厚松散層薄基巖煤層開采突水潰砂風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

許海濤，康慶濤

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，河北 三河 065201)

厚松散層薄基巖煤層開采突水潰砂風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

許海濤，康慶濤

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，河北 三河 065201)

通過對43下20工作面水文地質(zhì)資料及鉆探結(jié)果的分析，揭示了第四系厚松散層含、隔水層特征、底部黏土厚度及隔水性以及上覆薄基巖結(jié)構(gòu)特征，建立了厚松散層、薄基巖工作面回采數(shù)值模型，計(jì)算得出冒落帶發(fā)育高度為14m，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度33m；確定工作面開采安全煤巖柱類型為“頂板防砂安全煤巖柱”，并計(jì)算得到防砂安全煤巖柱高度為24.3m。結(jié)果表明：導(dǎo)水裂縫帶及理論計(jì)算煤巖柱高度均小于最薄基巖厚33m，工作面開采厚度為2.5m時(shí)不具有突水潰砂風(fēng)險(xiǎn)。

厚松散層；薄基巖；突水潰砂；風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)；數(shù)值模擬

本文以43下20工作面為研究對象，采用鉆探手段對3下煤頂板基巖特征、砂巖含水層富水性及第四系底部黏土層的厚度進(jìn)行探查，結(jié)合鉆探成果對第四系富水性及結(jié)構(gòu)特征、第四系底部黏土層發(fā)育情況、基巖強(qiáng)度及風(fēng)化帶等水文地質(zhì)特征進(jìn)行分析，采用數(shù)值模擬及理論計(jì)算等方法分析43下20工作面上覆冒落帶、導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律，對43下20工作面厚松散層薄基巖覆巖條件下突水潰砂風(fēng)險(xiǎn)性進(jìn)行綜合評價(jià)。

1 工作面概況

43下20工作面開采標(biāo)高為-208.7～-330.4m，地面標(biāo)高為+38.1～+39.3m。工作面開采煤層為山西組的3下煤層，煤層厚度2.5m，煤層傾角平均7°。工作面設(shè)計(jì)長1702m，寬63.8～248.2m。該區(qū)域水文地質(zhì)條件中等，影響開采的含水層主要為3下煤層頂板砂巖含水層、第四系孔隙含水層及三灰含水層。該工作面地質(zhì)構(gòu)造較簡單，僅揭露4條不含(導(dǎo))水的正斷層。上覆基巖最薄處僅33.05m，第四系松散層平均厚度為245.67m，工作面上覆巖層屬典型的厚松散層薄基巖類型。

2 覆巖結(jié)構(gòu)特征及含隔水性能分析

2.1覆巖結(jié)構(gòu)特征探查分析

為查明43下20工作面3下煤頂板基巖特征、砂巖含水層富水性及第四系底部黏土層的厚度，在工作面運(yùn)輸平巷布置了T4321-1，T4321-2基巖探查鉆孔，3上煤層3301工作面曾在該區(qū)域布置了T3301-2，T3301-3基巖探查鉆孔。另在該區(qū)域1307工作面曾布置T1307-2基巖探查孔，工作面附近布置有17-12地質(zhì)鉆孔。在基巖探查孔鉆探過程中，底部黏土層未完全揭露。根據(jù)6個(gè)鉆孔成果分析(表1)，3下煤層上覆基巖厚度在33.05～43.34m之間，底部黏土層厚度在4.04～29.2m之間。

表1 鉆孔參數(shù)統(tǒng)計(jì)

注：黏土層未穿透，厚度為換算后的真厚度。

2.2 第四系結(jié)構(gòu)特征及其富水性分析

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第四系按其巖土性質(zhì)、富水性等劃分為上、中、下3組(表2)，呈“兩含兩隔”的結(jié)構(gòu)特征。對43下20工作面開采有直接影響的首先是第四系下組上段含水層。根據(jù)對第四系結(jié)構(gòu)特征的分析，第四系下組含水層具有“中間含水、上下隔水”的特點(diǎn)，即含水層主要是下組的上段含水砂層，其下部則為隔水性強(qiáng)的底粘，其上部為第四系中組隔水層。當(dāng)工作面導(dǎo)水裂縫帶波及到下組上段含水砂層，有可能發(fā)生工作面頂板透水，當(dāng)工作面垮落帶波及到下組上段含水砂層有可能發(fā)生頂板潰砂。

