帶壓開采工作面底板破壞深度研究及突水危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)

趙 東 沈浩洋 陳振亞 王躍偉

(1.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十礦，河南省平頂山市，467000；2.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北省武漢市，430081)

帶壓開采工作面底板破壞深度研究及突水危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)

趙 東1,2沈浩洋1陳振亞1王躍偉1

(1.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十礦，河南省平頂山市，467000；2.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北省武漢市，430081)

為有效防治采動(dòng)影響導(dǎo)致的底板突水事故，采用塑性理論及經(jīng)驗(yàn)公式分析計(jì)算了帶壓開采工作面底板破壞深度，并進(jìn)行了突水危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)。根據(jù)平煤股份十礦24130工作面己18煤層的埋藏特征，通過大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和理論分析，繪制出了工作面底板破壞帶的分布形態(tài)圖，計(jì)算出了采動(dòng)引起的底板最大破壞深度為11.7 m，底板有效隔水層厚度為44.3 m，正常地質(zhì)條件下不會(huì)對(duì)工作面回采造成影響，但不排除在斷裂構(gòu)造和寒武系灰?guī)r水高水頭壓力的共同作用下，底板灰?guī)r水可能通過構(gòu)造破碎帶或隔水層相對(duì)較薄的地方融入采煤工作面，造成突水事故的發(fā)生。提出了區(qū)域治理采用疏水降壓、局部治理采用物探結(jié)合鉆探、斷裂構(gòu)造附近采用注漿加固以及回采前完善工作面防排水系統(tǒng)、回采過程中加強(qiáng)水文地質(zhì)巡查工作等一系列具體的防治水措施，保證了己18煤層的的安全開采。

帶壓開采 承壓水 破壞深度 突水危險(xiǎn)性預(yù)測(cè) 注漿加固

我國許多煤礦普遍存在奧陶紀(jì)灰?guī)r或寒武系灰?guī)r厚度大、裂隙巖溶發(fā)育、富水性好、補(bǔ)給充沛、水壓高等問題，礦井底板突水事故發(fā)生頻繁。工作面開采后，煤層底板巖層的原始應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生破壞，采空區(qū)周圍應(yīng)力集中，底板應(yīng)力作用使底板巖層產(chǎn)生各種裂隙，裂隙部分巖層將喪失隔水能力。在底板帶壓開采條件下，煤層底板破壞將減小隔水層厚度，進(jìn)而降低底板隔水能力，增加底板突水危險(xiǎn)性。因此，準(zhǔn)確測(cè)出工作面底板采動(dòng)破壞深度是承壓水上采煤的一個(gè)重要的安全問題。

目前國內(nèi)監(jiān)測(cè)底板破壞深度的措施主要有壓水實(shí)驗(yàn)法、相似材料和數(shù)值模擬法、超聲波檢測(cè)法、應(yīng)變法等。從力學(xué)角度講，采動(dòng)過程是一個(gè)底板巖層應(yīng)力狀態(tài)不斷調(diào)整的過程，且伴有巖層變形、位移和破壞。因此，通過在工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)采動(dòng)中底板的應(yīng)力與應(yīng)變變化規(guī)律確定底板破壞深度是最有效的措施。以往學(xué)者們利用不同的方法對(duì)煤層底板變形及破壞規(guī)律做了不同角度的研究，并取得了大量的成果。但在工作面水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜、承壓水開采條件下，底板采動(dòng)破壞規(guī)律方面的研究相對(duì)較少。為此，針對(duì)平煤股份十礦24130工作面特殊的地質(zhì)條件，根據(jù)底板破壞塑性理論、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法，分析確定工作面底板采動(dòng)破壞深度，為該區(qū)域安全開采提供重要的理論依據(jù)。

1 工作面基本概況

平煤股份十礦位于平頂山市東北部、平頂山煤田東部，煤礦始建于 1958年,現(xiàn)核定生產(chǎn)能力為 330萬t/a。十礦24130工作面開采二疊系下統(tǒng)山西組二煤段己18煤層,己18煤層平均厚度2.0 m,煤層傾角平均10°，該工作面走向長(zhǎng)713 m, 傾斜寬 156 m,采深1000 m。山西組二煤段下覆石炭系太原組L1～L7灰?guī)r，灰?guī)r總厚度在41 m左右，再下為厚度約80 m的寒武系灰?guī)r含水層。24130工作面所承受的寒武系灰?guī)r水最大水壓達(dá)到2.3 MPa,中間隔水層為砂質(zhì)泥巖夾薄層狀細(xì)砂巖。因此，防治24130工作面己18煤層底板突水是24130工作面安全開采亟待解決的問題。

