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任公司，山西 晉中 045400)

根據對陷落柱突水進行相似模擬和數值模擬的相關研究成果可知，對于陷落柱突水的分析模型，其基本組成存在一定的規律，按照其區域內巖體破壞程度可以分為：一是陷落柱柱體周邊破壞區;二是陷落柱周邊滲透區域;三是工作面采動形成的破壞區域[1]。巷道掘進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域，如果當該區域擴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，此區域是陷落柱突水的危險區域，在此區域進行開采和掘進是危險的。當采動破壞區域遠離陷落柱滲透區域時,開采活動是安全的。在陷落柱突水危險中，其中采動導致的破壞。

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進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域范圍,可以借鑒均質土石壩的成熟理論和均質土石壩滲流進行計算模型，對于滲流進行計算和分析，其計算過程以及復雜程度是不一樣的，通常斜面入流的滲流分析是比較復雜的[2]。而通過相關研究成果表明,使用虛擬適宜位置的垂直面代替上游壩坡斜面進行滲流分析,最后的計算結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為上游坡度系數平均值;H1為上游水深，m。

如果上游坡度系數平均值,其計算模型中的參數坡角度值比較大,并且其角度接近直角時,將與陷落柱的形態更為相似。無排水設施均質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式,并根據流量連續性原理,求出相應的未知量(q，a)。由達西定律的有關計算方法,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)進行積分處理可得:

(3)

同理,積分區間從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及采動時寬度計算分析

運用彈塑性力學的理論可以對其周邊破壞塑性區進行計算確定，但是在計算過程中需要對其基本條件進行假設，對于塑性破壞區域的計算可以按照巷道圍巖穩定性分析中關于塑性區域的計算進行。根據地應力的相關理論可知，陷落柱所在區域巖石應處于三向應力狀態,可以利用巷道圍巖穩定性控制中的雙剪強度理論確定陷落柱周邊圍巖塑性區,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,包括前方和底板兩部分破壞區。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)

采空區塑性破壞區計算:

(8)

式中：f為層面間的摩擦因數；M為采高,m；φ為內摩擦角，°；N0為煤幫的抗壓強度,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,如果相關參數固定不變那么，x和y之間存在一定的變化規律。

3 工程實踐分析

3.1 陷落柱工程地質概況分析

某煤礦在輔運巷掘進過程中發現有一個異常構造區，通過采用井下物探、鉆探、槽探、水化學分析等手段對其異常構造進行進一步驗證后，確定其為典型的陷落柱構造。構造體為一個基本垂向發育的面積為33.8 m×44.3 m的導水陷落柱，陷落柱的發育高度已進入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為一個上小下大的垂直的構造體。陷落柱發育根部在11#煤以下37 m深的奧陶系灰巖地層，目前從已揭露的鉆孔中穩定涌水量為16 m3/h,另外其根部發育的具體位置和平面大小面積也尚不清楚，存在地質隱患，對煤層的開采推進工作會構成一定的突水威脅，需要在治理工作中進一步探查。

影響主采煤層開采的石炭系含水層，主要發育有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，風化裂隙發育，富水性不均一，一般較弱。K1砂巖位于石炭系中統本溪組，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，經過多年煤礦開采砂巖水已經基本疏干，一般不會對煤層開采構成威脅，只有在構造破壞、采動裂隙及導水陷落柱溝通的情況下，間接發生水力聯系，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。奧灰含水層是礦區主要含水結構體，巖溶裂隙發育，含水層滲透性及傳導性強，地下水補給、運移、貯存條件良好，富水性強。在有構造破壞、采動裂隙及導水陷落柱溝通的情況下，容易發生突水。奧灰最上層的馬家溝組灰巖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，其涌水構成礦井涌水量，此時馬家溝組灰巖便是直接充水含水層，對煤層的開采構成直接影響。

3.2 陷落柱安全性評判計算分析

設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：

按照其工作面現場地質條件,a=30 m;P為內摩擦角,取35°；P=12 MPa；P1=5 MPa;m= 4。

陷落柱所在區域周邊塑性區32.25 m-30 m=2.25 m。

按照現場地質條件,各參數取值如下: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。通過計算分析結果以及對照煤礦相關防治水規范可知此陷落柱有突水的危險性，需要進行相應的防治水措施進行處理。

4 結束語

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——上部滲透危險的水平距離，陷落柱其所在區域周邊塑性區，工作面煤體的破壞寬度，底板破壞寬度進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行了危險性評判，計算出其危險性評判參數的具體數值，結合煤礦防治水規范，確定了其具有突水危險性的安全評判結果。