劉 彬 朱術(shù)云 劉 軍 宋淑光 王成田

(1.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院,江蘇 徐州 221116；2.河北中核巖土工程有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050021；3.淄博礦業(yè)集團(tuán)有限公司岱莊煤礦,山東 濟(jì)寧 272175)

深部下組煤首采面帶壓試采奧灰突水危險性分區(qū)評價

劉 彬1朱術(shù)云1劉 軍2宋淑光3王成田3

(1.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院,江蘇 徐州 221116；2.河北中核巖土工程有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050021；3.淄博礦業(yè)集團(tuán)有限公司岱莊煤礦,山東 濟(jì)寧 272175)

為了探究華北型煤田深部下組煤底板帶壓開采安全可行性,以濟(jì)北礦區(qū)某煤礦高承壓水體下組煤首采面采掘為工程背景,結(jié)合在該面施工的9個奧灰鉆孔和1個奧灰水文觀測孔資料,運(yùn)用突水系數(shù)法和底板巖層綜合阻水強(qiáng)度法對正常塊段奧灰突水的危險性進(jìn)行預(yù)測評價與分區(qū)。分析表明奧灰突水值大于0.1 MPa/m的區(qū)域存在2處；而根據(jù)底板巖層綜合阻水強(qiáng)度法計算，各個鉆孔的綜合阻水強(qiáng)度值均大于相應(yīng)的實際水壓值,并把實際水壓值與其相應(yīng)的綜合阻水強(qiáng)度值作比值進(jìn)行分析。2種方法對比分析表明,奧灰突水系數(shù)偏大的險區(qū)和實際水壓與其相應(yīng)的綜合阻水強(qiáng)度的比值大的分布區(qū)域基本重合,比較符合實際情況。這為濟(jì)北礦區(qū)及地質(zhì)條件相似礦井煤炭資源向深部帶壓開采所引起的底板水防治提供了新的評價方法。

深部下組煤 奧灰水 首采面 突水系數(shù) 綜合阻水強(qiáng)度法

我國以華北型煤田為主要開采對象的礦井經(jīng)過了近10幾年的超強(qiáng)度開采,目前淺部山西組(上組煤)資源量急速減少,為了延長礦井服務(wù)年限和提高煤炭資源回收率,準(zhǔn)備開采太原組(下組煤)成為必要。為此，濟(jì)北礦區(qū)、兗州礦區(qū)和肥城礦區(qū)等已開始進(jìn)行下組煤補(bǔ)勘和開拓工作[1-2]。華北型煤田下組煤資源量豐富,但開采條件復(fù)雜,并深受下伏巨厚奧灰含水層的威脅[3-4]。國內(nèi)相關(guān)學(xué)者已在這方面進(jìn)行了大量研究,但對于濟(jì)北礦區(qū)下組煤相應(yīng)奧灰突水危險性規(guī)律研究較少[5-6]。本研究以濟(jì)北礦區(qū)某煤礦深部下組煤首采面為研究背景,充分利用已有的勘探成果,結(jié)合首采面10個鉆孔揭露的底板含水層水文地質(zhì)資料,采用突水系數(shù)和綜合阻水強(qiáng)度法對下組煤首采區(qū)底板奧灰水害潛勢性及帶壓開采的安全條件進(jìn)行了對比分析。

1 研究區(qū)概況

深部下組煤首采面位于濟(jì)北礦區(qū)某礦1160采區(qū)內(nèi),工作面平均標(biāo)高-560 m,寬度約58 m,長度約1 000 m,呈條帶狀分布。工作面開采過程中的直接充水含水層主要為十下灰?guī)r和十三灰,而威脅最大的是底板深部的奧灰充水間接含水層,該含水層厚度大,水壓較高,富水性好。根據(jù)首采面10個奧灰鉆孔資料,底板主要由泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、中細(xì)粒砂巖和灰?guī)r組成,奧灰水壓變化不大,在4.55～4.85 MPa;奧灰頂板距離16煤底板仍存在一定程度的變化范圍,在43.11～57.50 m,平均49.14 m,從北向南具有先增加到中間位置后又有逐漸減小的趨勢。