2 底板突水預(yù)測(cè)的理論分析

根據(jù)24130工作面地質(zhì)及水文地質(zhì)條件,通過對(duì)煤層底板巖體應(yīng)力分布規(guī)律和傳播特征的研究,并結(jié)合巖石破壞準(zhǔn)則及巖體強(qiáng)度理論計(jì)算出巖體的破壞深度和己18煤層底板突水極限壓力,進(jìn)而預(yù)測(cè)己18煤層底板突水危險(xiǎn)性。

2.1 工作面底板巖體破壞深度計(jì)算

根據(jù)底板破壞塑性理論，工作面底板下一定范圍內(nèi)的巖體，當(dāng)作用在其上的支承壓力達(dá)到或超過其臨界值時(shí)，巖體中將產(chǎn)生塑性變形，形成塑性區(qū)。當(dāng)支承壓力達(dá)到導(dǎo)致部分巖體完全破壞的最大載荷時(shí)，支承壓力作用區(qū)域周圍的巖體塑性區(qū)將連成一片，致使采空區(qū)內(nèi)底板隆起，已發(fā)生塑性變形的巖體向采空區(qū)內(nèi)移動(dòng)，并形成一個(gè)連續(xù)的滑移面。此時(shí),滑移界面內(nèi)的底板巖體遭到的破壞最為嚴(yán)重。如圖 1所示。

(1)煤層塑性區(qū)寬度的計(jì)算。根據(jù)十礦己18煤層底板巖層賦存條件和巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，由試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)得出煤體的物理力學(xué)參數(shù)：煤層內(nèi)聚力Cm為1.0 MPa，煤層內(nèi)摩擦角φ為20°，底板巖石平均內(nèi)摩擦角φ0為36°，覆巖平均容重γ為2200 kg/m3，煤層開采深度H為1000 m，采高m為2.2，最大應(yīng)力集中系數(shù)n為3，煤體邊緣塑性區(qū)寬度xa的計(jì)算如下式：

(1)

將相關(guān)參數(shù)代入式(1)得出煤體邊緣塑性區(qū)寬度xa為9 m。

(2)煤層底板最大破壞深度的計(jì)算。煤層底板巖體的滑移線(即塑性區(qū)的邊界)由主動(dòng)極限區(qū)aa′b、過渡區(qū)abc及被動(dòng)極限區(qū)acd 3個(gè)區(qū)域組成，如圖1所示，主動(dòng)區(qū)和被動(dòng)區(qū)的滑移線各由兩條直線組成；過渡區(qū)的滑移線由一組對(duì)數(shù)曲線組成，另一組為自a為起點(diǎn)的放射線。

Ⅰ-為主動(dòng)區(qū)，Ⅱ-過渡區(qū)，Ⅲ-被動(dòng)區(qū)圖1 煤層底板中塑性破壞區(qū)

煤礦生產(chǎn)過程中煤層底板巖體發(fā)生底鼓的現(xiàn)象可以用塑性區(qū)的形成和發(fā)展過程加以解釋。煤層開采后，在采空區(qū)周圍的底板巖體上產(chǎn)生支承壓力，當(dāng)支承壓力作用區(qū)域的巖體(圖1中Ⅰ區(qū))所承受的應(yīng)力超過其極限強(qiáng)度時(shí)，巖體將會(huì)產(chǎn)生塑性變形，由于這部分巖體在垂直方向上受到壓縮，在水平方向上必然會(huì)膨脹，膨脹的巖體擠壓過渡區(qū)(圖1中Ⅱ區(qū))的巖體，并且將應(yīng)力傳遞到這一區(qū)域。過渡區(qū)的巖體受到擠壓后將繼續(xù)擠壓被動(dòng)區(qū)的巖體(圖1中Ⅲ區(qū))。由于過渡區(qū)和被動(dòng)區(qū)有鄰空面(采空區(qū))，在主動(dòng)區(qū)傳遞來的力的作用下，過渡區(qū)和被動(dòng)區(qū)的巖體將向采空區(qū)內(nèi)膨脹(即底板的壓延作用)。

根據(jù)魏西克(A.S.Vesic)提出的塑性滑移時(shí)巖土層極限承載力的綜合計(jì)算公式，可得到底板巖體的極限載荷，從而得出極限支承壓力條件下破壞區(qū)的最大深度和長(zhǎng)度計(jì)算公式。

