皖北孫疃煤礦防砂煤巖柱開采可行性研究

杜宗慶,陳東

(安徽建筑大學 土木工程學院,合肥 230601)

0 引言

煤礦在開采過程中需要留設防砂煤巖柱,如果留設過大,會造成煤炭資源的浪費,留設過小,可能在開采過程中發生安全事故。防砂煤巖柱留設在很大程度上影響著斷層下的煤層工作面的推進,因此,在保證安全開采和有效節約資源的前提下確定煤巖柱高度、正確留設煤巖柱就顯得尤為必要。

針對防砂煤巖柱合理留設的研究,國內外許多專家學者已經取得了大量成果。李臣等[1]根據布爾臺煤礦的實測資料,采用數值模擬和軟件模擬相結合的研究方法,分析了多次采動對斷層保護煤巖柱產生的影響。王忻[2]以開灤礦區為研究對象,采用F-RFPA 2D軟件和理論分析的方法,計算出斷層防水煤巖柱的寬度。顧士坦等[3]根據3306工作面地質特征數據,利用FLAC 3D模擬研究了在DF60斷層處煤巖柱的應力和彈性應變能密度,確定了煤巖柱的尺寸。劉金海等[4]以李樓煤礦為研究對象,分析工作面微震數據和應力數據,提出了計算煤巖柱寬度的方法,并進行了計算。涂敏等[5]運用數值分析的方法,通過單因素分析法和函數增減性判別準則研究煤巖柱合理寬度的規律,提出了減小煤巖柱寬度將會大大提高回采率的方法,并在最后計算了煤巖柱的寬度。DUAN等[6]采用經驗公式類比、數值模擬等方法對工作面進行系統分析,確定了防砂煤巖柱的寬度,為提高開采上限和設置安全煤巖柱提供了參考。LIU等[7]建立了煤巖柱穩定性評價模型,基于煤巖柱穩定性評價提出了穩定性控制措施。POULSEN等[8]通過分析工作面數據,確定煤巖柱尺寸,同時提出了一種計算煤巖柱所受載荷的方法,其適用于任意平面形狀的煤巖柱,并考慮了該礦柱相對于其他礦柱、未開采的煤和巷道網絡的空間位置。在斷層以及上覆巖層的影響下,煤層留設防砂煤巖柱寬度的影響因素較多,必須綜合考慮才能確保煤層順利開采[9]。

本文以皖北地區孫疃煤礦為例,首先進行實地勘探,收集相應水文地質數據。再采用理論計算、FALC 3D軟件進行模擬分析,計算垮落帶、保護層厚度以及防砂煤巖柱最大垂高。最后通過FALC 3D軟件模擬開采后覆巖的豎向應力、剪應力以及采動后位移的變化,對煤巖柱留設做出合理性判斷,盡可能地減少煤炭資源的浪費,確保工作面的順利開采。

1 工程概況

1.1 工作面概況

本文以皖北地區孫疃煤礦的81礦區為主要研究對象,其位于淮北煤田中南部,地處宿北斷裂塊內。1001工作面位于采區內,采區位于礦井南部,總體上為一走向北東、傾向南東的單斜構造,地層傾角一般為10°～20°。采區內組合斷層有44條,均為正斷層,其中落差≥100 m的斷層有3條;40 m≤落差<100 m的斷層有4條;20 m≤落差<50 m的斷層有4條;10 m≤落差<20 m的斷層有5條;落差<10 m的斷層有28條。斷層走向以N30°～60°E為主,其次為N10°～30°E。圖1為采區構造綱要圖。

圖1 采區構造綱要圖

據1001工作面勘探結果,并結合礦區地質信息分析可知82煤層為可采煤層,下部距泥巖4.5～43.5 m,平均深度為20.4 m。煤層可采厚度為1.76～10.0 m,平均厚度為3.76 m,以中厚煤層為主。礦區北邊因有災害發生的風險而設置為不可采區;可采厚度>2.00 m的煤層大體分布在礦區的中部以及深部。

1.2 水文地質條件

礦井區松散層厚度為153.70～246.00 m,呈現從北到南逐漸增厚的趨勢。松散層涵蓋4個含水層(簡稱“四含”)和3個隔水層(簡稱“三隔”)。

松散層第3隔水層的底界深度為184.60～221.18 m,平均埋深為201.68 m,厚度較大,分布穩定,可塑性好,膨脹性較強,阻隔水的性能也良好,是非常重要的隔水層,由綠色、黃色黏土及砂質黏土夾薄砂層構成[10]。1001工作面東南部“三隔”厚度較厚,向西北部厚度逐漸變薄,但總體均勻,變化不大。圖2為采區“三隔”厚度等值線圖。

