下组煤首采面综放开采受上组煤老空水威胁程度研究*

2024-01-11毛振国朱术云

工程地质学报 2023年6期

毛振国朱术云邓昊薛宇

(①山西潞安集团左权五里堠煤业有限公司,左权 032600,中国)(②中国矿业大学资源与地球科学学院,矿山水害防治技术基础研究实验室,徐州 221116,中国)

0 引言

水体下开采导水裂隙带发育高度一直是国内众多学者研究的热点和难点,取得了诸多相关研究成果,最常用和列入规范的就是国家安全监管总局颁发的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中附录4给出的相关经验公式(国家安全监管总局等,2017),但该公式不适合综放开采,且考虑因素偏少; 基于此,李博等(2022)在大量收集我国华北型煤田50例煤矿综采导水裂隙带实测数据基础上,通过邓氏灰色关联分析和主成分分析,获得了开采厚度、开采深度、工作面斜长和硬岩岩性比例系数4个影响因素与导水裂隙带高度的关联度; 侯恩科等(2021)采用相似材料模拟和数值模拟,对柠条塔井田南翼某工作面开采上覆岩层的扰动破坏和导水裂隙带特征进行了研究; 李艳飞等(2020)和丛森等(2017)采用微震监测和数值模拟方法,以焦煤公司古汉山煤矿某工作面为对象,获得了顶板导水裂隙带发育高度量化参数; 王振广等(2020)采用现场钻孔成像、经验公式和数值模拟方法对云盖山煤矿二矿垮落带和导水裂隙带高度进行了研究; 舒宗运等(2016)采用地面钻孔冲洗液漏失量观测、钻孔彩色电视观测和数值模拟3种方法,对郭家河煤矿特厚煤层综放开采条件下的“两带”高度进行研究; 乔倩等(2022)采用相关分析法对榆神矿区某煤矿导高进行了研究; 朱伟等(2017)采用统计分析方法,得到了潞安矿区开采山西组3煤层的导水裂隙带高度计算经验公式,该公式在五阳煤矿漳河下及余吾煤矿绛河下开采3煤层进行了应用(杨连超等,2020)。

以上相关研究主要针对单一煤层开采。潞安集团左权五里堠煤业有限公司山西组的上组煤已基本开采完毕,下组煤15号煤层开采已提上日程,2101首采工作面已形成。但上组煤5号煤层开采形成的采空区积水是否对下组煤15号煤层开采产生影响是保证矿井安全生产的前提条件。关于这方面系统研究相对偏少(杨虎雄等,2013),且导水裂隙带高度影响因素较多,一般需要进行针对性研究(张玉军等,2020; 陈陆望等,2021)。为此,本文在系统分析研究区地质及水文地质条件基础上,结合开采工艺,采用相关综放开采导水裂隙带高度及浅部薄煤层开采底板破坏深度经验公式和数值模拟方法,对老采空区下综放开采下组煤首采面顶板突水危险性进行探究。

1 研究区基本概况

1.1 研究区工作面位置

2101工作面位于矿井二水平一采区,是下组煤太原组15号煤层的首采工作面,上覆存在上组煤山西组5号煤层采空区,对应地表整体为北高南低的连绵起伏山地。井下工作面位于矿井东南部、准备大巷南翼,切眼紧邻南部矿界保护煤柱。2101工作面采用走向长壁后退式放顶煤开采方式。

2101工作面平面布置如图1所示,工作面及周边施工有3个地面钻孔,地面标高+1160～+1300m,工作面标高+880～+990m,工作面走向长约1275m,倾斜长约196m。上覆老采空区工作面标高+1010～+1120m,工作面走向长约1100m,倾斜长偏窄,约100m。

图1 2101工作面及周边钻孔平面布置

1.2 开采煤层及其顶底板岩层组合特征

2101工作面煤层厚度5.03～8.18m,平均6.17m,属于厚煤层; 倾角8°～18°,平均13°; 该煤层结构复杂,多数煤层夹矸层数为3层。该工作面上覆的5号煤层开采厚度为0.9～1.6m,平均1.2m,属于薄煤层。

15号煤层顶板为巨厚层中砂岩,平均厚度14.4m,局部为炭质泥岩、泥岩和砂质泥岩。砂质泥岩为灰黑色,暗色矿物含量较多,中砂岩为灰白色,以石英、长石为主,含大量云母和少量暗色矿物,粒度由下而上由粗到细,泥质胶结; 泥岩为灰黑色,含植物化石。

