界沟矿7211工作面防砂煤岩柱留设研究

周晓敏,杨本水

(安徽建筑大学,安徽 合肥 230601)

0 引言

淮北煤田是位于华北聚煤区南缘,水害类型复杂,是全国大水矿区之一[1-3],并且淮北煤田为厚松散层所覆盖的全隐伏型煤田,突水溃砂事故时有发生,严重威胁着煤矿的安全生产[4-7]。其中界沟矿主采煤层上部覆盖着较厚的松散层,厚度为244.85～299.75m,7211工作面位于界沟矿中央采区,工作面布置位置示意图如图1所示。原设计回采上限标高-330m,留设61.7～90.9m的防水煤岩柱,压72煤108.7万吨,为了解放含水层下7211工作面原设计留设的防水煤量,进一步确保安全绿色高效开采,延长中央采区服务年限,合理留设安全煤(岩)柱研究对煤矿生产意义重大[8,9]。

图1 7211工作面布置位置示意图

1 工作面水文地质概况

7211工作面为中央采区72煤层上提工作面,介于F6和F5两中型断层之间,工作面推进长度为719m,倾斜宽度为160m,总面积约为115084m2,煤层厚度平均为2.3m,煤层的倾角为5°～10°,平均倾角α=6°,7211工作面上覆岩层中的新生界松散层由第三系及第四系组成,平均厚283.4m。现场钻孔实测资料绘制综合柱状图如图2所示。

图2 煤层顶底板综合柱状图

工作面开采主要受顶板砂岩水和“四含”水的威胁。其中砂岩裂隙水富水性较弱,且为静储量,威胁较小,而松散层底部的第四含水层(简称“四含”,下同)直接覆盖在主采煤层的上面,含水层的水间接渗透和供给对浅部煤层的安全开采造成了一定的威胁。

2 “四含”富水性及岩土水理性质分析

2.1 “四含”富水性分析

根据勘探资料和钻孔数据可知,新生界松散层第三隔水层(简称“三隔”,下同)厚度为80.20～126.37m,厚度大,分布稳定,据工作面周边钻孔揭露“四含”厚度为5.1～15.2m。据观1、观2、09-1、LG20-1、LG20-2、LG20-3孔抽水试验数据可知:第四含水层的单位涌水量折算后0.00015～0.04592L/s·m,渗透系数为0.00039～0.0309m/d,矿化度为2.586～2.930g/l,全硬度在77.95～80.62德国度之间,见表1,由此可推断出“四含”属弱富水性含水层。

表1 新生界松散层第四含水层(组)抽水试验成果统计表

2.2 松散层底部岩土物理性质分析

根据采前09-1钻孔土工试验数据分析可知,在地质作用下孔隙比e为0.420～0.543,见表2,孔隙比较低,密实度较高,表明矿井压实度较高。根据试验可知,“四含”的含水量低于由可塑状态过渡到半固态时的界限含水量,说明该层硬度较高,属于“固态土”,上覆岩层的密实度高密度大。且“四含”的岩性为含少量砾石的黏土,细颗粒含量较多可塑性较强,开采后经过上层覆岩不断压实比较容易弥合,呈现出固结或者半固结状,所以在煤层回采时,不容易出现涌水溃砂现象。

表2 “四含”土样物理特性分析表

根据中央采区留设研究方案设计,工作面开采区域四含、三隔的分布规律、含、隔水特性,按照水体的类型、流态、规模、赋存条件,依照“三下”采煤规范关于水体采动等级的划分,7211工作面上覆松散含水层中的第四含水层的水体类型应属Ⅱ类水体,允许导水裂隙带顶点波及该含水层,但不允许垮落带波及四含水体即:中央采区的7211工作面煤岩柱合理留设高度为垮落带高度与保护层厚度之和。

3 工作面采动覆岩破坏演化规律模拟分析

为了观察研究覆岩破坏的演化规律,利用软件对开采过程的覆岩破坏进行模拟,通过数值模拟结果,分析总结在推进距离不断变化的情况下,开采后覆岩破坏的规律,以及开采后形成的垮落带位移变化特征。

3.1 数值模拟的建立

本次以界沟7煤层地质情况作为本次数值模拟的数据原型,模拟7211工作面。采用走向长壁采煤法开采,顶板采用垮落法管理,采厚为3.0m,为减小开采对边界影响,煤层走向和倾向取300m,而7211工作面倾角为6°,模型尺寸选用300m×300m×97m。模拟过程中煤层以及覆岩的厚度、力学参数按照试验结果为准,结合工作面状况做相应调整。本次模拟参数见表3。按照采宽200m,步距30m开挖条件下建立数值模型。

表3 岩石力学性质试验结果统计表

3.2 采动后顶板岩层位移分析

煤层开采后,随着工作面不断向前推进,覆岩受扰动产生破坏,顶板围岩逐渐向采空区发生变形位移,上覆岩形成“三带”,即煤层附近的垮落带,垮落带上方岩层破坏形成的裂隙带,以及顶板最上部的弯曲下沉带。煤层采动后顶板竖向位移云图如图1所示,监测点竖向位移变化图如图2所示。

由图1可知:煤层开挖后,煤层顶板部位的竖向位移方向向下,而底板部位竖向位移与其刚好相反,这表明顶板岩层向下弯曲沉降,底板受扰动破坏向上突起。并且随着工作面向前推进,围岩的竖向位移也在逐渐增大,到工作面推进至180m时工作面顶板中心区域向下位移10.7cm,底板中心区域向上突起1.41cm,如图1(f)所示。根据监测点位移变化如图2所示,当时步在5000步左右时,靠近采空区的岩层破坏明显,位移量由此开始逐渐递增,而远离采空区的岩层位移变化不明显,并且其位移均随着工作面的推进逐渐增大,最终趋于稳定。