表2 第四系結(jié)構(gòu)特征及富水性

2.3 第四系底部粘土層發(fā)育情況分析

根據(jù)43下20工作面鉆探成果，底部黏土層的厚度從4.04～29.2m不等，且黏土層未完全揭露，黏土層及黏土石膏層厚度大且連續(xù)，黏土與砂質(zhì)黏土的塑性指數(shù)為18.8～31.7，隔水能力強(qiáng)。諸多煤礦開采實(shí)踐證明，底部黏土層不僅會(huì)抑制導(dǎo)水裂縫帶向上擴(kuò)展，而且還會(huì)阻止第四系含水層水下泄，對減小工作面充水十分有效。根據(jù)43下20工作面底部黏土層厚度分布特征以及其物理力學(xué)性質(zhì)分析認(rèn)為，底部黏土層具有良好的隔水性和抗采動(dòng)影響能力。

2.4 風(fēng)化帶及基巖強(qiáng)度影響分析

國內(nèi)水體下采煤實(shí)踐表明，在基巖柱厚度較小條件下，基巖風(fēng)化帶厚及基巖泥巖類比重大對冒高、裂高的發(fā)育具有十分明顯的抑制作用。根據(jù)鉆探成果，43下20工作面風(fēng)化帶巖層占基巖柱厚度為18%左右，泥巖類占基巖比例為60%左右(表3)。所以43下20工作面上覆巖層強(qiáng)度低、泥巖類比例大、風(fēng)化帶厚度大等特點(diǎn)將會(huì)對兩帶的發(fā)育起到一定的抑制作用。

3 工作面采動(dòng)覆巖破壞數(shù)值模擬計(jì)算

3.1 模型建立

表3 43下20工作面及附近3下煤頂板巖性構(gòu)成統(tǒng)計(jì)

根據(jù)43下20工作面生產(chǎn)技術(shù)條件，結(jié)合綜合柱狀圖，模型尺寸(寬×高)475m×70m，上邊界載荷按采深250m計(jì)算，模型底邊界垂直方向固定，左右邊界水平方向固定，原始數(shù)值計(jì)算模型如圖1所示。數(shù)值模擬中各巖層、煤層的力學(xué)參數(shù)見表4所示。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

層位抗壓強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa黏聚力/MPa摩擦角/(°)彈性模量/GPa泊松比黏土5.010.5200.8202.60.40風(fēng)化砂巖(泥巖)5.860.4720.7403.20.35中粗砂巖10.101.9003.8425.10.25細(xì)砂巖18.443.7505.4458.50.25粉砂巖10.001.1003.6414.20.30煤層4.001.0001.0363.00.30泥巖6.601.5201.3313.50.25

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果

(1)當(dāng)43下20工作面開采后，在43下20工作面邊界處頂板上方14m內(nèi)為拉伸破壞區(qū)(冒落帶)，該區(qū)域內(nèi)易導(dǎo)水、潰砂。

(2)頂板之上的14～33m為主要導(dǎo)水裂縫帶(圖2)，43下20工作面中部上方導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為25m，工作面邊界的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度33m，導(dǎo)水裂縫帶呈兩邊高、中間略低 “馬鞍型”分布(圖3)。

(3)在裂縫帶之上的彎曲下沉帶，之內(nèi)有微裂隙存在，但之內(nèi)的裂隙不導(dǎo)通，仍具有隔水效果。

(4)根據(jù)鉆探成果，3下煤層上覆基巖厚度在33.05～43.34m之間，且基巖頂部發(fā)育厚度在4.04～29.2m之間黏土層。因此，從數(shù)值模擬結(jié)果看，43下20工作面冒落帶及導(dǎo)水裂縫帶均未波及到第四系含水層。

圖2 43下20膠帶巷裂隙發(fā)育局部放大

圖3 采場圍巖裂隙發(fā)育

4 突水潰砂風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

4.1 采動(dòng)等級及允許采動(dòng)程度界定

43下20工作面主要影響含水層第四系下組上段，富水性中等，且具有“中間含水、上下隔水”的特點(diǎn)。其下部發(fā)育底黏的厚度從4.04～29.2m不等(為未完全揭露厚度)，無天窗、無缺少層位現(xiàn)象，隔水能力強(qiáng)。另外43下20工作面上覆巖層具有強(qiáng)度低、泥巖類比例大、風(fēng)化帶厚度大等特點(diǎn)。綜合分析，根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》[9]43下20工作面允許采動(dòng)等級屬于Ⅱ級，水體類型屬于“底界面下為穩(wěn)定的厚粘性土隔水層或松散弱含水層的松散層中、上部孔隙強(qiáng)、中含水層水體”，允許采動(dòng)程度為“允許導(dǎo)水?dāng)嗔褞Р八缮⒖紫度鹾畬铀w，但不允許垮落帶波及該水體”，安全煤巖柱類型為“防砂安全煤巖柱”。

4.2 潰砂風(fēng)險(xiǎn)性評價(jià)

