云崗礦煤層頂板冒裂安全性分區(qū)研究

陳玉嬌

（晉能控股煤業(yè)集團 云崗礦，山西 大同 037000）

云崗礦在工作面掘進過程中，煤層上覆的含水層會經(jīng)過巖層裂隙帶流入礦井中，在水量較大時，可能會發(fā)生淹井事故，因此，礦井出現(xiàn)突水的關(guān)鍵是導水裂隙帶是否發(fā)育，要正確預測導水裂隙帶的發(fā)育高度，以確保礦井正常開采。

1 水文地質(zhì)概況

云崗礦現(xiàn)開采的410 盤區(qū)51041 工作面，煤層厚度為5 m，根據(jù)鉆孔和探勘線剖面結(jié)果，鉆孔數(shù)據(jù)見表1。煤層上覆主要含水層是侏羅系直羅組下段砂巖含水層，裂隙水資源豐富，煤層上覆的厚度為30.43 m，煤層東部和南部的厚度在40 m 以下，煤層北部的厚度在100 m 以上。由于煤層的水文地質(zhì)條件復雜，上覆含水層補給水資源，煤層有較強的富水性，屬于中等富水的含水層。煤層的主要隔水層巖性是深灰色、灰黑色泥巖，夾雜少量的細砂巖，透水性能較弱，煤層東部和南部開采后，礦井受侏羅系直羅組下段含水層的影響比較大，在工作面回采期間，出現(xiàn)大大小小的突水事故7 次，嚴重威脅礦井的安全生產(chǎn)。

表1 鉆孔水文地質(zhì)條件數(shù)據(jù)Table 1 Drilling hole hydrogeological condition data

2 數(shù)值模擬

根據(jù)各鉆孔的巖層厚度和物理參數(shù)（物理參數(shù)通過實驗報告獲得），巖石破壞準則采用摩爾庫倫強度準則，建立FLAC3D 地質(zhì)數(shù)值模擬模型，模型的長寬高分別為500、450 和137 m，工作面的寬度為250 m，模擬長度為300 m，整個模型有20 250 個單元，22 724 個節(jié)點，在模擬掘進之前，對模型左右兩側(cè)設計X 方向邊界約束條件，對模型前后兩側(cè)設計Y 方向邊界約束條件，對模型底部設計X、Y、Z 方向的邊界約束條件，生成初始應力場。

沿X 正方向向前掘進，每次掘進20 m，從X為100 m 開始掘進，在達到平衡后，進行下一次掘進，共掘進300 m，分15 步進行。導水裂隙帶發(fā)育高度模擬過程如圖1 所示。

圖1 導水裂隙帶發(fā)育過程Fig.1 Water conduction fracture zone development process

在掘進過程中，根據(jù)塑性分布圖來確定導水裂隙帶發(fā)育高度，在工作面推進40 m 內(nèi)，僅有煤層上覆的直接頂出現(xiàn)冒落，破壞高度約1 m；在工作面推進到60 m，基本頂出現(xiàn)垮落，塑性破壞區(qū)高度約3 m，采空區(qū)中間部位底部出現(xiàn)拉張，工作面初次來壓；在工作面推進到120 m，塑性破壞區(qū)高度約5 m；在工作面推進到140 m，煤層頂板的塑性破壞區(qū)高度達到9 m，破壞高度達從巖層底部到達巖層的中部；在工作面推進到160 m，頂板的塑性破壞區(qū)高度達13 m，導水裂隙帶發(fā)育到到巖層頂部；在工作面推進到180 m，頂板的塑性破壞區(qū)高度達37 m，頂板巖層破斷；在工作面推進到200 m，頂板的塑性破壞區(qū)高度達50 m，隨著工作面不斷推進，導水裂隙帶發(fā)育高度基本穩(wěn)定在50 m，也就是說工作面導水裂隙帶發(fā)育高度最大為50 m，結(jié)合煤層厚度，得到裂采比為11.3。

3 煤層頂板冒裂安全性分區(qū)

3.1 導水裂隙帶高度計算

根據(jù)云崗礦的鉆孔資料以及巖石的力學參數(shù)，依照規(guī)程中的厚煤層分層開采導水裂隙帶高度公式，計算煤層導水裂隙帶發(fā)育高度：

式中：Hli是導水裂隙帶發(fā)育高度，m；Σm 是煤層的累計開采厚度，m。

煤層的累計開采厚度為6.46 m，通過上述公式，計算出煤礦開采后煤層導水裂隙帶的發(fā)育高度為43 m。

3.2 冒裂安全性分區(qū)預測

將煤層到含水層的距離和巖層裂隙帶發(fā)育高度兩者求差，作為頂板冒裂安全性分區(qū)預測依據(jù)。如果差值大于0，則導水裂隙帶發(fā)育高度不導通含水層，水不會流入礦井中；如果差值小于0，則導水裂隙帶發(fā)育高度導通含水層，水會流入礦井中，發(fā)生突水危險。采用井下仰孔分段注水鉆孔探測法來研究，煤層開采后，實際導水裂隙帶發(fā)育高度為45.88 m，裂采比為12.5，得到導水裂隙帶發(fā)育預測高度等值線圖，如圖2 所示。

圖2 導水裂隙帶預測發(fā)育高度等值線圖Fig.2 Prediction development height contour of water conduction fracture zone

從圖中可以看出，整個區(qū)域分布比較明顯，呈南低北高趨勢，井田南部的導水裂隙帶發(fā)育高度在45～55 m，西北部的導水裂隙帶發(fā)育高度較高，可達120.21 m，可見，井田北部出現(xiàn)突水的危險性較高。

4 應用分析

對云崗礦410 盤區(qū)51041 工作面煤層的頂板冒裂安全性分區(qū)預測，考慮礦井的實際開采問題，根據(jù)經(jīng)驗，將差值小于0 的區(qū)域劃分為突破區(qū)，即危險區(qū)，將差值大于0 的區(qū)域劃分為未突破區(qū)，即安全區(qū)，繪制出煤層頂板冒裂安全性分區(qū)圖，如圖3所示。

圖3 頂板冒裂安全性分區(qū)圖Fig.3 Roof crack safety zoning

從圖3 可以看出，煤層的頂板冒裂危險區(qū)主要集中在井田的西一盤區(qū)和北二盤區(qū)，約8.5 km2的危險區(qū)域，煤層容易受到含水層的危險，發(fā)生突水事故，井田從北到南，安全性逐漸增大，井田的南部相對于其他區(qū)域有較高的安全性。

5 結(jié) 語

針對云崗礦開采過程中出現(xiàn)的頂板冒裂、導水層裂隙帶發(fā)育等現(xiàn)象，以410 盤區(qū)51041 工作面為研究對象，建立工作面的數(shù)值仿真模型，工作面推進60 m 時，頂板初次來壓，推進至200 m 時，導水層裂隙帶發(fā)育最大高度為50 m，裂采比為11.3。將煤層到含水層的距離和巖層裂隙帶發(fā)育高度的高度差作為頂板冒裂安全性分區(qū)的標準，結(jié)合實際情況得出，煤層的頂板冒裂危險區(qū)主要集中在井田的西一盤區(qū)和北二盤區(qū)，約8.5 km2的危險區(qū)域，井田的南部相對于其他區(qū)域有較高的安全性。