圖2 采區“三隔”厚度等值線圖

“四含”底界深度為200.23～223.31 m,平均深度為207.90 m,“四含”厚度為1.0～8.0 m,平均厚度為3.63 m。單位涌水量為0.007 1 L/(s·m),滲透系數為0.04 m/d。這里的巖性非常復雜,主要由黏土質砂、中細砂構成。有一些鉆孔中含有厚的礫石層,但這只是個別情況?！八暮钡暮穸仁鞘芄诺匦慰刂频?在古地形低洼處砂礫顆粒較粗,沉積層也較厚。一般來說,巖層中泥質的含量較高,這是殘坡積物的結果,其滲透性差?！八暮笔堑V井充水的補給水源之一,但其補給量有限。從圖3中可以看出,在采區“四含”中,沉積物的厚度不均勻地分布,在煤層露頭處較淺薄。礦井的西北部和北部有相對較厚的煤層。而采區南部的“四含”煤層比較淺薄,這為在該地區開采淺部煤層提供了優越條件。

圖3 “四含”厚度等值線圖

2 富水性評價

為確保在巷道掘進過程中的安全,故先采用瞬變電磁法,超前探查開采區的富水性情況。得出該工作面有5處低阻異常區:YC1、YC2、YC3、YC4、YC5。頂板相對低阻區富水性的強弱關系:YC4>YC5>YC2>YC1>YC3。其中頂板低阻異常區YC4范圍相對較大,具有一定富水性。根據對采區長期水文觀測可知,滲透系數K=0.04 m/d,單位涌水量q=0.007 1 L/(s·m)。據《煤礦防治水細則》(2018),因q≤0.1 L/(s·m),經分析,“四含”富水性較弱。圖4為1001工作面頂板富水性現場布置圖。

圖4 1001工作面頂板富水性現場布置圖

3 理論計算

根據工作面巖體力學性能資料,并結合鄰近工作面探孔試驗分析可知,煤層淺部覆巖屬于軟弱型和中硬型。依照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》(簡稱《“三下”采煤規范》)進行可行性計算,并分析計算結果。

3.1 高度計算

本節研究依照《“三下”采煤規范》規定,綜合考量巖體的強度,由于該工作面淺部覆巖為軟弱型和中硬型,故采用覆巖計算公式計算最大采厚時垮落帶高度。

覆巖為軟弱型時,垮落帶高度:

(1)

覆巖為中硬型時,垮落帶高度:

(2)

式中∑M為煤層厚,取工作面最大采高5.2 m。

3.2 保護層計算

根據《“三下”采煤規范》規定,采動等級確定為Ⅱ級,工作面覆巖巖性為軟弱—中硬型情況時,Hb=2A～3A。

覆巖為軟弱型時,保護層高度:

Hb=2A=2×5.2=10.4 m。

(3)

覆巖為中硬時,保護層高度:

Hb=3A=3×5.2=15.6 m。

(4)

3.3 防砂煤巖柱垂高計算

覆巖為軟弱型時,防砂煤巖柱垂高:

Hsb=Hmi+Hb=9.59+10.4=19.99 m。

(5)

覆巖為中硬型時,防砂煤巖柱垂高:

Hsb=Hmi+Hb=14.17+15.6=29.77 m。

(6)

3.4 數值計算成果分析

按照《“三下”采煤規范》,理論計算出防砂煤巖柱的最大安全高度為29.77 m,而《“三下”采煤規范》中現留設煤巖柱的最小高度為45.63 m,能夠滿足采動要求,煤層在開采過程中垮落帶不會涉及“四含”,所以不會發生潰砂事故。

4 數值模擬研究分析

4.1 模型構建

為進一步確定工作面合理的斷層防砂煤柱寬度,結合現場勘探和理論計算,利用FLAC 3D軟件,建立三維直角坐標系模擬開采時的應力變化,該模型尺寸為300 m×300 m×95 m[11-12]。計劃工作面從30 m處以每次挖掘50 m為研究對象,分別開挖50 m、100 m、150 m和200 m,用以研究開采后覆巖的豎向應力、剪應力以及采動后位移的變化。模型如圖5所示,巖層參數見表1。

圖5 工作面地質模型

表1 巖層參數

4.2 數值模擬計算結果分析

4.2.1 覆巖應力變化

在煤層開采過程中,隨著煤層逐漸被挖空。導致頂板失去支撐發生沉降,底板失去上部的壓力,發生隆起現象。工作面受到上下兩端擠壓發生形變,如果采空區煤礦挖掘過深,煤柱留設過小,則會導致上部覆巖發生裂縫發育甚至是破碎現象;如果聯通含水層或其余富水區域,還會導致突水淹井等現象發生。故先對開采區采取數值模擬可以有效地避免該類事故的發生,提前采取相應的防護措施。圖6為模擬的不同掘進下豎向應力云圖。

