成莊礦3#煤層五盤區(qū)帶壓開采可行性研究

韓建強

(晉城藍焰煤業(yè)股份有限公司 成莊礦， 山西 晉城 048000)

隨著礦井開采深度逐漸增大，煤層下方高承壓含水層對礦井安全生產的威脅日益劇增。為實現(xiàn)工作面的帶壓開采，需進行帶壓開采安全性的研究，依據(jù)工作面突水的危險性，確定采取底板注漿、疏降承壓水等合理的措施[1]. 成莊礦五盤區(qū)3#煤層局部為帶壓開采，為研究3#煤層綜采工作面帶壓開采的可行性，在5316工作面回采初期，對其帶壓開采的安全性進行綜合性評價。

1 工程概況

晉城藍焰煤業(yè)股份有限公司成莊礦位于沁水煤田南翼，礦區(qū)位于山西省晉城市西北方向20 km處，主采3#、15#煤層，根據(jù)奧灰水位觀測資料，奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r巖溶裂隙含水層主要由中厚層狀石灰?guī)r組成，富水性強，含水層主要為峰峰組。奧灰水位標高460～600 m，3#煤層底板標高為360～790 m. 在井田中部和西部3#煤層底板標高低于奧陶系巖溶水水位標高，存在帶壓開采的問題。成莊礦目前主采位于山西組下部的3#煤層，煤層厚1.29～5.63 m，平均3.72 m，即將進行回采的5316工作面位于平五盤區(qū)，工作面標高最高+532 m，最低+446 m，底板標高低于奧灰水水頭約150 m，下距奧陶系中統(tǒng)峰峰組頂面28.40～49.05 m，平均41.15 m，峰峰組單位涌水量4.235～15.689 L/s·m，為中等～極強富水性含水層，總硬度為426～1 158 mg/L，礦化度為 0.5～1.5 g/L，屬 HCO3·SO4-Ca·Mg 型水，峰峰組頂面至3#煤層間發(fā)育有鋁質泥巖、泥巖等隔水性良好的巖層，可視為隔水層。

2 底板突水機理分析

2.1 底板破壞形態(tài)分析

帶壓開采工作面回采期間是否面臨底板突水的威脅，很大程度取決于底板隔水層是否能夠有效阻隔地下水。工作面開采會引起底板發(fā)生一定深度的塑性破壞，回采工作面及采空區(qū)與下部含水層間的隔水層受到工作面采動和承壓水的聯(lián)合作用，煤層和含水層間的巖層可劃分為“三帶”，即采動塑性破壞帶(h1)、完整隔水層帶(h2)、導升帶(h3)，見圖1. 隔水層下部受到承壓水的作用會產生一定高度的承壓水導升帶，當采動破壞帶和承壓水導升帶的發(fā)育相互聯(lián)通時，工作面及后方采空區(qū)即發(fā)生突水事故。

圖1 工作面底板“三帶”劃分示意圖

通過查閱相關資料可知[2]，工作面開采時底板破壞深度的變化見圖2. 采空區(qū)上部巖層的載荷向采空區(qū)四周轉移，在采場邊緣的煤壁處產生應力集中現(xiàn)象，應力向下部底板傳遞，底板巖層在應力作用下逐漸發(fā)生塑性破壞。故沿工作面推進方向，在工作面下方附近底板的破壞深度達到最大，而沿工作面長度方向，在靠近采空區(qū)邊界附近下部底板的破壞深度達到最大。

圖2 煤層底板采動破壞帶分布形態(tài)圖

2.2 底板破壞深度分析計算

計算底板破壞深度時，考慮底板的受力狀態(tài)，采用彈性理論進行分析計算，沿工作面長度方向進行簡化，底板受到垂直應力分布情況見圖3a)，將采空區(qū)邊界處的應力集中簡化為均勻分布，應力集中系數(shù)為n，則邊緣處均布載荷為(n+1)/2倍的原巖應力，對于均勻分布載荷作用在半平面體邊界上時，見圖3b).

圖3 底板破壞深度計算模型圖

簡化可得底板下方M點的應力為：

(1)

式中：

σx—任一點水平方向的應力，MPa；

σy—任一點垂直方向的應力，MPa；

τxy—剪切應力，MPa；

q—采空區(qū)邊緣附近垂直應力，MPa；

θ1—任一點M與應力集中區(qū)內邊界連線與豎直方向的夾角，(°)；

θ2—任一點M與應力集中區(qū)外邊界連線與豎直方向的夾角，(°).

且最大主應力(σ1)、最小主應力(σ2)求解公式：

(2)

將式(1)代入式(2)求解可得：

(3)

其中，α=θ2-θ1，根據(jù)上式的計算結果，底板內任意一點M受到的主應力為：

(4)

式中：

γ—巖層容重，kN/m3；

z—M點在底板內深度，m.

底板巖層的塑性破壞遵循摩爾-庫倫強度準則[3]：

(5)

式中：

φ0—底板巖層內摩擦角，(°)；

C0—底板巖層黏聚力，MPa.

