李金松
(大同煤礦集團地質(zhì)勘測處地質(zhì)科,山西 大同 037003)
煤礦水災(zāi)害是礦井幾大主要災(zāi)害之一,嚴重威脅著礦井的安全開采,在開采中要按照“預(yù)測預(yù)報、有掘必探、有采必探、先探后掘、先治后采”的原則,加強礦井地質(zhì)及水文地質(zhì)工作。
(1)頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度
采動條件下,覆巖破壞后在采空區(qū)上方形成“三帶”,其中冒落帶和裂隙帶是采動破壞形成的人工導(dǎo)水通道。當其波及采空區(qū)上方的地表水體或含水層時就會引起頂板突水。因此評價覆巖破壞是否會引起頂板突水,關(guān)鍵是確定導(dǎo)水裂縫帶最大發(fā)育高度。
未來三年內(nèi)15、15下煤層開采采用一次采全高,頂板采用全部垮落法管理。據(jù)補勘報告對煤層頂?shù)装鍘r石力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計(見表1),該井田未來三年內(nèi)開采15、15下煤層,其覆巖巖性屬軟弱~中硬巖性,但夾有極軟弱的泥巖、砂質(zhì)泥巖及堅硬的中粒砂巖。覆巖總體巖性介于軟弱與中硬之間,考慮安全系數(shù),本次計算取覆巖巖性為中硬。
表1 煤層頂?shù)装鍘r石力學(xué)性質(zhì)
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)范》煤層覆巖巖性中硬垮落帶高度計算公式為:
依據(jù)公式(1)所得15及15下煤層垮落帶高度發(fā)育預(yù)測值見表2所示。
表2 煤層跨落帶高度發(fā)育預(yù)測
15下煤層開采垮落帶大于15、15下煤層間距。根據(jù)下層煤的垮落帶接觸到或完全進入上層煤范圍內(nèi)時,上層煤的導(dǎo)水裂縫帶最大高度采用本層煤的開采厚度計算,下層煤的導(dǎo)水裂縫帶最大高度,則應(yīng)采用上、下層煤的綜合開采厚度計算,取其中標高最高者為兩層煤的導(dǎo)水裂縫帶最大高度。
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)范》中綜合開采厚度計算公式:
式中:
M1-上層煤開采厚度,取3.65m;
M2-下層煤開采厚度,取6.10m;
h1-2-上、下層煤之間的法線距離,取3.31m;
y2-下層煤的冒高與采厚之比,取15/6.1;
經(jīng)計算,15、15下煤層綜合開采厚度為7.29m。
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)范》,采用經(jīng)驗法確定煤層上覆導(dǎo)水裂縫帶最大高度。
煤層覆巖巖性中硬導(dǎo)水裂縫帶高度計算公式為:
式中:
∑M-累計采厚,應(yīng)用范圍為單層采厚1~3m,累計采厚不超過15m。
各煤層開采的導(dǎo)水裂縫帶最大高度計算值見圖1。
圖1 導(dǎo)水裂縫帶最大高度
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)范》導(dǎo)水裂隙帶最大高度取64m。
(2)底板采動導(dǎo)水破壞帶發(fā)育深度
采礦對底板擾動破壞厚度Hi按《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》規(guī)定公式:
式中:
Hi-底板采動導(dǎo)水破壞帶深度,m;
L-壁式工作面斜長,取150m;
各煤層開采的底板采動導(dǎo)水破壞帶發(fā)育深度見圖2。
圖2 底板采動導(dǎo)水破壞帶發(fā)育深度
15、15下煤層開采后導(dǎo)水裂隙帶最大高度達64m,詳見圖1,未波及9號煤層(最小距離67.35m)。因此從理論上計算開采15、15下煤層時工作面是安全的。但考慮到9煤采后形成的底板導(dǎo)水破壞帶深度為16.88m(式(1)),當存在陷落柱、斷層等導(dǎo)水構(gòu)造裂隙時,可導(dǎo)通上覆煤層采空區(qū)積水和各含水層間水力聯(lián)系。