(a)50 m

(b)100 m圖6 不同掘進下豎向應力云圖

(c)150 m

(d)200 m圖6 不同掘進下豎向應力云圖

在工作面開挖50 m、100 m、150 m和200 m后,其最大壓應力為12.757 MPa、16.35 MPa、18.37 MPa和19.84 MPa。由圖6可以看出在工作面掘進過程中,上下兩端所產生的壓應力在不斷增大,且在50～100 m時,底板壓應力的變化幅度明顯快過頂板所發生的應力,然而在150～200 m時,頂板與底板兩端的壓應力變化幅度均明顯變小,說明頂底板的形變逐漸趨于穩定。因此在開采過程中,頂板會發生彎曲下沉,而不會發生斷裂等現象。而且應力主要集中在頂板的兩端,故在開采過程中需要每隔一段距離就進行相應的支護處理,這樣可以防止因開采度過大而導致一些不必要事故的發生。

4.2.2 覆巖豎向位移的變化

開采后,由于縱向應力的作用,采空區上部的覆巖會向下發生位移,從而導致采空區頂底板發生變形,其中頂板向下沉降,底板則發生隆起。工作面受到兩端擠壓,如果開采度過大則會導致工作面發生垮塌冒落等現象,嚴重則會引發覆巖破壞,從而引發突水淹井。故通過模擬采空后覆巖位移的變化,可對煤巖柱的合理留設做出可行性的判斷。圖7 為不同掘進下豎向位移云圖。

(a)50 m

(b)100 m

(c)150 m

(d)200 m圖7 不同掘進下豎向位移云圖

在工作面挖掘50 m、100 m、150 m和200 m時,頂板最大位移分別為0.42 cm、0.89 cm、1.43 cm和2.37 cm;底板最大位移分別為0.12 cm、0.71 cm、1.06 cm和1.15 cm。隨著挖掘進度的不斷推進,頂板的位移變化明顯快過底板的位移。但頂底板的位移變化相對較小,故對工作面的安全開采不會造成影響。但為確保工作面可以安全開采,所以在開采過程中,需要對頂板進行實時監控并在必要時采取支護措施,而底板位移相對較小,可以不設支護,但需要實時監控。

4.2.3 覆巖剪應力的變化

在采動過程中,隨著采空區不斷加大,覆巖上部兩端受到豎向壓力的影響,產生的剪應力也會不斷加大。工作面挖掘50 m、100 m、150 m和200 m時,最大剪應力分別為2.06 MPa、2.79 MPa、3.52 MPa和4.09 MPa。由圖8可以看出:隨著工作面掘進的不斷加深,覆巖上部受到的豎向剪應力不斷增大,其剪切破壞的程度不斷加劇,且破壞主要發生在頂板兩端部分,符合剪切破壞的原理。

(a)50 m

(b)100 m

(c)150 m

(d)200 m圖8 不同掘進下剪應力云圖

4.3 數值模擬成果分析

通過數值模擬圖分析可知,在防砂煤巖柱垂高為25.3 m,小于理論計算值和現留設煤巖柱最小垂高時,開采后覆巖的豎向應力變化較小,采動后位移變化相對較小,剪應力變化不大。豎向應力、采動后位移以及剪應力所發生的變化處于合理范圍之內,符合預期效果。

5 結論

參照實際地層勘察資料,考慮斷層因素,通過理論計算和FLAC 3D的模擬,對采動后的含裂隙地層進行分析,結果表明對開挖面覆巖應力、豎向位移和覆巖剪切應力均在安全開采的范圍之內,故皖北孫疃煤礦的開采是合理的、可行的,并得出結論:

1)按照《“三下”采煤規范》,當覆巖為軟弱型和中硬型時,垮落帶分別為9.59 m、14.17 m;保護層厚度分別是10.4 m、15.6 m。安全防砂煤巖柱最大高度為29.77 m。

2)煤層開采后,工作面所受到的縱向拉力隨著掘進深度不斷增大,不斷趨于穩定,且在開采過程中,工作面所產生的豎向應力始終處于安全可控的范圍內,故在開采孫疃煤礦留設的防砂煤巖柱是可行的。但在開采時,兩端的壓力較大,需要在一定范圍內進行相應的支護處理,以防止在開采過程中,發生垮塌等事故。

3)在采動過程中,工作面頂板覆巖隨著采動的不斷深入,出現的下沉也在不斷加劇,且速率也在不斷提升。但所發生的沉降處于合理范圍之內,不會影響采動的范圍,故需要對工作面的頂底板沉降變形量進行實時監測,若出現沉降范圍過大時應立即停止開采,確保人員安全。

4)在掘進的過程中,深度越大,煤層兩端的剪應力越大,并出現向兩端集中的現象,且兩端出現的剪應力大小相同,方向相反。