五星水库下采煤的安全性分析.pdf

声明声明下面论文由免费论文教育网 http//www.PaperE 用 户转载自互联网，版权归原作者所有，本文档仅供参考，严禁抄袭 免费免费论文论文教育教育网网 - 1 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 五星水库下采煤的安全性分析五星水库下采煤的安全性分析 黄成飞，郭文兵，杨岁寒 河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454003 Emailhcf397844623 摘摘 要要水体下安全采煤问题是煤矿企业面临的技术难题之一。针对郑煤集团芦沟煤矿 32 采区的煤层覆存、地质构造、水文地质、采煤方法等具体地质采矿条件及地表五星水库的现 状，在计算防水安全煤岩柱尺寸的基础上，结合地表移动和变形预计，对五星水库下开采的 安全性进行了分析，并提出了一些具有指导意义的安全技术措施。经过计算分析认为五星 水库下进行煤层全采是安全可行的。 关键词关键词水体下采煤；地表移动和变形；开采沉陷预计 中图分类号中图分类号TD 823 文献标识码文献标识码A 因位于郑煤集团芦沟煤矿32采区上方地表的五星水库将会受到32采区部分工作面开采 的影响。为了分析 32 采区按设计开采后对五星水库的采动影响情况，以便采取相应的开采 技术措施，确保五星水库下采煤的安全性。因此，对 32 采区水库下开采的安全性进行分析 论证。 1 采区工作面及五星水库概况采区工作面及五星水库概况 1.1 32 采区地质采矿条件采区地质采矿条件 32 采区设计走向长 1870m，倾斜长 7701340m，煤层厚度 1.8010.86m，平均 5.66m； 煤层倾角 1520，平均 18；煤层呈单斜构造，煤层底板标高为-140-360m，地面标高为 215233.1m；煤层埋藏深度为 400520m。 1.2 工作面概况工作面概况 32101 工作面为 32 采区西翼设计的首采面，该工作面位于五星水库上游地段下方，其 上部依次为 32103、32105 工作面，三个设计工作面与五星水库的相对位置关系见图 1-1 所 示。工作面开采顺序为先采 32101 工作面，然后跳采 32105 工作面，最后开采 32103 工作 面。各工作面的具体采矿条件见如下表 1-1 所示。 表 1-1 32 采区各开采工作面地质采矿参数表 Tab.1-1 Geological and mining parameters table of each face of the 32th district 工作面 煤层倾角 （） 煤层厚度（m） 采深（m）走向长（m） 倾斜长（m） 工作面采 出率 32101 3～7.5 左侧平均 7.5m; 右侧平均 6.0m 496514 800 120 93 32103 7.6～15 左侧平均 6.0m; 右侧平均 4.0m 455465 800 80-120 93 32105 14～15.5 左侧平均 7.5m; 右侧平均 3.5m 445460 800 80-120 93 1.3 五星水库概况五星水库概况 五星水库位于芦沟煤矿 32 采区西翼的上方， 水库面积约 20 万 m2， 库容量约 300 万 m3， - 2 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 水库最大水深 30m，一般为 15m，压煤量约为 480 万吨。由于在采区的东翼，五星水库位于 采区下部，所以采区东翼上部工作面的开采对水库不会造成影响。 图 1-1 工作面与五星水库的相对位置关系图 Fig.1-1 Relative positions between working-face and Wu-xing reservoir 2 防水安全煤岩尺寸的确定防水安全煤岩尺寸的确定 2.1 覆岩结构分析覆岩结构分析 由于芦沟煤矿未曾设置地表移动观测站，缺少实际观测资料。按照建筑物、水体、铁 路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程的规定，在缺少实际观测资料的矿区，可结合本区 域上覆岩层岩性的综合评价系数 P、地质条件、开采技术条件等确定上覆岩层岩性特征[1]。 根据芦沟煤矿提供的内部钻孔资料，通过计算分析确定出上覆岩层岩性综合评定为中硬岩 层。对于总体为中硬的覆岩岩性，为确保水体下采煤的安全，其导水裂缝带最大高度按中硬 和坚硬覆岩两种岩性进行综合分析计算。 2.2 防水安全煤岩柱尺寸计算和确定防水安全煤岩柱尺寸计算和确定 留设防水安全煤岩柱的目的是不允许导水裂缝带波及水体，进一步确定合理的开采上 限。