正益煤矿5号煤层回采工作面涌水特征研究.pdf

煤炭与化工 Co al and Chemical Industry 第43卷第7期 2020年7月 Vo l.43 No .7 Jul. 2020 地测与水害防治 正益煤矿5号煤层回采工作面涌水特征研究 郝明辉 （山西焦煤集团介休正益煤业有限公司，山西介休032000） 摘 要为掌握正益煤业开采5号煤层期间矿井充水特征，采用数值计算、数值模拟、现场 监测等手段对工作面涌水特征进行研究，确定导水裂隙带发育高度为20m,底板塑性破坏深 度为7.5m,底板突水系数为0.026 MP a/m,底板奥灰承压水无突水危险，确定矿井正常涌水 水源为上覆二叠系下统山西组砂岩裂隙含水，预测工作面最大涌水量为271 m3/h,研究成果为 矿井水害的防治提供基础技术资料。 关键词数值模拟；突水系数法；大井法；涌水量；水害防治 中图分类号TD74 文献标识码B 文章编号2095-5979 （ 2020 ） 07-0068-04 Study on the characteristics of water inrush in mining face of No. 5 coal seam in Zhengyi Mine Hao Minghui Shanxi Coking Coal Group Jiexiu Zhengyi Coal Indust ry Corporat ion Lt d., Jiexiu 032000, China Abstract In o rder to grasp the water filling characteristics o f the mine during the mining o f No . 5 co al seam in Zhengyi Co al Industry, numerical calculatio n, numerical simulatio n, o nsite mo nito ring and o ther metho ds were used to study the water inrush characteristics o f the wo rking face, and the develo pment height o f the water co nductio n fracture zo ne was determined to be 20 m, and the flo o r plasticity The destructio n depth was 7.5 m, the water inrush co efficient o f the flo o r 0.026 MP a/m, and witho ut the risk o f water inrush fro m the bo tto m ash co nfined water. It was determined that the no rmal water so urce o f the mine was the water co ntent o f the sandsto ne fissures in the Shanxi Fo rmatio n o f the upper P ermian, and the wo rking face was predicted that the largest water inflo w was 271 m3/h, and the research results pro vided basic technical data fo r the preventio n and co ntro l o f mine water damage. Key wo rds numerical simulatio n; water inrush co efficient metho d; large shaft metho d; water inflo w; water hazard preventio n 1概况 山西焦煤集团介休正益煤业有限公司位于介休 市东约25 km处的连福镇甘草岭村，矿井井田位于 沁水煤田西北边缘，地势为东高西低，井田属黄河 流域汾河水系，井田内无常年性河流。区域内含煤 地层为石炭系中统本溪组、上统太原组，二叠系下 统山西组、下石盒子组。太原组和山西组为主要含 煤地层，本溪组和下石盒子组为次要含煤地层，仅 含煤线。