天安煤矿5404工作面带压开采安全性综合评价研究

赵 勇

（阳泉煤业集团天安煤矿 ，山西 忻州 034000）

1 工程概况

阳泉煤业集团天安煤矿有限公司天安煤矿正在进行5#煤层的采掘工作，5#煤厚度8.57～15.62m，平均厚12.6m，为全区稳定可采煤层。根据地面奥灰水位观测资料，奥灰水位标高为1474m，高于2、5煤层最低底板标高，煤层处于底板承压开采状态。5#煤底板主要充水含水层有石炭系K1砂岩含水层和奥陶系灰岩岩溶含水层，其中奥灰富水性强、水压大，形成对5煤开采主要的底板突水威胁。根据三维地震勘探及井巷实际揭露情况，5号煤层底板至奥灰岩顶面间距平均在50m左右，5#煤层底板标高位于1220m～1376m之间，奥陶系灰岩含水层水位标高为+1474m，因此井田评价区内5号煤层全部处于带压区，底板隔水岩柱承受的最大水头压力为2.54MPa，最小0.98MPa。井田中部承压较低，东、西两部承压较高。5#煤层底板标高位于1220m～1376m之间，最高处位于ZK7钻孔以东以南地段，其标高为1376m；最低处位于勘探区东北部，其标高为1220m。位于井田东南侧4采区工作面埋深较深，底板将面临更大的奥灰承压水突水危险，因此在4采区的5404工作面正式回采前，对其带压开采的安全性进行综合性评价，为工作面回采期间采取合理的措施提供理论依据。

2 采动影响下底板破坏深度模拟分析

为更加详细的对天安煤矿5#煤层5404工作面面临的问题进行分析，设计应用FLAC3D数值模拟软件，根据该工作面具体的地质条件进行模拟。承压开采工作面其底板突水的危险性很大程度上取决于底板隔水层能否有效的防止工作面与下部含水层的连通，工作面回采期间采动及底板承压水压力会对底板隔水层造成一定程度的破坏，底板的破坏深度对于底板隔水层的隔水能力具有很大影响。根据天安煤矿5#煤层具体的地质条件建立如图1（a）所示的三维模型，模型的尺寸长×宽×高=300×350×100m，5#煤层厚度12.6m，平均埋深取190m，模型底面为固定边界，左右、前后边界面水平位移为固定约束，模型上部为自由边界，上覆岩层载荷等效为2.54MPa的均布载荷，下部含水层内的孔隙水压力根据5404工作面的地质条件取可能的最大值，设定为2.5MPa，模型详细的边界条件如图1（b）所示。

图1 数值计算模型示意图

天安煤矿5#煤层4采区工作面长度不等，基本可分为210m、220m、230m、240m四种情况，为分析不同工作面长度条件下对底板破坏深度的影响，共进行四次模拟，模拟工作面的推进长度均为280m，工作面的长度分别为 210m、220m、230m、240m，工作面回采后在工作面推进方向取一个截面，得到围岩塑性破坏情况如图2所示。

图2 不同工作面长度条件下底板塑性破坏区分布

天安煤矿5#煤层4采区工作面回采后围岩塑性破坏分布规律如图2所示，由于篇幅所限，仅将各个不同长度工作面条件下的最终结果展示出来，根据图示结果可以看出，工作面回采后，上覆岩层和煤层底板均出现了明显的塑性破坏区域，围岩塑性破坏的区域基本对称分布，在工作面中部附近围岩塑性破坏的范围最大，并且随着工作面长度的增大，围岩的塑性破坏范围逐渐增大，当工作长度为210m时，底板塑性破坏深度最大约为14m，当工作面长度增加为240m时，底板岩层塑性破坏深度达到17m，因此根据数值模拟结果可知，天安煤矿5#煤层4采区工作面开采引起的底板塑性破坏深度最大为17m。

3 工作面涌水量及突水系数等分析计算

3.1 隔水层阻水性能分析

天安煤矿5404工作面共施工了三个井下水文孔，在5#煤层底板开孔，得到5#煤层下方隔水层厚度为51.9～68.7m，隔水层平均厚度约为59.89m，钻孔终孔位置在奥灰含水层内40m左右，隔水层岩性主要为泥岩、粉砂岩、砂质泥岩、灰岩，为分析底板岩层的阻水能力，取隔水层最薄的SK3钻孔进行分析，隔水层厚度为51.9m，根据第二节的模拟分析可知，工作面回采引起的底板破坏深度为15m，根据三个水文钻孔钻进过程中的涌水情况可知，隔水层中导升带最大高度为7.2m，两者之和明显比隔水层厚度要小，因此工作面开采引起的底板塑性破坏区域不会直接导致底板奥灰水涌出。SW3钻孔处底板隔水层的主要岩性为泥岩、粉砂岩、砂质泥岩、灰岩，根据隔水层岩层的不同可分为泥岩为主型、砂岩为主型和砂泥岩复合型隔水层，其中泥岩为主型隔水层岩层的物理力学性质主要表现为塑性，但是由于泥岩的强度较低，导致其抵抗水压的能力较小，整体来说泥岩为主型隔水层隔水能力较好。隔水层一般是由多个岩性的岩层组合而成，隔水层的类型通过以下方法进行判别，隔水层中泥岩所占的厚度百分比为[1]：