煤體夾持理論認為,煤層處于覆巖和底板的夾持之中,而煤體與圍巖的力學(xué)特性正是由此夾持特性決定的。
式中:
p-煤體支撐壓力,MPa;
σc-煤體抗壓強度,MPa;
τ-煤體抗剪強度,MPa;
φ-煤體內(nèi)摩擦角,(°);
x-研究位置距煤壁的距離,m。
M-開采煤層高度,m。
以煤壁前方的極限平衡理論為基礎(chǔ),可計算得到極限平衡區(qū)的寬度。
式中:
S-極限平衡區(qū)寬度,m;
σy-垂直應(yīng)力,MPa;
N-煤壁的支撐力,MPa;
M-開采煤層高度,m;
f-煤層與頂板間的摩擦系數(shù);
φ-煤體內(nèi)摩擦角,(°)。
通過分析公式可得:參數(shù)T隨著煤體內(nèi)摩擦角的減小而變大,而極限平衡區(qū)寬度與參數(shù)T呈正相關(guān)關(guān)系,在煤壁支撐力變化不大的情況下,極限平衡區(qū)寬度也在增加;即隨著礦井水含量的增加,煤幫集中應(yīng)力前移,高壓區(qū)和彈性能量積聚范圍向遠離煤壁方向轉(zhuǎn)移。
本次以含水率為指標研究礦井水對采場圍巖穩(wěn)定性的影響。
圖3 采場圍巖的垂直變形云圖
從圖中看出出現(xiàn)下沉的上覆巖層范圍隨著煤層含水率的升高不斷擴大,進一步導(dǎo)致上覆巖層的下沉量也逐步增加。隨著含水率的增加,關(guān)鍵層也隨之產(chǎn)生更大的彎曲變形,更加容易達到極限垮落步距而發(fā)生破斷。
模型的破壞可分為拉伸破壞、剪切破壞及拉剪破壞的復(fù)合。對于頂板而言,隨著煤層含水率的升高,采空區(qū)直接頂塑性破壞區(qū)域逐漸擴大,且破壞形式從以拉伸破壞為主過渡為以剪切破壞為主,出現(xiàn)剪破壞的區(qū)域向采空區(qū)轉(zhuǎn)移,采空區(qū)頂板應(yīng)力集中程度加劇。
圖4 采場圍巖的塑性屈服云圖
當?shù)V井含水量較大時,圍巖的變形量和塑性屈服范圍就越大。為了盡可能地控制采空區(qū)圍巖的穩(wěn)定性,由此提出針對的防治水措施:
(1)開采15號煤層時充水水源主要為太原組K2上灰?guī)r、K2灰?guī)r、K3灰?guī)r、K4灰?guī)r水,局部可能受到9號煤層采空區(qū)積水影響,對工作面開采有影響。因此,在開拓掘進前,應(yīng)用井下電磁物探及鉆探等手段,進行進一步探測和驗證,根據(jù)探測結(jié)果及時采取相應(yīng)的抽放水防治水措施。
(2)開采15下煤層時充水水源主要為太原組K2上灰?guī)r、K2灰?guī)r、K3灰?guī)r、K4灰?guī)r水,15號煤層采空區(qū)積水,局部可能受到6、8、9號煤層采空區(qū)積水,注意事項及應(yīng)對與15號煤層開采相同。
(3)斷層或陷落柱是重要的導(dǎo)水通道。通過斷層、陷落柱有導(dǎo)通松散含水層水和基巖風(fēng)化裂隙帶含水層,不導(dǎo)水構(gòu)造在采動影響下也可能成為導(dǎo)水構(gòu)造。在開拓掘進前,應(yīng)用井下鉆探、物探等手段,進行進一步探測和驗證,根據(jù)探測結(jié)果及時采取相應(yīng)的抽放防治水措施。對于斷層,可采用超前預(yù)注漿技術(shù)控制斷層破碎帶,使用的注漿材料為瑪麗散。為了減小工作量以及對斷層圍巖的破壞,需要先采用機尾加刀方式,然后調(diào)斜工作面,適當減小工作面與斷層傾向的夾角,這樣也可以減小采場斷層的暴露范圍,可保證工作面機道的順暢運行,使工作面快速通過冒頂區(qū)。
本文以塔山煤礦實際水文地質(zhì)資料為基礎(chǔ),采用理論計算結(jié)合經(jīng)驗公式確定了15及15下煤層開采后導(dǎo)水裂隙帶最大高度達64m,未波及9號煤層。隨著礦井水含量的增加,高壓區(qū)和彈性能量積聚范圍向遠離煤壁方向轉(zhuǎn)移,采空區(qū)直接頂塑性破壞區(qū)域逐漸擴大。為了保證采場的安全開采,應(yīng)加強對地表變形現(xiàn)象的管理,及時回填治理各種裂隙,防患于未然。