根据我国编制的建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程的规定， 防水安全煤岩柱尺寸可按下式计算 shlibfe HHHH≥ 式中 Hsh防水安全煤岩柱的高度，m； Hli导水裂缝带高度，m； Hb保护层厚度，m； Hfe含水风化带厚度（根据勘探资料确定），m。 根据“三下采煤规程”规定保护层厚度按水库底部有无有效黏土隔水层考虑，对中硬覆 岩而言，其保护层厚度应取厚煤层首采煤层或分层一次采厚的 6 倍；对坚硬覆岩而言，其保 护层厚度应取厚煤层首采煤层或分层一次采厚的 7 倍。 同时， 导水的风化带深度这一深度取 决于岩性、 原生裂隙发育程度和后期被冲刷残留的厚度。 根据芦沟煤矿提供的钻孔资料可知， 基岩风化带裂隙发育深度为 2.319.4m，为了安全取 25m。按“三下采煤规程”推荐的经验 公式见下表 2-1 所示，采用放顶煤一次采全高时，上覆岩层破坏高度与分层开采相比较为严 重，因此，为了安全起见，覆岩破坏高度取较大值。公式后取号。导水裂缝带高度的计 算见下表 2-2 所示。 - 3 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 表 2-1 覆岩破坏高度计算公式 Tab.2-1 Calculation ula of fractured zones in overburden strata 覆岩 岩性 垮落带高度（m） 导水裂缝带高度（m） 岩性 中 硬时 100 2.2 4.719 m M H M ∑ ∑ 100 5.6 1.63.6 li M H M ∑ ∑ ;2010 li HM ∑ ; 100 5.1 3.33.8 li M H n ∑ 岩性 坚 硬时 100 2.5 2.116 m M H M ∑ ∑ 100 8.9 1.22.0 li M H M ∑ ∑ ; 3010 li HM ∑ ; 100 11.2 2.42.1 li M H n ∑ 注Hm为垮落带高度，m；Hli为导水裂缝带高度，m；M∑为累计采厚，m。 表 2-2 覆岩破坏高度计算表 Tab.2-2 Calculation results of the fractured zones in overburden strata 垮落带高度 HM （M） 导水裂缝带最 大标高（M） 导水裂缝带最大高度 HLIM 计算 点号 煤层 标高 （M） 煤层厚 度（M） 中硬 坚硬 中硬 坚硬 煤层厚 度（M） 中硬 坚硬 1 -294 8.5 16.62 27.61-160.68-85.418.5 124.82 200.09 2 -287 7.5 16.02 26.12-168.77-101.417.5 110.73 177.87 3 -283 4.0 12.78 18.89-217.56-178.914.0 61.44 100.09 4 -260 3.0 11.26 15.95-209.65-179.133.0 47.35 77.87 5 -281 5.0 13.96 21.37-200.48-153.695.0 75.52 122.31 6 -267 4.5 13.41 20.18-194.02-151.34.5 68.48 111.2 7 -240 4.5 13.41 20.18-167.02-124.34.5 68.48 111.2 8 -220 4.5 13.41 20.18-147.02-104.34.5 68.48 111.2 9 -264 6.0 14.91 23.48-168.39-113.476.0 89.61 144.53 由表 2-2 计算结果可知（一般）对于缓倾斜煤层，煤层开采以后垮落带的边界位于采 空区边界范围以内， 导水裂缝带的边界位于采空区边界范围以外。 垮落带和导水裂缝带均呈 马鞍形， 导水裂缝带的最高点位于采空区倾斜方向的上部。 本采区开采后上覆岩层的破坏空 间形态符合一般规律。 同时， 区域内水体下所取的计算点煤层标高最大的 8 号点的导水裂缝 带最大标高当覆岩为中硬岩性时其值为-147.02m，当覆岩为坚硬岩性时其值为-104.30m； 32101 工作面水库下最大开采上限的导水裂缝带的最大标高当覆岩为中硬岩性时其值为 -217.6m， 当覆岩为坚硬岩性时其值为-178.91m。 32101 工作面水库下最大开采上限的导水裂 缝带的最大标高当覆岩为中硬岩性时其值为-217.6m，当覆岩为坚硬岩性时其值为 -178.91m。根据水库界底基岩顶部标高为165.5m，可得导水裂缝带的最大标高与水库基岩 底部之间的基岩岩柱厚度均在 250m。 因此， 导水裂缝带是不会波及地表上的五星水库底部， 即开采造成的导水裂缝带不会形成地表水体水灾的通道。 