2 奧灰突水危險性評價

突水系數(shù)法概念明確[7-9]，形式簡單，參數(shù)易得，方便計算,為我國煤礦安全生產(chǎn)發(fā)揮了重大作用,但突水系數(shù)公式中沒有體現(xiàn)巖層組合強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)性與阻水強(qiáng)度的關(guān)系,臨界值是上世紀(jì)60年代針對淺部開采所提出的,對深部開采安全水害評價是否合適值得商榷。為此,對該評價區(qū)進(jìn)行底板巖層奧灰阻水能力評價,一方面采用突水系數(shù)計算10個鉆孔的奧灰突水系數(shù)值,并根據(jù)其分布規(guī)律進(jìn)行危險性分區(qū)，另一方面結(jié)合伺服滲透試驗結(jié)果,綜合考慮阻水強(qiáng)度參數(shù)、巖體完整性指數(shù)(RQD)及巖層有效隔水層厚度,采用底板巖層綜合阻水強(qiáng)度法進(jìn)行評價。

2.1 突水系數(shù)

(1)計算公式的選取。1964年原煤炭工業(yè)部組織的焦作水文會戰(zhàn)時首次提出了“突水系數(shù)”的概念[10-13]，幾經(jīng)改進(jìn)和完善，但考慮突水系數(shù)臨界取值的問題，至2009年年底國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局和國家煤礦安全監(jiān)察局聯(lián)合頒布的《煤礦防治水規(guī)定》附錄四中重新規(guī)定采用最初的公式進(jìn)行突水系數(shù)計算。突水系數(shù)Ts計算式為

(1)

式中，P為煤層底板隔水層承受的水壓,MPa；M為煤層底板隔水層厚度,m。

(2)計算結(jié)果與突水危險性分區(qū)。根據(jù)實測9個奧灰孔和1個水文觀測孔的水壓和隔水層厚度數(shù)據(jù),結(jié)合式(1)對相應(yīng)鉆孔的奧灰突水系數(shù)值進(jìn)行了計算(見表1)。為了探討首采面奧灰突水危險性分布,使用Surfer軟件進(jìn)行處理并生成如圖1所示突水系數(shù)等值線,并依據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》進(jìn)行了分區(qū),對于突水系數(shù)≥0.10 MPa/m的區(qū)域定義為危險區(qū),并用深色表示,如圖1所示。突水系數(shù)等值線整體呈北高南低的變化趨勢,在奧灰2#(0.107 9)和奧灰9#(0.113 0)鉆孔附近突水系數(shù)偏大,有較大的突水危險性。

表1 奧灰阻水能力計算結(jié)果Table 1 Calculation of Ordovician limestone water blocking capability

圖1 首采面奧灰突水系數(shù)等值線及危險性分區(qū)Fig.1 The contours of Ordovician limestone water inrush coefficient and the risk zoning at first working face

2.2 底板巖層綜合阻水強(qiáng)度法

2.2.1 底板巖層綜合阻水強(qiáng)度法原理

為了與突水系數(shù)評價結(jié)果進(jìn)行對比分析，彌補(bǔ)突水系數(shù)的不足，可采用綜合阻水強(qiáng)度法對該礦井下組煤首采區(qū)底板奧灰突水危險性進(jìn)行評價。該評價方法主要是計算出奧灰頂部到開采煤層底板破壞帶底部之間的綜合阻水強(qiáng)度值(Pm)，然后和相應(yīng)鉆孔奧灰承壓含水層的水壓進(jìn)行對比來評價突水危險性。底板巖層綜合阻水強(qiáng)度(Pm)的物理意義為煤層底板巖層所具有的綜合阻水抗壓能力,單位為MPa,具體表達(dá)為

(2)

其中，hi為底板有效阻水巖層第i層等效厚度，m；δ為第i層的巖芯采取率，%；P0i為底板有效阻水巖層第i層平均抗?jié)B強(qiáng)度,MPa/m,表達(dá)為