(1)根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》，留設(shè)防砂安全煤巖柱的目的，是允許導(dǎo)水裂縫帶波及松散弱含水層或已疏降的松散強(qiáng)含水層，但不允許垮落帶接近松散層底部。其垂高(Hs)應(yīng)大于或等于冒落帶的最大高(Hm)加上保護(hù)層厚度(Hb)，即

Hs≥Hm+Hb

(1)

式中，Hs為防砂安全煤巖柱，m；Hm為冒落帶高度，m；Hb為保護(hù)層厚度，m。

(2)冒落帶高度計(jì)算。由于43下20工作面上部3上煤層已經(jīng)開采，為3301，3302工作面的采空區(qū)，且3上，3下間距為6.5m，屬于近距離煤層，所以應(yīng)分別對2個(gè)煤層冒落帶高度進(jìn)行計(jì)算，取其中大者為防砂煤巖柱冒落帶高度。

根據(jù)規(guī)程，按軟弱型巖層計(jì)算冒落帶高度：

3上煤層厚度為1.9m：

(2)

3下煤層厚度為2.5m：

(3)

根據(jù)規(guī)程，按中硬型巖層計(jì)算冒落帶高度：

3上煤層厚度為1.9m：

(4)

3下煤層厚度為2.5m：

(5)

從計(jì)算結(jié)果看， 3下煤層冒落帶高度大于上下煤層間距，所以3下煤層冒落帶高度應(yīng)按3上煤層冒落帶高度計(jì)算，此處按中硬巖層計(jì)算，3上煤層冒落帶高度為9.0m，加上上下2層煤相對高差6.5m，得3下煤層冒落帶高度為15.5m。

(3)保護(hù)層厚度計(jì)算。根據(jù)規(guī)程，防砂安全煤巖柱保護(hù)層厚度，松散層全厚大于累計(jì)采厚，則保護(hù)層厚度為累計(jì)采厚的2倍，即8.8m。

(4)將3下煤層冒落帶高度15.5m、保護(hù)層厚度8.8m代入式(1)，得43下20工作面外部局部提高開采上限區(qū)防砂安全煤巖柱高度Hs≥24.3m，小于該區(qū)域最薄基巖厚33m，43下20工作面開采厚度為2.5m是安全可行的。

5 結(jié) 論

(1)數(shù)值模擬計(jì)算得到，43下20工作面開采后，冒落帶發(fā)育高度為14m，導(dǎo)水裂縫帶最大發(fā)育高度33m，上覆基巖厚度在33.05～43.34m之間，均未波及到第四系含水層。

(2)確定工作面開采安全煤巖柱類型為“頂板防砂安全煤巖柱”， 防砂安全煤巖柱高度為24.3m，小于該區(qū)域最薄基巖厚33m，滿足留設(shè)防砂煤巖柱的要求。

[1]王 睿，孟召平，謝曉彤，等．巨厚松散層下防水煤柱合理留設(shè)及其數(shù)值模擬[J]．煤田地質(zhì)與勘探，2011，39(1)：31-35.

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[8]梁世偉．薄基巖淺埋煤層頂板突水機(jī)理的研究[J]．礦業(yè)安全與環(huán)保，2013(3)：21-24.

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[責(zé)任編輯：張玉軍]

Risk Assessment of Water and Sands Burst of Coal Seam Mining with Thick Loose Layer and Thin Bedrock

XU Hai-tao，KANG Qing-tao

(Safety Engineering School，Huabei Science and Technology University，Sanhe 065201，China)

According analysis of hydrologic and geological data and drilling results of 43 downward 20 working face，then the characters of aquifer and aquifuge of the Quaternary loose layers，thickness and water resistant of clay at the bottom and overlying thin bedrock structures were revealed，and mining numerical simulation model of thick loose layers and thin bed rock working face was built，collapse zone height was 14m，water flowing fractured zone height was 33m，the type of working face mining safety coal and rock pillar was ‘roof sands resistant safety coal and rock pillar’，the height of sands resistant coal and rock pillar was 24.3m after calculated.The results showed that water flow fractured zone and coal and rock pillar height by theory all smaller than the thin bedrock thickness 33m，water and sands burst risk was nonexistence when working face mining height was 2.5m.

thick loose layer；thin bedrock；water and sands burst；risk assessment；numerical simulation

2016-10-25

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.03.023

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51674119)；河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目( E2013508123)；河北省科技計(jì)劃項(xiàng)目(16275515)

許海濤(1979-)，男，山東菏澤人，講師，碩士，主要從事特殊開采、礦井水害防治相關(guān)領(lǐng)域教學(xué)與科研工作。

許海濤，康慶濤.厚松散層薄基巖煤層開采突水潰砂風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)[J].煤礦開采，2017，22(3)：78-81.

TD745

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1006-6225(2017)03-0078-04