通过计算出各点的导水裂缝带高度，相应地防水安全煤岩柱尺寸计算结果见如下表 2-3 所示。 - 4 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 表 2-3 防水安全煤岩柱尺寸计算表 Tab.2-3 Calculation results of safety pillar under water-bodies 保护层厚 度（M） 导水裂缝带最 大高度 HLIM 防水安全煤岩柱 最大尺寸（M） 残留安全煤岩 柱尺寸（M） 计 算 点 号 煤层 标高 （M） 煤层 厚度 （M） 中硬 坚硬 煤层 厚度 （M） 中硬坚硬中硬 坚硬 中硬 坚硬 1 -294 8.5 51.00 59.50 8.5 124.82200.09200.82 284.59 250.18 166.41 2 -287 7.5 45 52.5 7.5 110.73177.87180.73 255.37 264.27 189.63 3 -283 4.0 24 28 4.0 61.44100.09110.44 153.09 334.06 291.41 4 -260 3.0 18 21 3.0 47.3577.8790.35 123.87 332.15 298.63 5 -281 5.0 30 35 5.0 75.52122.31130.52 182.31 310.98 259.19 6 -267 4.5 27 31.5 4.5 68.48111.2120.48 167.7 307.52 260.3 7 -240 4.5 27 31.5 4.5 68.48111.2120.48 167.7 280.52 233.3 8 -220 4.5 27 31.5 4.5 68.48111.2120.48 167.7 260.52 213.3 9 -264 6.0 36 42 6.0 89.61144.53150.61 211.53 272.89 211.97 根据表 2-3 计算结果可知，各计算点的残留安全煤岩柱尺寸对中硬岩性而言其值均在 250m 以上；对坚硬岩性而言其值均在 150m 以上，即各计算点的防水安全煤岩柱尺寸均小 于基岩岩柱尺寸，且导水裂缝带均未波及到五星水库水体底部，所以 32 采区各工作面在开 采上限下采煤从导水裂缝带分析是安全的。但是，除顶板开采诱发的导水裂缝带以外，煤矿 顶板水害的导水通道还可能有不良封闭钻孔、上通式导水陷落柱、岩溶塌落洞、导水断层与 裂隙等。因此，位于水库下部的各开采工作面在采掘过程中，应制定专项技术措施，加强各 工作面工程地质构造的研究、探测工作，并进行水文观测、水文地质综合勘探工作，制定矿 井水害防治技术措施等[2]。 3 开采引起的地表沉陷预计开采引起的地表沉陷预计 3.1 预计方法及参数的确定预计方法及参数的确定 概率积分法是以正态分布函数为影响函数用积分式表示岩层与地表下沉盆地的方法， 适 用于常规的岩层与地表移动与变形计算[3,4,5]。通过现场调查和资料分析，对芦沟煤矿 32 采 区的上覆岩层岩性、 结构是否存在关键层等问题进行分析研究， 该区域地表沉陷规律符合概 率积分法模型。 根据概率积分法预计的基本原理， 概率积分法预计所需的几个预计参数为 下沉系数 q、 主要影响角正切 tanβ、水平移动系数 b、开采影响传播角θ 和拐点偏移距 s 等。由于该矿没 有上述实测的参数，根据建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程的规 定， 在没有矿区基于实测资料的经验参数时， 可依预计开采覆岩的性质按确定概率积分法的 预计参数。 根据该区域上覆岩层岩性特点和地质采矿条件， 并结合类似的地质采矿条件综合 来确定 32101、32103、32105 三个工作面概率积分法预计参数，取值如表 3-1 所示。 - 5 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 表 3-1 各工作面概率积分法预计参数 Table 3-1 The predicting parameters of the probability integration in each working face 工作面编号 下沉系数 （Q） 水平移动系 数（B） 主要影响角 正切TANΒ 拐点偏距 （S） 开采影响传 播角取（Θ） 主要影响半 径（R） 32101 0.8 0.3 2.4 0.01H 86.8 210.2 32103 0.8 0.3 2.4 0.01H 84.4 191.7 32105 0.8 0.3 2.4 0.01H 83.4 188.5 3.2 预计方案及结果分析预计方案及结果分析 根据 32 采区的开采规划设计，通过采用概率积分法进行计算，给出预计方案及各方案 的地表下沉、倾斜、水平变形、水平移动及曲率的最大值，见表 3-2 所示。