(3)

σmi為第i層巖塊的臨界抗?jié)B強(qiáng)度,MPa，αi為巖層平均抗?jié)B強(qiáng)度換算系數(shù),1/m。

故式(2)可變?yōu)?/p>

(4)

2.2.2 相關(guān)參數(shù)的取值

2.2.2.1 巖層平均抗?jié)B強(qiáng)度換算系數(shù)(αi)

巖層平均抗?jié)B強(qiáng)度換算系數(shù)大小可以綜合反映試驗條件下所未能體現(xiàn)的一些因素對巖層阻水性能的影響,如巖石的抗水性、綜合強(qiáng)度條件、底板巖層的實際受力狀態(tài)等。該礦下組煤首采面底板巖層平均抗?jié)B強(qiáng)度換算系數(shù)的取值,綜合考慮了不同巖層的巖石綜合強(qiáng)度(抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度)、伺服滲透試驗所反映的巖石滲透能力與壓力的關(guān)系特征及巖石的水理性質(zhì)等因素，并根據(jù)相關(guān)資料整理,對比分析了相關(guān)壓力水頭與巖層厚度、巖石力學(xué)強(qiáng)度的關(guān)系特點,確定了該礦下組煤首采面底板不同巖組的平均阻水能力換算系數(shù)值，即泥質(zhì)巖組為0.031,砂巖巖組為0.029,灰?guī)r巖組為0.017。

2.2.2.2 巖塊臨界抗?jié)B強(qiáng)度(σm)

伺服滲透試驗結(jié)果表現(xiàn)了巖塊由完整到破壞整個變形過程的相應(yīng)滲透特點,反映了巖石的裂隙發(fā)育程度與滲透性的關(guān)系,由試驗結(jié)果可以了解巖石的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)及抗?jié)B透性能之間的相互關(guān)系。

根據(jù)該礦下組煤首采面底板不同層位取樣進(jìn)行的伺服滲透試驗結(jié)果,可得各巖組統(tǒng)計的臨界抗?jié)B透強(qiáng)度：泥質(zhì)巖巖組0.736～1.64,砂巖巖組0.842～1.357,灰?guī)r巖組0.788～1.801。

2.2.2.3 巖體結(jié)構(gòu)的完整性參數(shù)(RQD)

根據(jù)該礦下組煤首采面底板奧灰注漿加固取芯資料整理分析，鉆孔底板主要層位的RQD指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表2 該礦下組煤首采面底板鉆孔巖層RQD統(tǒng)計Table 2 RQD statistics of the floor borehole at first working face of lower group coal seam

2.2.2.4 有效阻水巖層厚度

有效阻水巖層厚度為下組煤首采面開采煤層底板到奧灰含水層厚度減去采動底板變形破壞深度。由于該礦下組煤首采面目前還沒有開采,導(dǎo)致采動底板破壞深度值無法通過現(xiàn)場實測來獲得,因此,采用數(shù)值模擬的方法對底板變形破壞深度進(jìn)行預(yù)測。

(1)模型建立與相關(guān)參數(shù)選取。根據(jù)該礦相關(guān)資料進(jìn)行綜合分析,結(jié)合邊界條件和初始條件可得本次數(shù)值模擬完整底板情況下的工程地質(zhì)平面分析模型，見圖2。

圖2 礦下組煤首采面數(shù)值模擬工程地質(zhì)模型Fig.2 Numerical simulation of the engineering geological model at first working face of lower group coal seam

根據(jù)該礦深部下組煤底板地質(zhì)資料及巖芯的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)試驗測試結(jié)果,并根據(jù)相關(guān)公式進(jìn)行相應(yīng)折減作為本次數(shù)值分析的計算參數(shù)。表3為具體的工程地質(zhì)巖組的分類及巖體力學(xué)計算參數(shù)指標(biāo)。