(1)煤層底板巖體最大破壞深度h1：

(2)

將煤層塑性區(qū)的寬度xa代入式(2)得煤層底板巖體最大破壞深度h1=11.7 m。

(2)煤層底板巖體最大破壞深度距工作面端部的水平距離L1：

L1=h1tanφ0

(3)

將上面求得的煤層底板巖體最大破壞深度h1和底板巖石平均內(nèi)摩擦角φ0代入式(3)，得出煤層底板巖體最大破壞深度距工作面端部的水平距離L1為7.8 m。

(3)采空區(qū)內(nèi)底板破壞區(qū)沿水平方向的最大長(zhǎng)度L2：

(4)

將相關(guān)數(shù)值代入式(4)，得L2=83.8 m。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，繪制出按塑性理論求得的己組煤層底板破壞帶的分布形態(tài)，如圖2所示。

圖2 24130工作面底板破壞帶形態(tài)理論計(jì)算結(jié)果圖

2.2 正常開采底板突水性預(yù)測(cè)

根據(jù)24130工作面水文地質(zhì)資料, 工作面所承受的寒武系灰?guī)r含水層水壓達(dá)到2.3 MPa, 隔水層厚度為56 m,由于采動(dòng)破壞引起的底板最大破壞深度是11.7 m, 因此, 底板有效隔水層的厚度為h2=44.3m。底板巖石的平均抗剪強(qiáng)度S0= 10 MPa, 底板巖石平均泊松比T=0.35。

通過力學(xué)計(jì)算, 可知底板有效隔水層所能承載的突水極限壓力P為:

(5)

式中:t0——底板巖石的平均抗剪強(qiáng)度；

h2——底板有效隔水層層厚度；

H1——底板采動(dòng)裂隙帶與有效隔水層厚度之和；

r——底板巖石容重；

Lx——所研究區(qū)域的長(zhǎng)；

Ly——所研究區(qū)域的寬。

將有關(guān)參數(shù)代入式(5), 得24130工作面底板隔水層所能承載的突水極限壓力為3.5 MPa，大于含水層水壓。因此, 在正常開采條件下, 煤層底板不會(huì)發(fā)生底板突水事故。但是在斷裂構(gòu)造以及寒武系灰?guī)r水高水頭壓力的共同作用下，底板灰?guī)r水可能通過構(gòu)造破碎帶或隔水層相對(duì)較薄的地方涌入采煤工作面，造成突水事故的發(fā)生。因此，在24130工作面回采前必須采取必要措施防治突水事故的發(fā)生。

3 底板突水防治措施

根據(jù)前面的分析可知，承壓含水層上采煤底板突水受到底板含水層水壓、地質(zhì)構(gòu)造、工作面開采空間以及開采方法等因素的影響。因此，降低底板含水層水壓和采動(dòng)對(duì)底板隔水層的影響是抑制底板突水的根本途徑。

3.1 加大區(qū)域灰?guī)r水疏放力度

灰?guī)r水區(qū)域治理主要采用疏水降壓的方法，即通過大量疏放煤層底板含水層水，使其水位、水壓降至安全水位、安全水壓以下，滿足突水系數(shù)小于0.06的要求，達(dá)到安全開采的目的。底板含水層高承壓水壓是底板含水層導(dǎo)升破壞的重要力源，水壓越高，含水層導(dǎo)升破壞帶的高度越大。因此，疏降底板含水層高承壓水壓能有效減小突水系數(shù)，防止采動(dòng)破壞裂隙帶與底板含水層導(dǎo)升破壞裂隙帶溝通，避免突水事故的發(fā)生。目前，十礦共有12個(gè)灰?guī)r疏水孔在疏排寒武系灰?guī)r承壓水，單孔疏放量在5～25 m3/h，總疏放量在90 m3/h左右，年累計(jì)疏放量在78萬m3。加大灰?guī)r水疏放力度，盡快降低水頭高度，減少底板灰?guī)r承壓水的威脅，可以為十礦深部己組煤層的安全開采奠定基礎(chǔ)。

3.2 堅(jiān)持物探先行、鉆探驗(yàn)證的局部治理措施

除了疏水降壓的區(qū)域治理方法之外，還應(yīng)嚴(yán)格堅(jiān)持物探先行、鉆探驗(yàn)證的局部治理措施，即在24130工作面貫通之后，利用瞬變電磁物探的方法探測(cè)整個(gè)工作面底板灰?guī)r水富水異常情況，對(duì)探測(cè)出的富水異常區(qū)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證。為此，平煤股份十礦委托勘探工程處物探隊(duì)在24130工作面進(jìn)行了瞬變電磁探測(cè)，在24130機(jī)巷布置148個(gè)物探測(cè)點(diǎn)、風(fēng)巷布置219個(gè)物探測(cè)點(diǎn)，每個(gè)物探測(cè)點(diǎn)探測(cè)2個(gè)或3個(gè)方向。瞬變電磁探測(cè)巷道斷面示意圖如圖3所示。