3.3 采动后顶板岩层应力分析

煤层受采动影响,打破了工作面原有的应力平衡,引起应力重分布。竖向应力云图如图3所示。从图中可以看出,工作面顶底板受拉应力作用,切眼处及远离切眼的位置受压应力作用,且应力呈对称分布。应力表现为中间高两边低,这是由于采空区处的覆岩因采空失去支撑力,形成压力拱;上覆岩层的自重因应力重分布,使得工作面切眼处及远离切眼处产生集中应力,并且集中应力大小随着工作面的推进逐渐增大。当工作面推进距离为150m时,工作面竖向拉应力达到最大,拉应力为0.35MPa,当工作推进距离为180m时,采空区顶板拉应力最大值降低,这是由于采空区直接顶板冒落和老顶板的垮落使原有应力拱不再保持平衡,发生卸荷现象。

图3 不同推进距离竖向位移云图

3.4 采动后顶板岩层塑性区分析

煤层开挖时,采空区围岩进入塑性状态,且随着工作面不断推进各岩层的塑性特征会发生改变,具体变化特征如图4所示。煤层开挖后,采空区上覆岩层受扰动影响首先发生剪切破坏,当工作面推进到60m时,出现了拉伸破坏,如图4(b)所示,并且离采空区较近的覆岩因受煤层开采影响较大,塑性破坏区的高度和范围也随着工作面的逐步推进不断增长和延伸,上覆岩层会出现脱落现象,形成垮落带。由图5可知,随着煤层不断开挖,垮落带高度逐步增长,最终趋于稳定,但会使临近垮落带的岩层产生裂缝,裂缝不断发育,贯通后形成的裂隙网络会增强导水效果,演变为导水裂隙带;当采厚为3m时,煤层垮落带最终发育高度为10.3m,导水裂隙带高度为26.3m。

图4 监测点竖向位移变化图

图5 不同推进距离竖向应力云图

图6 不同推进距离塑性区变化图

图7 垮落带及导水裂隙带发育图

4 防砂煤岩柱高度留设

4.1 采用规程规范留设

(1) 垮落带高度的预计

根据10-3孔和两带高度探查孔的岩体力学测试资料,结合相邻的界沟煤矿中央采区1010等工作面的相关实测数据,7211浅部煤层覆岩类型为软弱中硬类型,预算参数和条件符合含水层下7211工作面,72煤层最大厚度为2.98m,取3m。鉴于71煤与72煤之间层间距平均为3.0m,按分层重复开采叠加影响进行预计,根据“三下”采煤相关的规程规定,含水层下7211工作面可以按照“松散含水层底部无粘土性隔水层”的类型进行预算。防砂煤岩柱垂高为:

Hsb=Hm+Hb

(1)

式中,Hm为垮落带高度m;Hb为保护层厚度,m。其中,垮落带高度为

(2)

保护层厚度为

(3)

式中,∑M为累计采厚,取∑M=6m;n为分层层数,取n=2。

经计算得出界沟煤矿开采7211工作面后所形成的垮落带带最大高度为12.9m,防砂安全煤岩柱保护层厚度应选6m,防砂煤岩柱高度应不小于21.9m。

4.2 探测孔实测类比法留设

与界沟煤矿含水层下7211工作面紧邻的已采工作面有1011和8210工作面,且其工程概况及煤层和覆岩情况非常接近,按最不利因素进行计算,垮高采厚比采用5.2,由于最大开采厚度为3.0m,根据工程类比,确定中央采区浅部7211工作面最大垮落带高度为15.6m,保护层厚度按9.0m选取,需要留设的保护煤柱高度为24.6m,见表4。根据数值模拟结果,工作面最大垮落带高度为10.3m,保护层厚度按9m计算,留设高度为19.3m。

表4 7211工作面开采防护煤柱高度预算成果表

7211工作面切眼附近,基岩面标高为-255.80m,按规程法、实测类比法和数值分析法需留设的防砂安全煤岩柱高度最大为24.6m,因此其上限标高为-280.4m。现设计开采顶板上限的标高为-300m水平,重新确定后的7211工作面安全煤岩柱厚度为44.2m(考虑10煤和71煤层开采基岩面的下沉),较实测类比计算的煤岩柱高度多留设19.6m,比规程规范要求留设的大22.3m,因此7211工作面的回采是安全可行的。

5 结论

(1) 7211工作面第四含水层属弱富水性含水层,岩性为含少量砾石的黏土,可塑性较强,容易弥合,呈现出固结或者半固结状,确定7211工作面的采动等级为Ⅱ类。

(2) 数值模拟结果表明随着工作面向前推进,围岩的竖向位移逐渐增大,最终趋于稳定;工作面顶底板受拉应力左右,切眼处及远离切眼的位置受压应力作用,且应力呈对称分布。当工作面推进距离为150m时,工作面竖向应力达到最大;当工作推进距离为180m时,采空区顶板拉应力最大值降低,发生卸荷现象。煤层开挖后,采空区上覆岩层受扰动影响首先发生剪切破坏,随后出现了拉伸破坏,煤层垮落带最终发育高度为10.3m,导水裂隙带高度为26.3m。

按规程法、类比法和数值分析法需留设的防砂安全煤岩柱高度最大为24.6m,设计开采上限为-300m水平下,7211工作面实际安全煤岩柱厚度为44.2m,能够确保工作面安全生产。