天安煤矿5404工作面带压开采安全性综合评价研究_赵勇.pdf

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 ） 摘要 山西阳煤集团天安煤矿 5 煤层开采受到底板奥灰水的威胁，为准确掌握 5404 工作面带压 开采的安全性， 通过现场勘察、 数值模拟及理论分析计算等方法， 研究分析回采动压和底板承压水压 力联合作用下煤层底板岩层的塑性破坏深度， 得知工作面回采期间底板破坏深度为 15m， 通过井下水 文孔探查得知底板隔水层的厚度及岩性， 分析计算结果表明底板隔水性能较好， 采用突水系数法计算 结果表明， 天安煤矿 5 煤层 5404 工作面能够进行安全带压开采。 关键词 承压开采 ； 奥灰水 ； 数值计算 中图分类号 TD823文献标志码 A文章编号 1009- 0797 （2019 ） 05- 0059- 03 Study on comprehensive safety uation of 5404 working face with pressure in tianan coal mine ZHAO Yong （Yangquan Coal IndustryGroup Tianan Coal Mine , Xinzhou 034000 ， China ） Abstract Shanxi YangMei tianan coal mine group 5 coal seam mining under the threat of floor Mr Grey water, for the security of accurate grasp of under pressure mining of 5404 working face, through the field survey and s of numerical simulation and theoretical analysis and calculation, analysis of dynamic pressure and bottom pressure under the joint action of water pressure plastic failure depth of coal floor strata, learned that duringthe miningface plate damage depth of15 m, byunderground hydrological hole probe that floor water- resisting layer thickness and lithology, analysis and calculation results showthat the bottom water perance is good, the water inrush coefficient to calculate the results showed that the tianan coal mine 5 5404 on tominingofcoal seam. Keywords Confined mining; Mr Greywater ; Numerical calculation 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 300350100m， 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 煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 59 ChaoXing 1 （b） 所示。 （a） 三维数值模型（b） 模型边界条件 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。 （a） 工作面长度 210m（b） 工作面长度 220m （c） 工作面长度 230m（d） 工作面长度 240m 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] K （h/H ） 100（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 K71.98＞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 煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 60 ChaoXing 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] Q πK[ （2H- M ） M- h2] LnR- Lnr0 （2） 其中 Rr010SK ■ （3） r0 F π■ （4） 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 K1.245m/d； M50m； H1474m； h1220m； F0.264km2； 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 Ts p M （5） 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 MhD- h1- hd（6） 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 hd7.2m。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 M27.7m。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 Ts0.057MPa/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。 参考文献 [1] 张培森,安羽枫,武守鑫,赵亚鹏,魏杰,王文苗.带压开采煤 层底板破坏突水规律[J].煤矿安全,2019,50 （02） 25- 29. [2] 郝永艳.磁窑沟煤矿奥灰水对 13 号煤层开采的影响分析 [J].山西建筑,2018,44 （36） 81- 83. [3] 张正兴.井下带压开采过程中水害防治分析[J].能源与节 能,2018 （08） 179- 180. [4] 张海涛.阳泉矿区 15～ 煤层带压开采安全性评价研究[J]. 安阳工学院学报,2018,17 （04） 88- 91. 作者简介 赵勇 （1988-） ， 男， 山西灵丘人， 2011 年 7 月毕业于阳泉 职业技术学院工程地质勘查专业， 助理工程师， 现从事煤矿 地测防治水工作。（收稿日期 2019- 6- 3） 煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 61 ChaoXing