圖3 瞬變電磁探測(cè)巷道斷面示意圖

根據(jù)本次井下瞬變電磁法探測(cè)結(jié)果，結(jié)合礦井地質(zhì)和水文地質(zhì)資料綜合分析認(rèn)為，本工作面底板寒武系灰?guī)r局部區(qū)段存在相對(duì)富水現(xiàn)象，在工作面內(nèi)共探測(cè)出5處富水異常區(qū),異常區(qū)異常深度在110～160 m之間，探測(cè)結(jié)果圖如圖4所示。針對(duì)探測(cè)出的每個(gè)富水異常區(qū)設(shè)計(jì)專門探放水鉆孔進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，確保水壓達(dá)標(biāo)后方可進(jìn)行回采作業(yè)。

圖4 24130工作面底板瞬變電磁探測(cè)結(jié)果圖

3.3 注漿加固改造底板隔水層巖性

底板隔水層強(qiáng)度和巖體構(gòu)造是影響底板突水的主要因素，對(duì)底板巖層進(jìn)行注漿加固，能夠加固煤層底板構(gòu)造破碎區(qū)，提高底板隔水層薄弱區(qū)的強(qiáng)度，從而減小采礦礦壓和含水層水壓對(duì)底板隔水層的破壞程度，使采動(dòng)礦壓破壞的底板巖層裂隙與承壓水壓破壞的裂隙不會(huì)溝通。同時(shí)，注漿加固也可以充填底板巖體中的節(jié)理裂隙，抑制采動(dòng)水壓影響的底板巖層的擴(kuò)展效應(yīng)，減小采動(dòng)破壞深度和承壓水壓導(dǎo)升破壞高度。

當(dāng)然，后進(jìn)生的轉(zhuǎn)化，也不可能短期見效，需要長(zhǎng)期堅(jiān)持，不懈努力。但只要我們樹立“手心手背都是肉”的觀念，從小學(xué)到初中，從初中到高中，每一個(gè)階段，每一個(gè)新學(xué)期都是我們改進(jìn)體育后進(jìn)生的機(jī)會(huì)和起點(diǎn)！

3.4完善工作面防排水系統(tǒng)，加強(qiáng)水文地質(zhì)巡查工作

24130工作面在回采前根據(jù)預(yù)計(jì)的最大涌水量，在下進(jìn)風(fēng)巷低洼處的水泵窩內(nèi)安裝2臺(tái)水泵，單泵排水能力不小于60 m3/h，用一趟4寸排水管路排入24130工作面下進(jìn)風(fēng)巷外口水泵窩內(nèi)，再利用水泵窩內(nèi)的兩臺(tái)型號(hào)為100D-16×8水泵排入己四水倉。同時(shí)在回采過程中要加強(qiáng)水文地質(zhì)巡查工作，尤其是工作面通過物探富水異常區(qū)以及斷裂構(gòu)造時(shí)要強(qiáng)化水文地質(zhì)調(diào)查，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有突水征兆，如底臌、底板滲水等異常情況時(shí)要立即停止作業(yè)，采取必要措施確保工作面安全回采。

4 結(jié)論

(1)利用塑性理論分析計(jì)算了24130工作面采動(dòng)影響下底板破壞最大深度為11.7 m，底板有效隔水層的厚度為44.3 m，底板隔水層所能承受的突水極限壓力為3.5 MPa。

(2)根據(jù)突水系數(shù)法和極限壓力法兩種方法，結(jié)合工作面地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，對(duì)工作面進(jìn)行了底板突水預(yù)測(cè)。

(3)使用瞬變電磁探測(cè)儀對(duì)工作面底板進(jìn)行了水文地質(zhì)條件探查，找出工作面可能突水的含水異常區(qū)(富水區(qū))共5處，并對(duì)每個(gè)異常區(qū)進(jìn)行了鉆探驗(yàn)證，保證水壓達(dá)標(biāo)之后進(jìn)行回采工作。