其中：h为底板含水层与煤层间岩层泥岩的总厚度，单位：m；H为底板含水层与煤层间岩层总厚度，单位：m；

根据计算所得的K值的大小进行判断：K＞65%，为泥岩为主型，抗水压能力弱，隔水性能较好；35%＜K＜65%，砂泥岩复合型，抗水能力和隔水能力均为中等；K＜35%时为砂岩为主型，抗水压能力较强，隔水性能较弱。天安煤矿5#煤层4采区地下水文SK3号钻孔处底板隔水层的岩性和总厚度：泥岩37.36m，粉砂岩6.6m，砂质泥岩5.32m，灰岩3.02m。代入式（1）可得K=71.98%＞65%，底板隔水层为泥岩为主型，隔水能力较好，并且底板隔水层含有1～3层强度较高的砂岩和灰岩，可以形成整个含水层稳定的骨架，使底板隔水层的抗水压能力大大提高，并且底板奥灰水水压较小，综上可知，天安煤矿5#煤层4采区底板隔水层隔水能力较好。

3.2 工作面涌水量预测

根据以往的研究成果可知，工作面回采期间底板的突水点及突水量具有很大的不确定性和偶然性，目前无法对底板的突水量进行定量的计算，但是可以采用裘布依Dupuit公式定量计算底板奥灰水水位降低到一定程度下所需的降水量，为承压水工作面开采的安全性评价提供参考，天安煤矿5#煤层底板最低标高为1220m，工作面最大长度为240m，工作面推进长度为1100m，奥灰含水层的静水位为1474m，采用“大井法”以承压转无压为模型，计算奥灰含水层水位降到1220m的疏水量[2]：

其中：

式中：K为渗透系数；H为水柱高度；R为影响半径；M为含水层总厚；r0为工作面开采影响范围；R为引用影响半径；S为水位降低深度；F为工作面开采范围的面积；

根据天安煤矿5404工作面具体的地质条件，以 上 参 数 取 值 ：K=1.245m/d；M=50m；H=1474m；h=1220m；F=0.264km2；将以上参数代入式（2）～（4）可得，将5404工作面底板奥灰水降至工作面底板以下疏降的稳定水量为660m3/h，相对来说涌水量较小。

图3 开采煤层底板岩石力学和水力学分层结构模式图

3.3 奥灰水突水危险性评价

工作面回采期间，底板隔水层的作用形式如图3所示，采用突水系数法确定工作面采用全部垮落法开采底板突水危险性的公式如下[3～4]。

底板突水系数：

式中：Ts为突水系数，单位：MPa/m；P为底板隔水层承受的水头压力，单位：MPa；M2底板有效隔水层厚度，单位：m。

式中：

式中：hD为煤层底板距离含水层最上部的垂直距离，单位：m；h1为煤层底板采动破坏深度，单位：m；hd为承压水导升高度，单位：m；

根据数值模拟结果可知，天安煤矿5404工作面回采期间，在回采动压和承压水压共同作用下，底板塑性破坏深度根据模拟分析结果为17m，根据地井下水文钻孔探查结果可知承压水导升带高度hd=7.2m。隔水层的总厚度采用SK3钻孔处的51.9m，由此根据式（6）计算可得有效隔水层厚度M=27.7m。通过现场实测5401工作面承压水压力P为1.5MPa，将以上参数带入式（5）可得，底板奥灰水突水系数Ts=0.057MPa/m。通过查阅相关的文献可知[4]，正常地段临界突水系数值为0.1MPa/m，底板突水系数应小于0.1MPa/m。根据突水系数理论，5404工作面带压开采比较安全。

4 结 语

通过以上的数值模拟、理论分析及计算的结果可知，天安煤矿5#煤层4采区工作面开采底板破坏最大深度约为17m，底板隔水层的厚度较厚并且阻水性较好，含水层的富水性为弱-中等，导升带高度最大约为7.2m，采用突水系数法以最不利的条件进行分析计算，5404工作面带压开采仍较安全，综上可知，天安煤矿5#煤层4采区能够进行带压开采。