煤层底板大部为砂质泥岩、泥岩,局部为炭质泥岩、薄层灰岩和中砂岩,中砂岩为灰白色中粒石英砂岩,泥质胶结,顶部含大量黄铁矿集合体; 基于3个钻孔资料和掘进揭露,2101工作面开采煤层顶底板地层平均厚度及岩性柱状特征分布具体见图2。

图2 2101工作面顶底板地层柱状

1.3 工作面主要含水层特征

2101工作面到5号煤层之间存在K2灰岩含水层,经2101工作面巷道施工26个钻孔探查,该含水层以静储量为主,水量小; 上覆巨厚中砂岩也不含水; 开采15号煤层主要受上覆上组煤山西组5号煤层老采空区水威胁大,初步物探、施工地面和井下钻孔探查,老空积水量大,井下26个钻孔揭露老空区后有16个钻孔出水,出水量2～70m3·h-1,变化大,其中:6-1钻孔累计排放约21.91×104m3,可见,上覆老空水富水性强,水量大。15号煤层开采后产生的导水裂隙高度能否波及延伸到5号煤层底板破坏带之内,是保证15号煤层安全回采的前提条件。为此,需要进行下组煤15号煤层综放开采所引起的顶板最大导水裂隙带高度和5煤层开采底板最大破坏深度研究。

2 导水裂隙带高度计算

导水裂隙带高度主要受开采煤层厚度、开采深度、覆岩岩性和工作面斜长等因素控制(李博等,2022)。2101工作面顶板以砂岩和泥岩及薄层灰岩为主,属中硬类型顶板。因现场还不具备实测导水裂隙带高度条件,基于前人相关研究成果,这里选用比较适合该工作面地质及水文地质和开采条件的经验公式类比确定。

(1)潞安矿区开采山西组3号煤层经验公式:朱伟等(2017)对潞安矿区开采山西组3煤层不同开采方式下实测导水裂隙带高度进行了对比分析,获得了综采和综放开采导水裂隙带高度(Hli)和累计采高(M)及开采分层数(n)的关系式为:

(1)

2101工作面15号煤层最大厚度8.18m,考虑开采实际情况,综放开采回采率一般可按85%,则实际最大采厚约7.0m,将采厚7.0m,分层数取1,代入式(1),得出2101工作面最大导水裂隙带高度151.4m。

按朱伟等(2017)表3中获得的潞安矿区综放开采3号煤层最大裂采比20.2进行计算,则可得2101工作面最大导水裂隙带高度141.4m。

(2)《煤矿防治水手册》经验公式:根据武强(2013)主编的《煤矿防治水手册》经验公式,综放条件下中硬顶板类型的导水裂隙带高度(Hli)与采厚(M)的关系式为(综放开采公式适用的采放高度为3.5～12m):

(2)

将采厚7.0m代入式(2),得出2101工作面最大导水裂隙带高度91.9m。

(3)《建筑物、水头、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采指南》经验公式:根据胡炳南等(2017),厚煤层综放条件下中硬顶板类型的导水裂隙带高度(Hli)与采厚(M)的关系式为:

(3)

将采厚7.0m代入式(3),得出2101工作面最大导水裂隙带高度101.2m。

(4)李鹏宇等(2018)根据实测数据综合单因素分析以及多元逐步回归分析,得到综放开采工作面导水裂隙带计算公式:

Hli=6.28M+2.14lnL+

(4)

式中:M为采厚;L为工作面斜长;H为采深。

将采厚7.0m、工作面斜长196m和采深302.4m带入式(4)得出2101工作面最大导水裂隙带高度68.0m。

(5)导水裂隙带高度确定影响因素较多,以上这些经验公式计算结果仅可作为参考,但并不能硬性作为2101工作面导水裂隙带实际高度。按国家煤矿安监局(2018)规定,放顶煤开采或者大采高(3m以上)综采的导水裂隙带高度,应当根据本矿区类似地质条件实测资料等多种方法综合确定。但由于2101工作面还不具备实测条件,这里仍可参考以上相关经验公式计算结果类比获得。基于前面几种经验公式对比分析,安全起见,2101工作面最大导水裂隙带高度151.4m。

3 老采空区下综放开采下组煤首采面突水危险性评价

3.1 两组煤开采后空间位置及下组煤突水条件

下组煤15号煤层首采面2101工作面综放开采后将形成最大导水裂隙带高度(Hli),上组煤5号煤层开采后形成老空水,两煤层正常间距H,开采5号煤层也会对底板产生最大破坏深度(Hp)。为此,可形成如图3所示的两煤层间开采后变形破坏空间分布特征。