表3 計算模型中的巖組物理力學(xué)參數(shù)Table 3 The physical and mechanical parameters in calculating model

模型底部邊界采用全約束邊界條件,煤層頂板采用自由邊界條件,左右邊界采用Y方向固定,Z方向自由的邊界條件。模型計算高度范圍以上的巖層及松散層作為外載荷施加于模型的上邊界。煤層沿走向開切眼處距離左邊界100 m,停采線位置距離右邊界100 m,開采長度220 m；沿傾向開采寬度60 m,兩側(cè)各預(yù)留120 m的保護(hù)煤柱。

老巴自斟自酌地飲了酒。他滿是酒意，搖晃著走到阿東的床邊，說：“羅爹爹和細(xì)婆他們的話說得都蠻對，但是聽不得?！?/p>

在計算范圍內(nèi)模型取走向剖面,頂板以上巖層不必進(jìn)行全部模擬,部分以γH表示出來。模型上邊界平均深度540 m,按至地表的巖體自重施加垂直方向的載荷(σy=γH)約13.5 MPa。因此巖體垂直應(yīng)力為頂板以上巖體自重應(yīng)力作用,根據(jù)實際地質(zhì)條件,模型采取三維條帶開采形式,模型長度為420 m,高度為112 m,寬度為300 m,開采16煤層厚度2 m。

為了反映所研究問題的內(nèi)在本質(zhì),所建立的本構(gòu)模型和破壞準(zhǔn)則要很好地反映巖體材料本身的物理力學(xué)狀態(tài),本次計算選擇了Mohr-Coulomb材料模型。數(shù)值模型采用四節(jié)點的四邊形等參單元，共劃分單元44 100個，節(jié)點47 988個。

(2)數(shù)值模擬結(jié)果與分析。根據(jù)條帶開采特征,本次模擬首采面條帶煤層開采長200 m,寬60 m,高2 m。在工作面推進(jìn)的過程中對于頂板沒有進(jìn)行特別的支護(hù),按照現(xiàn)場實際情況任其自行垮落。

根據(jù)塑性區(qū)分布圖(見圖3),煤層底板塑性區(qū)主要類型為拉張破壞,最大塑性區(qū)位置出現(xiàn)在采空區(qū)兩端的支撐煤壁下部,采空區(qū)中部的煤層頂?shù)装宄霈F(xiàn)局部拉張屈服。16煤開采后,采空區(qū)下方單元發(fā)生剪切或拉張屈服的區(qū)域近似呈鞍形。由于本工作面煤層底板巖性多為泥巖、粉砂巖和煤層組合,強(qiáng)度相對較低,在發(fā)生剪切或拉張破壞后,在圍壓作用下巖體易于變形破壞,故一般可將這種塑性區(qū)作為確定底板破壞深度的依據(jù)。根據(jù)塑性區(qū)分布規(guī)律,可以大致判斷底板破壞深度約為10.0 m。

圖3 工作面推進(jìn)方向塑性區(qū)分布Fig.3 Plastic zone distribution in the direction of working face advance

2.2.3 底板阻水能力評價結(jié)果

根據(jù)首采面10個相關(guān)奧灰鉆孔所揭露的煤層底板巖層資料,主要由砂巖、粉砂巖、泥巖和薄層灰?guī)r等沉積巖層組成。如表1所示各個鉆孔含水層實際水壓與其阻水強(qiáng)度之比,當(dāng)兩者之比越大,底板突水風(fēng)險較高,突水風(fēng)險越高；當(dāng)兩者之比越小,底板突水風(fēng)險較低,相對安全。由表1可以看出,含水層的阻水強(qiáng)度介于5.13～7.44 MPa,比值介于0.618～0.945,同時在奧灰注漿孔2孔(0.901)和9孔(0.791)附近,水壓與阻水強(qiáng)度的比值最大,與圖1所示危險區(qū)范圍基本重合。