(6)

式中：

H—工作面平均埋深，m；

(7)

5316工作面平均埋深為510 m，上覆巖層平均容重為26 kN/m3，采空區(qū)邊緣應力集中系數(shù)取2.5，底板巖層的內摩擦角為29.6°，底板巖石的黏聚力為18.5 MPa. 將以上參數(shù)代入式(7)計算可得，5316工作面回采底板塑性破壞的最大深度為14.5 m.

3 底板破壞深度現(xiàn)場壓水試驗測試

在5316工作面回采期間，采用中煤科工集團西安研究院研制的壓水裝置[4]，由于底板塑性破壞最大深度在采空區(qū)邊緣，5316工作面測試鉆孔布置在臨近的5318運輸順槽，鉆孔向5316回風順槽鉆進，測試5316回風順槽下部塑性區(qū)的發(fā)育情況。5316工作面與5318工作面間煤柱寬度為30 m，鉆孔水平投影穿過煤柱進入5316工作面8.5 m，鉆孔水平投影長度為38.5 m，鉆孔終孔處水平距離為5.0 m，最大垂直深度為28.5 m，鉆孔施工位置為5318運輸順槽底板，水平間距為1.0 m，共布置5個壓水鉆孔，5#測試孔距5316工作面開切眼40 m，工作面未回采時進行一次測試，工作面回采至距1#測試孔50 m處測試一次，鉆孔的布置情況見圖4.

圖4 壓水測試鉆孔布置圖

通過壓水實驗，巖層各處的滲透系數(shù)計算公式為[5]：

(8)

式中：

K—巖層的滲透系數(shù)，m/d；

在安全、云存儲等方面，業(yè)界也有進一步的考慮：LIANG X等人提出了一種使用區(qū)塊鏈技術的分散且可信的云數(shù)據(jù)起源架構。基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)來源可以提供防篡改記錄，實現(xiàn)云中數(shù)據(jù)的透明度，增強源始數(shù)據(jù)的隱私性和可用性[8]。TRAN A B等人提出了一個基于瀏覽器的工具，用于用戶注冊的管理和部署，并調用區(qū)塊鏈上的智能合約[9]。

Q—壓水實驗測得該深度的穩(wěn)定流量，m3/d；

P—壓水實驗時的注水壓力，MPa；

L—鉆孔底端注水段的長度，m；

α—安全系數(shù)，取1.0～1.2.

工作面采動前后測試孔滲水系數(shù)的變化反映了巖層的破壞情況，若采動前后滲水系數(shù)發(fā)生較大變化，表明該處巖體已發(fā)生塑性破壞，1#—4#鉆孔注水量在工作面采動前后發(fā)生了明顯的變化，5#鉆孔測試深度為22.83～27.66 m，工作面回采前后其注水量未發(fā)生變化。說明底板破壞深度未達到5#孔的測試深度，故未對5#鉆孔繼續(xù)進行測試。采用式(8)計算3#測試孔在工作面開采前后滲透系數(shù)的變化，3#測試鉆孔的測試深度為13.93～16.92 m，K1為工作面回采前的滲透系數(shù)，K2為工作面回采后3#測試孔的滲透系數(shù)。整理得到表1所示的數(shù)據(jù)，通過對比分析可知，底板塑性破壞的深度在5#和6#測試段之間，因此可確定5316工作面采動引起底板塑性破壞最大深度為15.45 m.

表1 3#壓水測試鉆孔各注水段滲透系數(shù)表

4 工作面涌水量及突水系數(shù)的分析計算

采用突水系數(shù)法計算底板突水危險性：

(9)

式中：

Ts—底板突水系數(shù)，MPa/m；

P—承壓水水頭壓力，MPa；

M—底板有效隔水層厚度，m.

其中：

M=hD-h1-hd

(10)

式中：

hD—工作面底板與含水層頂面的距離，m；

h1—采動影響下底板破壞深度，m；

hd—承壓水導升高度，m.

5316工作面底板與下部奧灰含水層平均距離為41.15 m，工作面回采引起底板塑性破壞深度為15.5 m，承壓水導升帶高度為7.2 m，由式(10)計算可得5316工作面底板有效隔水層厚度M=18.45 m，工作面與奧灰水水頭最大高差為150 m，故承壓水水頭壓力最大為1.5 MPa，則由式(7)計算可得5316工作面突水系數(shù)Ts=0.081 MPa/m. 通過查閱相關研究成果[5]可知，完整底板條件下臨界突水系數(shù)值為0.1 MPa/m，5316工作面底板突水系數(shù)小于0.1 MPa/m，故5316工作面帶壓開采比較安全。

5 結論和建議

結合成莊礦5316工作面地質條件及開采技術條件，通過理論分析計算、現(xiàn)場實測結果可知，工作面開采引起底板塑性破壞深度的理論計算結果為14.5 m，現(xiàn)場實測表明底板塑性破壞最大深度為15.45 m，采用突水系數(shù)法以最不利的條件進行分析計算，得到5316工作面突水系數(shù)為0.081 MPa/m，突水系數(shù)小于0.1 MPa/m，在完整底板條件下工作面能夠安全的進行回采。因此，建議該礦在3#煤層五盤區(qū)開采期間，應首先在綜采工作進行坑透工作，探測采面內的構造異常體，若探查到斷層、陷落柱等構造時，應進行注漿加固、封堵處理，評價安全后，方可掘進或回采。