見，縮短工作面寬度后，煤柱側(cè)受力、工作面頂?shù)装搴兔褐鶄?cè)變形以及工作面頂板塑性區(qū)都發(fā)生了不同程度的減小，但還不能達到安全開采的需要。

3）相比于方案2，采用方案3時，工作面煤柱側(cè)垂直應(yīng)力峰值減小了6%，工作面頂?shù)装逡平肯陆盗?1.2%；煤柱垂直位移移近量減小了28.6%，頂板塑性區(qū)破壞范圍減小了9 m，導(dǎo)水斷裂帶發(fā)育高度減小了23%，并且煤柱上方頂板未出現(xiàn)塑性區(qū)。由此可見，采用方案3后，煤柱側(cè)受力、工作面頂?shù)装搴兔褐鶄?cè)變形大大減小，工作面頂板塑性區(qū)和導(dǎo)水斷裂帶發(fā)育高度得到了有效控制。

因此，確定方案3為最優(yōu)參數(shù)方案，即當工作面寬度為30 m，煤柱寬度為30 m時，煤柱單位面積受力減小，支撐能力增大，工作面頂?shù)装遄冃纹茐姆秶蛯?dǎo)水斷裂帶發(fā)育高度明顯減小，達到了安全開采的需要。

3 現(xiàn)場實踐與檢驗

3.1 探測儀器及方法

現(xiàn)場利用雙端堵水器進行探測。雙端堵水器探測系統(tǒng)圖如圖5。雙端堵水器兩端有2個互相連通的膠囊，平時處于靜止收縮狀態(tài)，通過細徑耐壓軟管、調(diào)壓閥門和指示儀表向膠囊壓水或充氣，可使探管兩端的膠囊同時膨脹成橢球形栓塞，在鉆孔內(nèi)形成一定長度的雙端封堵孔段。通過鉆桿或人力空心推桿、調(diào)壓閥門和壓力流量儀表向封堵孔段進行定壓注水，可以測出單位時間注入孔段并經(jīng)孔壁裂隙漏失的水量，并根據(jù)漏失水量的大小推算導(dǎo)水斷裂帶的發(fā)育情況。

3.2 測試方案

圖5 雙端堵水器探測系統(tǒng)圖

測站布置在觀測硐室內(nèi)，在測站中布置了3個鉆孔，即1#鉆孔、2#鉆孔、3#鉆孔。其中1#鉆孔為采前孔，即在工作面開采前，向工作面煤壁進行打孔和探測，用于了解工作面頂板巖層中原生裂隙發(fā)育情況；2#鉆孔、3#鉆孔為采后孔，即在工作面煤壁推過該測站后，頂板垮落或下沉穩(wěn)定后進行打孔和探測，用于了解工作面開采后頂板巖層破裂分布情況。現(xiàn)場探測示意圖如圖6。

圖6 測站鉆孔布置剖面圖

3.3 測試結(jié)果

1）采前孔（1#鉆孔）雙端堵水器探測結(jié)果。采前1#鉆孔漏水量變化圖如圖7。由圖7可知，隨著進入鉆孔深度的增大，采前1#鉆孔漏水量有增大趨勢，這是由于深度越深，水壓越大，雙端堵水器本身有一定的漏水量；鉆孔漏水量在81~84 m范圍內(nèi)較大，說明此范圍內(nèi)原生裂隙較多。

2）采后孔（2#和3#鉆孔）雙端堵水器探測結(jié)果。采后2#鉆孔漏水量變化圖如圖8。由圖8可知，在鉆孔深度30～33 m范圍內(nèi)，鉆孔漏水量較小，基本與采前鉆孔漏水量相同，說明在工作面開采后該范圍巖層內(nèi)沒有出現(xiàn)新的離層或破裂；在鉆孔深度為33～88.5 m范圍內(nèi)，鉆孔漏水量較大，最大漏水量為25.4 L/min，最小漏水量為11.4 L/min，平均漏水量為17.0 L/min，大于采前鉆孔漏水量，說明工作面開采后，在該范圍內(nèi)頂板巖層出現(xiàn)了新的破裂；在鉆孔深度為88.5 m以上時鉆孔漏水量與采前鉆孔漏失量基本相同，說明在工作面開采后該范圍巖層內(nèi)沒出現(xiàn)新的離層或破裂。經(jīng)過2#鉆孔探測可知，導(dǎo)水斷裂帶最大發(fā)育高度為32 m，距離保護層20 m。

圖7 采前1#鉆孔漏水量變化圖

圖8 采后2#鉆孔漏水量變化圖

采后3#鉆孔漏水量變化圖如圖9。由圖9可知，在鉆孔深度30～33 m范圍內(nèi)，鉆孔漏水量較小，基本與采前鉆孔漏水量相同，說明在工作面開采后該范圍巖層內(nèi)沒有出現(xiàn)新的離層或破裂；在鉆孔深度為33～67 m范圍內(nèi)，鉆孔漏水量較大，最大漏水量為23 L/min，最小漏水量為13.1 L/min，平均漏水量為16.6 L/min，大于采前鉆孔漏水量，說明工作面開采后，在該范圍內(nèi)頂板巖層出現(xiàn)了新的破裂；在鉆孔深度為67～96 m范圍內(nèi)鉆孔漏水量明顯減小，平均漏水量為4 L/min，說明在該范圍內(nèi)沒有出現(xiàn)破裂；在鉆孔深度為96～108 m范圍內(nèi)，鉆孔漏水量增加，最大漏水量18.4 L/min，最小漏水量12.7 L/min，平均漏水量為15.6 L/min，說明在該范圍內(nèi)導(dǎo)水斷裂帶發(fā)育。經(jīng)過2#鉆孔探測可知，導(dǎo)水斷裂帶最大發(fā)育高度為28 m，距離保護層24 m。

圖9 采后3#鉆孔漏水量變化圖

由測試結(jié)果可知，當工作面寬度為30 m，煤柱留設(shè)寬度為30 m時，工作面導(dǎo)水斷裂帶發(fā)育范圍小，且與頂板中含水層不導(dǎo)通，導(dǎo)水斷裂帶最大發(fā)育高度為32 m，距離保護層20 m，有效阻斷了導(dǎo)水斷裂帶與含水層，大大降低了礦井采空區(qū)涌水量，有效防止了礦井頂板突水事故的發(fā)生。

4 結(jié) 論

1）以新河煤礦330采區(qū)實際地質(zhì)條件為背景，開展了不同開采參數(shù)下導(dǎo)水斷裂帶發(fā)育規(guī)律模擬研究，結(jié)果表明：隨工作面寬度增大或煤柱尺寸減小，導(dǎo)水斷裂帶發(fā)育高度逐漸增大，當工作面和煤柱寬度均為30 m時，導(dǎo)水斷裂帶發(fā)育高度為30 m，與含水層距離為22 m，滿足安全開采的要求。

2）在新河煤礦利用雙端堵水器進行現(xiàn)場測試，結(jié)果表明，在鉆孔深度為67~96 m范圍內(nèi)鉆孔漏水量明顯減小，平均漏水量為4 L/min，導(dǎo)水斷裂帶最大發(fā)育高度為32 m，距離保護層20 m，有效阻斷了導(dǎo)水斷裂帶與含水層，有利于防止礦井頂板突水事故的發(fā)生。

3）當工作面寬度為30 m，留設(shè)煤柱寬度為30 m時，工作面頂?shù)装搴兔褐鶄?cè)覆巖破壞范圍明顯減小，工作面頂板塑性區(qū)得到了有效控制。