补者煤矿带压开采煤层底板突水可靠性分析

刘新礼

(山西煤炭进出口集团有限公司，山西 太原 030006)



·专题综述·

补者煤矿带压开采煤层底板突水可靠性分析

刘新礼

(山西煤炭进出口集团有限公司，山西 太原 030006)

以补者煤矿带压开采工况为例，对煤层底板突水可靠性进行了分析。由该矿2号煤样隔水层厚度及细砂岩容重正态拟合情况得出该矿岩体物理力学指标均接受正态分布，因此使用蒙特卡罗法计算该矿相应的结构失效概率、可靠度指标，计算得到补者矿2煤标准设计开采深度-230 m处的可靠系数约为1.70，底板失效概率为0.03～0.05，对应的突水系数为0.06 MPa/m，这为该矿带压开采的工程设计提供了依据，避免了单纯阈值作为突水判据的不合理性。

带压开采；底板突水；突水系数

补者煤矿位于贵州省黔西南布依族苗族自治州普安县，矿区与县城距离约75 km，主要出露的地层为第四纪、二叠龙源组和三叠凤县组。其中，龙源组为含煤地层，多为粉砂岩、黏土岩，厚度约40 m. 第四纪多以黄色粉黏为主，夹杂卵石，厚度为3～8 m. 凤县组则多为裂隙灰岩，为高承压水地层，因此面临带压开采的风险。

带压开采是深部采煤的重要工作方式，为了避免矿井突水，通常使用突水系数方法研究突水的不确定性。但有时突水安全系数足够大，仍然会出现突水事故。面对这样的问题，一般尝试使用结构可靠度理论来研究突水问题的可靠度。因此，借鉴地震作用下的结构可靠度理论[1-3]，结合补者煤矿的工程实际，研究三叠凤县组的高承压带压开采的突水问题，为普安煤矿的安全开采提供一个应用范例。

1 补者煤矿2号煤底板突水可靠性分析

1.1 水文地质概况

根据DZ1和DZ2两个钻孔的凤县组1～3抽水试验结果，发现本层为中低等含水层，其导水系数为0.046 L/(s·m)，水位为24.60 m左右。该矿区从2014年开始对底板水进行排水施工，根据最新的观测结果，凤县组水位已经跌至-150.79 m深度处。因此在放水之后，如何计算2号煤底板的突水可靠性系数，对于补者煤矿的安全生产具有重要的意义。

1.2 补者煤矿2号煤底板突水可靠性

结构可靠度是指工程结构在规定时间内规定条件下，完成预定功能的概率。在承压水作用下，煤矿保护层的失效模式主要是结构强度的失效，即由于保护层本身厚度不足，岩层组合梁的力学强度不够，或这两种因素同时存在的结果。因此，使用超静定梁推导的安全水压力计算得到的巷道底板岩层厚度t作为可靠性分析的指标，见式(1)[4]：

(1)

式中：

h—安全水压值，Pa；

t—巷道底板岩层厚度，m；

L—巷道底板宽度，m；

K—巷道底板岩层的抗拉强度，Pa；

r—巷道底板岩层容重，kN/m3.

补者煤矿2号煤设计标高为-230 m. 根据给出的实际承压水位，认为可靠度计算开采上限为-250 m、下限为-430 m. 分别计算2号煤隔水底板结构稳定的可靠度指标以及失效概率。收集了25个2号煤的钻孔样本，样本隔水层厚度及细砂岩容重的正态分布拟合情况见图1. 假设各个参数的估计方法为最大似然法[5]. 补者煤矿2号煤样本隔水层厚度、砂岩容重的正态拟合情况给出了不同厚度数据上的概率分布，见表1，表2.可以发现，所有的指标都接受正态分布。值得指出的是，假设检验的结果除了泥岩和粉砂岩比重之外都符合相关性检验。

图1 2号煤样本隔水层厚度及细砂岩容重正态拟合曲线图

隔水层厚度/m概率密度隔水层厚度/m概率密度5.03E+011.07E-026.13E+017.29E-025.13E+012.04E-026.24E+016.32E-025.20E+012.91E-026.29E+015.48E-025.28E+014.11E-026.37E+014.45E-025.35E+015.11E-026.46E+013.64E-025.64E+019.36E-026.78E+011.10E-025.77E+011.00E-016.84E+018.36E-035.90E+019.93E-026.90E+015.01E-035.99E+019.19E-026.98E+013.68E-036.06E+018.22E-027.00E+012.67E-03