太原组由灰黑色、灰色泥质砂岩、石灰岩 和煤层组成，底部为K1砂岩，主要可采煤层为5 号、9号、11号煤层，5号煤层位于太原组顶部， 井巷揭露5号煤层厚度1.89 2.35 m,煤层中部有 1层厚0.4 0.6 m的肝石，煤层为稳定的全区可采 煤层。煤层顶板为泥岩，底板多为砂质泥岩。正益 煤业初期进行3号煤层的采掘工作，目前即将进行 5号煤层的回采工作。为掌握5号煤层矿井充水特 征，采用数值计算、数值模拟、现场监测等手段对 工作面涌水特征进行研究。 责任编辑张彤 DOI 10.19286/ki.cci.2020.07.018 作者简介郝明辉（1986）,男，河北冀县人，助理工程师。 引用格式郝明辉.正益煤矿5号煤层回采工作面涌水特征研究[J].煤炭与化工，2020 , 43（7） 68-71. 68 郝明辉正益煤矿5号煤层回采工作面涌水特征研究2020年第7期 2 5号煤层水文地质条件 2.1顶板含水层 5号煤层上覆含水层主要为山西组砂岩裂隙含 水层、石盒子组砂岩裂隙含水层，上石盒子组、石 千峰组及三叠系刘家沟组含水层，第四系孔隙含水 层，距离5号煤层最近的为二叠系下统山西组砂岩 裂隙含水层。井田内山西组砂岩含水层多以中、细 砂为主，含水层总厚度约24.5 m,参考井田及邻近 区所作的专门水文地质工作，静止水位标高750 m,单位涌水量0.000 37L/s-m,渗透系数0.041 8 m/d,属中等一弱富水性含水层，对开采5号煤层 影响较大。 2.2底板含水层 5号煤层底板为石炭系上统太原组灰岩岩溶裂 隙含水层，该组地层在井田外有出露，是该井田主 要含煤地层之一，该组地层在井田内厚度约55.60 m,含水层富水性一般较弱，5号煤层下部中奥陶 统石灰岩岩溶裂隙含水层为煤系地层基盘，岩性为 海相厚层状石灰岩，主要成份为碳酸钙，因其易被 水所侵蚀溶解成溶洞，在深部溶洞裂隙相当发育, 从区域资料来看，该层灰岩是富水性强的岩层。据 井田以西北10 km的洪山泉资料，其水位标高约为 816 m,流量为1.32 m3/so井田范围内北东部区 域，各可采煤层底板等高线均低于奥灰水位标高, 为带压开采。 2.3主要隔水层 1 5号煤层顶板隔水层。石炭系上统太原 组顶部隔水层组主要由塑性的泥岩、铝质泥岩等泥 岩类组成，厚度2.20 7.60 m,平均4.50 m。岩性 细腻、致密，为区域及井田良好隔水层组。 2 5号煤层底板隔水层。石炭系中统本溪 组隔水层组，本溪组岩性以泥岩、砂质泥岩、铝质 泥岩为主，厚度68 85 m,平均72 m,具有良好 的隔水作用，是阻断奥灰水与5号煤层水力联系的 重要隔水层。 3 5号煤层工作面涌水条件分析 3.1工作面顶底板破坏特征 为探究正益煤业5号煤层采掘期间的主要水 源，对其工作面开采期间顶板导水裂隙带的发育和 底板塑性破坏区的发育展开研究。 根据正益煤业5 5号煤层50101首采工作面附近 的ZK12钻孔资料，采用COMSOL软件建立地层模 型，如图1所示。 模型长度为250 m,工作面沿模型长度方向推 进，地层总厚度为110 m, 5号煤层厚度为2.0 m, 顶板岩层总厚度为70 m,底板岩层总厚度38.2 m, 所有地层沿水平布置，模型左右边界设置水平方向 的位移约束，下部边界设置垂直方向的位移约束, 顶部为自由边界，施加7.5 MP a的垂直应力，模拟 工作面采用一次采全高回采工艺，工作面每次推进 20 mo对采场围岩塑性区分布进行模拟分析，较为 典型的计算结果如图2所示。 q7.5 MP a 图1数值模型示意 Fig. 1 Numerical mo del a回采40m b 回采 100 m c 回采 120 m 69 2020年第7期煤炭与化工第43卷 d 回采 150 m 图2采场围岩塑性区分布规律 Fig. 2 Distributio n law o f surro unding ro ck plastic zo ne 根据图2可以看出，工作面推进40 m后，顶 板出现大范围的塑性破坏区，塑性区发育高度约为 11.5 m,底板较完整，无明显的塑性破坏区域；工 作面推进80 m后，顶板岩性塑性破坏范围明显增 大,塑性破坏区发育高度达到18.5 m,且底板出现 明显的塑性破坏区域，最大破坏深度为7.5 m;工 作面推进距离继续增大至120 m、150 m,顶板塑 性区发育高度稳定在1胚为隔水层厚度，mo 正益煤业5号煤层与下部奥灰含水层组主要 隔水层为中石炭统本溪组隔水层组，5号煤层与 奥灰含水层组顶面距离为72 m,工作面回采导致 底板塑性破坏深度为7.5 m,有效隔水层厚度为 64.5 m, 5 5号煤层底板标高为660 m,奥灰水位 标高约为816 m,奥灰水水头压力最大为1.66 MP a,底板奥灰水突水系数为0.026 MP a/mo根据 安全规程规定，受构造破坏地段的临界突水系数 0.06 MP a/m,正常地段的临界突水系数0.10 MP a/m。