為對比2種方法的評價結(jié)果,根據(jù)表1相關(guān)數(shù)據(jù),運(yùn)用Surfer 軟件生成實際水壓與綜合阻水強(qiáng)度比值等值線圖,如圖4所示。根據(jù)圖4可以看出,評價區(qū)范圍內(nèi)突水風(fēng)險性較大的區(qū)域仍在奧灰注漿2孔(0.901)和9孔(0.791)附近,其余部分相對較小。通過圖1與圖4對比分析可以看出,實際水壓與綜合阻水強(qiáng)度比值等值線分布規(guī)律和突水系數(shù)等值線分布規(guī)律基本一致,兩者的最大值均在評價區(qū)的奧灰注漿2孔和9孔附近。

3 結(jié) 論

(1)根據(jù)首采面鉆孔資料按照最新的相關(guān)規(guī)定計算了奧灰的突水系數(shù)值。完整地段奧灰突水系數(shù)值在0.084～0.106,幾乎都處于《煤礦防治水規(guī)定》的臨界突水系數(shù)值0.10附近,存在帶壓開采的突水危險性,可能對回采會造成較大的安全隱患。

(2)采用底板巖層綜合阻水法對首采面底板的奧灰突水危險性進(jìn)行了計算。詳細(xì)分析了該方法的相關(guān)參數(shù)的選取,分別對10個鉆孔底板的奧灰綜合阻水強(qiáng)度進(jìn)行了計算,并與奧灰含水層實際水壓進(jìn)行對比,兩者比值均小于1,但在奧灰鉆孔2孔和9孔附近比值最大。

圖4 首采面奧灰阻水強(qiáng)度比值等值線Fig.4 Contours of the ratio of Ordovician limestone water blocking strength at first working face

(3)2種方法對首采面評價結(jié)果基本一致。突水系數(shù)法和綜合阻水強(qiáng)度法所計算的奧灰突水危險性最大區(qū)域均在奧灰鉆孔2孔和9孔附近,建議對這2個位置采用超前探測與注漿加固，以提高其阻水能力,確保該工作面安全回采。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Evaluation of Ordovician Limestone Water Inrush Risk Zoning for First Working Face under High Pressure of Deep Under-group Coal Mining

Liu Bin1Zhu Shuyun1Liu Jun2Song Shuguang3Wang Chengtian3

(1.SchoolofResourcesandEarthScience,ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou221116，China; 2.HebeiNuclearIndustryofChinaGeotechnicalEngineeringCo.，Ltd.，Shijiazhuang050021，China; 3.DaizhuangCoalMine，ZiboMiningGroupCo.，Ltd.，Jining272175，China)

In order to explore the feasibility for safe mining under pressure of North-China-type deep lower-group coal seam floor，with the first working face of the lower-group coal with high pressure water in Jibei mining area as an engineering background，combining with nine Ordovician limestone boreholes′ and one Ordovician limestone hydrological observation hole′s data，predicting assessment and zoning of the Ordovician limestone water inrush risk at normal block were analyzed with the water inrush coefficient method and integrated water blocking strength method of floor strata.The analysis showed that there are two regions with the Ordovician limestone water inrush values greater than 0.1 MPa/m.But according to the comprehensive water blocking strength calculation of floor strata，the integrated water blocking strength value of each borehole was greater than its corresponding actual pressure value，and then the ratio of actual pressure value to its corresponding integrated water blocking strength is analyzed.The results indicated that if Ordovician limestone water inrush coefficient is larger，the region with big ratio value of the actual water pressure to its corresponding integrated block water intensity just exists in dangerous zone.It is line with the actual situation.This research provides a new evaluation method for the floor water control during the transition to deep exploitation of coal resources under pressure in Jibei mining area or other areas with similar geological conditions.

Deep lower-group coal，Ordovician limestone water，F(xiàn)irst working face，Water inrush coefficient，Comprehensive water blocking strength

2014-02-04

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(編號：2013CB036003)，中國博士后科學(xué)基金面上項目(編號：2013M541758)。

劉 彬(1990—),男,碩士研究生。

TD12

A

1001-1250(2014)-05-146-05