表2 2号煤样本细砂岩容重正态拟合情况表

由于补者煤矿所有的岩体物理力学指标都接受正态分布，因此可以引入可靠度评价函数做出带压开采安全性分析，采用一般的荷载-抗力模式：

(2)

其中，β为可靠性指标。通过Matlab2012a软件使用蒙特卡罗法计算得到补者煤矿相应的结构失效概率、可靠度指标，见图2. 为了研究带压开采的可靠程度，需要给出工程的结构可靠性指标；同时从风险耐受能力的考量上，研究带压开采能够接受的风险。由图2可以清晰地发现，随着突水系数上升，可靠性线性降低，而失效概率则出现指数增大的趋势。按照可靠性指标和失效概率的不同阶段，将趋势划分为3部分：1) 失效概率低位，从10E-5增大到了1E-2左右，而对应的突水系数为0.04～0.05 MPa/m，此时的可靠度从5.0降低到了2.1左右。2) 失效概率增加段，从1E-2增大到了8E-2左右，而对应的突水系数为0.05～0.06 MPa/m，此时的可靠度从2.1降低到了1.3左右。3) 失效概率激增段，从8E-2增大到了16E-2左右，而对应的突水系数为0.06～0.08 MPa/m，此时的可靠度从1.3降低到了0.9左右。

因此，根据《矿井水文地质规程》，同时考虑黔西南矿区实际情况，将底板临界突水系数取0. 06 MPa/m. 由图2的失效概率曲线可以计算得到，补者矿2号煤的底板失效概率为0.03～0.05. 根据规程，由图2中可靠系数曲线，可以得到补者矿2号煤标准设计开采深度-230 m处的可靠系数约为1.70，对应的突水系数为0.06 MPa/m.

图2 补者煤矿相应的结构失效概率、可靠度指标曲线图

2 结 论

本文开展了补者煤矿带压开采工况下煤层底板突水可靠性分析，使用突水稳定性的蒙特卡罗可靠性分析开展了工作，使得评价结果更加接近实际情况。全文使用了普安补者煤矿带压开采工况的数据给出了详细的应用案例，可以为我国煤矿突水的安全性评价提供重要的参考。最终计算得到补者矿2号煤标准设计开采深度-230 m处的可靠系数约为1.70，对应的突水系数为0. 06 MPa/m，这为煤矿带压开采的工程设计提供了依据，避免了单纯阈值作为突水判据的不合理性。

[1] 孟庆筱，王太松.二维有限元基岩水平向地震动模拟方法及检验[J].大地测量与地球动力学,2014(4):9-16，20.

[2] 王润红,郭联宏,朱文胜,等.突水系数法在华晟荣煤矿水上带压开采安全评价中的应用[J].煤矿安全,2012(10):135-138.

[3] 韩青林.煤矿带压开采技术体系分析[J].硅谷,2013(18):48，78.

[4] 田坤云,刘志源,唐现奇,等.新密西区煤矿群带压开采条件下水灾害综合治理[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2014(1):17-22.

[5] 许海涛,吴新庆,丁顺华.许厂煤矿11603工作面带压开采安全性评价[J].中国煤炭,2015(9):41-44，68.

Reliability Analysis on Floor Water Inrush of Mining Coal Seam with Pressure in Buzhe Coal mine

LIU Xinli

The reliability of coal seam floor water inrush is analyzed. Based on the normal fitting of water thickness and tiny sandstone density of No.2 coal sample in the coal mine, it is concluded that the physical and mechanical indexes of the rock are subjected to the Normal Distribution, and the Monte Carlo method is used to calculate the corresponding structural failure probability of the No.2 coal seam under the surface in the coal mine. The reliability index is calculated to be 1.70, the failure probability of the floor is 0.03～0.05, and the corresponding water inrush coefficient is 0.06 MPa/m, it provides a basis for engineering design of mining with underground water pressure, also for avoiding the irrationality of simply observing the threshold as the criterion of water inrush.

Mining under pressure; Floor water inrush; Water burst coefficient

2017-03-28

刘新礼(1986—)，男，山西怀仁人，2015年毕业于太原理工大学，工程硕士，助理工程师，主要从事煤炭安全管理工作

(E-mail)147377358@qq.com

TD745

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1672-0652(2017)05-0050-03