突水系数低于受构造影响地带的临界值 0.06 MP a/m,表明5号煤层回采期间基本不受底 板承压水的威胁。 4矿井涌水量分析 4.1掘进工作面涌水量 正益煤业50101工作面位于井田北部，沿煤层 走向方向布置，为5号煤层的首采工作面，已完成 50101工作面胶带顺槽和回风顺槽的掘进。巷道掘 进期间涌水量较大，统计涌水随时间的变化规律, 如图3所示。 由图3可以看出，50101胶带顺槽疏水作用明 显，掘进初期涌水量最大达到90m3/h,然后随着 掘进工作面的推进，涌水量逐渐减小至40 m3/h, 涌水量最终稳定在40m3/h左右。50101回风顺槽 掘进初期涌水量较小，随着掘进工作面推进，涌水 量逐渐增大至92 m3/h,之后涌水量又逐渐衰减值 23 m3/ho掘进工作面主要涌水形式为顶板淋水，涌 水量整体较稳定，未发生较大的涌水事故。 100 90 * 80 70 60 50 ・ ■ . 40 . ■ . - . 30 ■ 20 4FI■ I,4|I|IIIRV||I|PI*1*1| 3/13 5/13 6/13 7/13 8/13 9/13 10/1311/1312/131/14 2/14 3/14 掘进工作月份 a胶带顺槽 T q ・ s T q ・ s 、啊畫型 H H 70 郝明辉正益煤矿5号煤层回采工作面涌水特征研究2020年第7期 T q ・ p T q ・ p 、 * 畫 11/13 12/13 1/14 2/14 3/24 4/14 5/14 6/14 7/14 8/14 掘进工作月份 b回风顺槽 图3掘进工作面涌水量变化规律 Fig. 3 Changing law o f water inflo w at heading face 4.2工作面涌水量预测 通过以上分析研究可知，正益煤业5号煤层工 作面涌水主要水源为二叠系下统山西组砂岩裂隙含 水层，单个工作面的涌水量由工作面胶带顺槽和回 风顺槽无压渗流疏干水量和工作面顶板含水层充水 量组成。根据50101工作面胶带顺槽和回风顺槽掘 进期间的涌水情况可推测，未来工作面两顺槽涌水 量应稳定在63 m3/h左右。 二叠系下统山西组砂岩裂隙含水层以弱富水为 主，工作面回采期间，顶板砂岩裂隙含水层涌水量 并不会随着采空区面积的增大而无限增大，老顶来 压后涌水量将逐渐趋于稳定，可采用“大井法”预 测顶板砂岩裂隙含水层承压一无压稳定流充水量, 结合在50101工作面附近补勘的BS1 - 3号钻孔， 二叠系下统山西组砂岩裂隙含水层厚28 m,静止 水位标高750 m,渗透系数0.035 m/d,承压转无 压的稳定流流量计算公式 1.366 2 2 K2SM-M -hjK2SM-M -hj R 2SVMF s 式中K为砂岩含水层渗透系数，0.035 m/d; M M为 砂岩含水层厚度，28 m;瓜为水位降深，为0; rw 为工作面概化半径，m;“为系数，取1.2; a a为工 作面走向长度，200 m; 6为工作面推进长度，取 老顶初次垮落步距44 m; S为水头压力；R为影响 半径，mo 将参数代入式3可得，Q顶208m7h,则 整个50101工作面最大涌水量为271 m3/h0 5结语 根据正益煤矿5号煤层的水文地质条件，分析 总结矿井的充水特征，通过数值模拟分析及数值计 算确定5 5号煤层采煤工作面顶板导水裂隙带高度为 20 m,底板塑性破坏深度为7.5 m, 5号煤层回采 期间导通其上部二叠系下统山西组砂岩裂隙含水 层，下部奥灰含水层不会与工作面导通，开采5号 煤层期间主要充水水源为顶板砂岩含水层，50101 胶带顺槽和回风顺槽最大涌水量为63 m3/h,采用 “大井法”预测工作面最大涌水量为208m3/h, 5号 煤层首采区最大涌水量为271 m3/h,为矿井水害的 防治提供基础技术资料。 参考文献 [1 ] 孙伟利.回采工作面导水裂隙带发育高度实测研究[J ].能源 技术与管理，2020 , 45 1 124- 126. 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