将预计结果采用 MATLAB 可视化，给出 32101 工作面开采后的地表下沉等值线图、地表水平变形等值线图 （沿煤层倾向方向）分别见图 3-1、3-2 所示。 表 3-2 各工作面开采以后水库底部的地表移动和变形最大值 Tab.3-2 The maximum of surface movement and deation of a reservoir at the bottom after mining each working face 预计方案 最大下沉值 MM 最大倾斜值 MM/M 最大水平移动 值MM 最大水平变形 值 MM/M 最大曲率值 MM/M2 32101 2450 16.2 1050 8.2 -16.3 ≤0.3 3210132105 3200 15.8 1050 8.2 -16.5 ≤0.3 321013210532103 4600 26 1300 10.2 -17 ≤0.3 图 3-1 地表下沉等值线图 图 3-2 地表水平变形等值线图 Fig. 3-1 The surface subsidence contour map Fig. 3-2 The horizontal deation contour map 通过预计结果分析可知方案一、方案二、方案三开采后水库水体的不同部位承受压缩 和拉伸变形作用，但 32101、32103、32105 工作面正上方水体大部分仍承受压缩变形，这对 预防水体产生裂缝是有利的一面。然而，开采引起的地表移动和变形是一个动态过程，即水 库底板不仅承受最终的静态变形值， 还要承受开采过程中的动态变形值。 32101、 32103、 32105 工作面开采后在地表以及水库底面均会出现地表裂缝。因此，在开采过程中，特别是在地表 移动活跃期， 需要加强在预计拉伸变形的区域进行现场调查和监测， 发现异常情况及时采取 相应措施。 - 6 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 4 水库下采煤的安全技术措施水库下采煤的安全技术措施 （1）在工作面采掘的过程中，要加强对断层的探测，由构造断裂形成的断层破碎带， 往往具有较好的透水性，会形成充水的良好通道[6,7]。因此，在位于水库下部的 32 采区采掘 过程中，应制定专项技术措施，加强各工作面工程地质构造的研究、探测工作，并进行水文 观测、水文地质综合勘探工作，制定矿井水害防治技术措施。 （2）在工作面开采过程中，应加强五星水库上方周边地表巡视工作，根据观测到的地 表移动变形情况，出现大的地表裂缝，要及时用粘土回填夯实。 （3）做好工作面排水和矿井排水工作，要增加一趟矿井排水管路，一定要保证矿井水 路畅通（包括电源、水泵、管路、水沟、水仓等），要及时维修和清理。 5 结论结论 （1）分析了工作面上覆岩层结构及岩性特征，同时分析开采后上覆岩层的导水裂缝带 高度和防水安全煤岩柱尺寸，对五星水库水体下采煤的安全性进行了研究和论证。 （2）分析结果表明本采区开采后上覆岩层的破坏空间形态符合一般规律。各计算点 的残留安全煤岩柱尺寸对中硬岩性而言其值均在250m以上； 对坚硬岩性而言其值均在150m 以上， 即各计算点的防水安全煤岩柱尺寸均小于实际基岩岩柱尺寸， 且导水裂缝带均未波及 到五星水库水体底部。所以，32 采区西翼各工作面在开采上限下采煤从导水裂缝带分析是 安全的。 （3）在研究确定地表移动变形预计参数的基础上，采用概率积分法预计了各工作面开 采后所引起的地表移动和变形，并实现了结果的可视化。同时，结合实际情况，提出一些具 有实际指导意义的安全技术措施。 参考文献参考文献 [1] 国家煤炭局. 建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M]. 北京 煤炭工业出版社, 2000. [2] 郭文兵, 邵强, 尹士献等. 水库下采煤的安全性分析[J]. 采矿与安全工程学报, 2006, 20 3 324-327. GUO Wen-bing , SHAO Qiang, YIN Shi-xian etc. Analysis of the security of mining under a reservoir[J]. Journal of mining surface movement and deation; mining subsidence prediction 作者简介作者简介黄成飞（1981-），男，湖南省郴州市人，硕士，从事“三下”采煤及采动损害 与保护方面的研究。