(4)提出了區(qū)域治理采用疏水降壓、局部治理采用物探結(jié)合鉆探、斷裂構(gòu)造附近采用注漿加固以及回采前完善工作面防排水系統(tǒng)、回采過程中加強(qiáng)水文地質(zhì)巡查工作等一系列具體的防治水措施。

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Studyondamagedepthofworkfacefloorundersafewaterpressureofaquiferandwaterinrushriskprediction

Zhao Dong1,2, Shen Haoyang1, Chen Zhenya1, Wang Yuewei1

(1.No. 10 Mine, Pingdingshan Tianan Coal Co., Ltd., Pingdingshan, Henan 467000, China； 2. College of Resources and Environmental Engineering, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan, Hubei 430081, China)

To effectively prevent and control the water inrush accident caused by the mining influence, plasticity theory and empirical formula were adopted to calculate the damage depth of work face floor under safe water pressure of aquifer and water inrush risk prediction was carried out. According to the burial characteristics of Ⅵ-18 coal seam of 24130 work face in No. 10 Mine of Pingdingshan Coal Co., Ltd., through a large number of field measurement and theoretical analysis, the work face floor destruction was drawn out with the distribution form of chart, the maximum floor damage depth caused by mining was calculated as 11.7 m, the effective thickness of water-resisting layer was 44.3 m, that had little influence on the mining under normal geological conditions, however the floor limestone water may be integrated into work face through the tectonic fracture zone or relatively thin aquifer under the combined action of fracture structure and high head pressure of cambrian limestone water, causing water inrush accidents. Regional treatment using hydrophobic step-down, local treatment by the combined drilling and geophysical detection, grouting reinforcement around fracture, improving the waterproof and drainage system of work face before stoping and strengthening hydrogeological inspection work during mining process were put forward to ensure mining safety of Ⅵ-18 coal seam.

mining under safe water pressure of aquifer, confined water layer, damage depth, water inrush risk prediction, grouting reinforcement

TD742.2

A

趙東,沈浩洋，陳振亞等. 帶壓開采工作面底板破壞深度研究及突水危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)[J].中國煤炭，2017,43(11)：106-110.

Zhao Dong, Shen Haoyang, Chen Zhenya, et al. Study on damage depth of work face floor under safe water pressure of aquifer and water inrush risk prediction [J]. China Coal, 2017，43(11):106-110.

趙東(1987-)，男，河南沈丘縣人，工程師，學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)任平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十礦地測(cè)隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)，從事地測(cè)防治水技術(shù)管理工作。

(責(zé)任編輯 張艷華)

國家安全監(jiān)管總局“十三五”期間將制定強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)231項(xiàng)

日前，國家安全監(jiān)管總局印發(fā)《安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)“十三五”發(fā)展規(guī)劃的通知》(以下簡(jiǎn)稱《通知》)，“十三五”期間擬制定標(biāo)準(zhǔn)362項(xiàng)，其中強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)231項(xiàng)。

根據(jù)《通知》要求，“十三五”期間擬制定標(biāo)準(zhǔn)362項(xiàng)，其中強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)231項(xiàng)，推薦性標(biāo)準(zhǔn)131項(xiàng)，爭(zhēng)取在“十三五”期間基本建成較為完善的覆蓋煤礦、非煤礦山、危險(xiǎn)化學(xué)品等12個(gè)行業(yè)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)體系；依靠科技創(chuàng)新，加大科研基礎(chǔ)條件和人才培養(yǎng)投入，加強(qiáng)專利與標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合。

《通知》指出，針對(duì)我國安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)存在的突出問題，要優(yōu)先制修訂特大事故中暴露的缺失或不適用的標(biāo)準(zhǔn)；加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施信息反饋、效果評(píng)估和監(jiān)督管理；調(diào)動(dòng)各部門、各地區(qū)聯(lián)合開展試點(diǎn)示范、宣傳培訓(xùn)、考核評(píng)估和實(shí)施監(jiān)督等工作；對(duì)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施過程中發(fā)現(xiàn)的問題及時(shí)分析原因；修訂完善相關(guān)條款等。

《通知》強(qiáng)調(diào)，要建立安全生產(chǎn)國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)發(fā)展的工作機(jī)制，把政府單一供給的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)體系轉(zhuǎn)變成由政府主導(dǎo)制定的標(biāo)準(zhǔn)和市場(chǎng)自主制定的標(biāo)準(zhǔn)共同構(gòu)成的新型標(biāo)準(zhǔn)體系；嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)審查程序；培育和推動(dòng)行業(yè)領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)特色技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)成為國際標(biāo)準(zhǔn)。