图3 两煤层开采后顶底板破坏空间分布特征

由此可见,两煤层之间的间距(H)和15号煤层开采后最大导水裂隙带高度(Hli)与5号煤层采动底板最大破坏深度(Hp)之和关系基本决定了下组煤15号煤层首采面能否安全开采的保障(隋旺华,2021)。则存在3种可能,即:

(1)H>(Hp+Hli) 安全条件下开采;

(2)H=(Hp+Hli) 临界条件下开采;

(3)H<(Hp+Hli) 不安全条件下开采。

这里所提出的两煤层先后开采下组煤工作面发生突水条件3种可能,主要是根据2101工作面所在地质条件提出的。一般来说采动底板破坏深度和开采煤层顶板导水裂隙带高度受岩体结构控制,也就是孙广忠先生生前提出的岩体结构控制论核心内容(孙广忠,1988)。但对2101工作面而言,我们关注的上组煤采动底板破坏深度和预开采下组煤所引起的导水裂隙带高度是宏观量化指标,从理论上来说是个定值。且该工作面单斜构造,没有揭露断层,图6中该工作面及周边3个地面钻孔揭露的两煤层间距变化也不大,两煤层之间主要是泥岩类和砂岩类岩层组合,采用的导水裂隙带高度和底板破坏深度经验公式类比和数值模拟中均考虑到岩体结构的综合影响。

为此,还需要分析计算上组煤5号煤层开采后形成的采动底板最大破坏深度(Hp)

3.2 上组煤5号煤层开采底板最大破坏深度

3.2.1 理论公式计算

根据陈洋(2021)断裂力学和弹塑性理论,可得底板变形破坏深度计算公式:

(5)

式中:hp为底板变形破坏深度(m);x0为塑性区宽度,即煤层屈服区长度(m);φ0为底板岩体平均内摩擦角(°)。

浅部开采一般可选取塑性区宽度经验公式x0=0.015H,并代入式(5),可得:

(6)

式中:H为平均采深(m)。

根据2101工作面实际条件,平均采深H=150m,底板岩体平均内摩擦角φ0=47°,代入式(6)可得2101工作面底板最大破坏深度为7.5m。

3.2.2 《建筑物、水头、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采指南》经验公式

胡炳南等(2017)给出了3种基于大量统计数据基础上的工作面底板破坏深度(hp)经验公式:

hp=0.7007+0.1079L

(7)

hp=0.303L0.8

(8)

hp=0.0085H+0.1665α+0.1079L-4.3579

(9)

上组煤5号煤层老采空区采深(H)150m、煤岩层倾角(α)13°、工作面斜长(L)100m和采厚(M)1.5m,分别代入式(7)、式(8)和式(9),可分别获得5号煤层开后后底板破坏深度依次为11.5m、12.1m和9.9m。

可见,两种方法计算的上组煤5号煤层开采后底板最大破坏深度(hp)12.1m。

3.3 两煤层开采顶底板破坏数值模拟

为进一步研究上组煤5号煤层开采底板破坏深度和15号煤层开采顶板导水裂隙带高度,以期与前面的经验公式进行相互验证,这里应用数值模拟方法再进行对比分析(陈凯等,2021)。

3.3.1 工程地质数值模型建立

根据图2,将研究区内岩层按岩性和完整性划分为泥岩、砂质泥岩、煤层、中砂岩、粉砂岩、灰岩(太灰)和奥灰7个工程地质岩组,15号煤层顶板划分为22层地层,底板划分为7层,共划分为30层地层,建立如图4所示三维不考虑构造的完整地层的坐标系统。模型空间范围取包含两带孔和419钻孔在内的300m×400m的地块,高约取202m,先开采上组煤5号煤层,厚度1.6m; 再开采下组煤15号煤层,开采厚度仍按折算后的实际7.0m考虑。

图4 工程地质模型

根据2101工作面地质及水文地质和两煤层开采条件,对所建立的模型进行适当概化:模型上覆岩土层的自重压力采用补偿荷载代替; 原始应力场考虑为自重应力场,不考虑构造应力场作用。模型前后、左右4个侧面采用水平方向固定与垂直方向自由的边界; 底面全固定约束方式; 模型顶部补偿荷载约按130m厚度上覆岩土体自重压力(0.024MPa·m-1)施加,约3.1MPa。为了消除边界效应,模型四周各留50m的煤柱; 按实际条件进行开采模拟,5号煤层开采长度300m,宽度100m; 15号煤层开采长度300m,宽度200m。

3.3.2 物理力学参数

本次模型采用FLAC3D数值模拟软件(彭文斌,2020),该软件在类似研究中应用较广泛(杨彪,2017; 武忠山等,2019; Chen et al.,2020),本构关系采用Mohr-Coulomb本构模型。具体各岩层物理力学参数见表1。