上社矿15501 工作面陷落柱区域突水机理及危险性评价_马志钢.pdf

煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 1工程概况 山西煤炭运销集团阳泉公司上社矿 15501 工作 面位于 15 煤层三采区五采区， 15 煤层均厚 5.4m， 平均倾角 6， 顶板为泥岩及石灰岩， 底板为砂质泥 岩， 工作面西侧为相邻的 15502 工作面,北侧为采空 区， 南侧为采区回风巷， 东侧为采区边界。 15 煤层顶 板为灰岩， 富水性弱。 由于顶板灰岩埋藏浅， 岩溶裂隙 发育较好， 或与冲击层接触， 有良好的补给条件， 其含 水性强， 在施工胶轮车排矸斜巷揭露 L1 灰岩时， 有淋 水， 最大约 85m3/h。 15501 工作面在距离开切眼 492m的位置处发育 有 W260 陷落柱，该陷落柱的长轴为 22m，短轴为 17m， 陷落柱的总体面积为 301m2， 陷落柱内以泥岩、 煤和方解石为主，局部存在淋水现象，现为保障 15501 工作面的安全回采， 需对 W260 陷落柱的突水 危险性进行评价。 2陷落柱突水机理 2.1陷落柱活化导水判据 陷落柱的活化导水一般情况下可划分为两种类 型， 分别为 陷落柱与周围岩层间剪切破坏而诱发的 导水、 陷落柱内部发生压剪破坏而出现的导水。针对 工作面内陷落柱区域所发生活化导水基本为第一种 情况， 现采用极限平衡原理对该种情况下的陷落柱突 水力学机理进行分析，现建立陷落柱的力学分析模 型， 用 h 表示陷落柱的高度， 截面面积为 s， 设置截面 的周长为 l， 具体陷落柱力学模型示意图如图 1 所示。 图 1陷落柱柱体剪切应力示意图 上社矿 15501 工作面陷落柱区域突水机理及危险性评价 马 志 钢 （晋能集团阳泉公司上社煤矿 ， 山西 盂县 045100 ） 摘要 为掌握 15501 工作面内 W260 陷落柱发生突水的危险性， 通过具体分析陷落柱的突水机理， 得出工作面内岩溶陷落柱发生活化导水的判据和突水的模式，并具体采用多层次模糊聚类综合评价 方法对 W260 岩溶陷落柱的突水危险性进行具体评价。 结果表明 二级模糊评判 B0.399， 判断该陷落 柱发生活化导水的危险性较大， 采用三维地震勘测、 综合物探和钻孔探测验证了评价的准确性， 工作 面推进到陷落柱区域应加强探放水作业。 关键词 陷落柱 ； 突水机理 ； 模糊聚类 中图分类号 TD745文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 05- 0079- 04 Water inrush mechanism and risk uation of subsidence column area of 15501 working face in Shangshe Mine MA Zhigang （JinnengGroup co., LTDYangquan CompanyShangshe Coal Industry ，Yuxian 045100 ， China ） Abstract In order tograsp the danger ofwater inrush from the W260 sinking column in the 15501 working face, through the specific analysis of the water inrush mechanism of the sinking column, the criterion for activating and conducting the karst sinking column in the working face and the model ofwater inrush are derived, and specific adoption Multi- level fuzzy cluster comprehensive uation is used touate the water inrush danger ofW260 karst collapse column. The results showthat the second- level fuzzyuation B 0.399, it is judged that the risk ofactivation and conductivity ofthe subsidence column is relatively large. The accuracy ofthe uation is verified by three- dimensional seismic survey, comprehensive geophysical exploration and drilling exploration, and the working face is advanced to the subsidence column area The exploration and discharge operation should be strengthened. Key words Collapse column ; water inrush mechanism; fuzzyclustering; 79 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 针对陷落柱活化导水的力学模型， 根据摩尔库伦 准则能够得出陷落柱周边边界上的抗剪力 Q 的表达 式为 Qclhσrlhtanφ （1 ） 式中 c 为柱体与周围岩层的粘聚力； h 为陷落柱 柱体的高度； l 为柱体截面的周长； φ 为陷落柱内充填 物的内摩擦角， σr为陷落柱周围裂隙带垂直方向应 力；另外考虑到陷落柱柱体会受到承压水的向上力的 作用， 则能够推导出陷落柱底面承受的载荷表达式为 Pp0s- ρghs（2 ） 式中 s 为柱体截面面积； p0为承压水对顶部表 面的压力； g 为重力加速度； P0为承压水对顶部表面 的压力； ρ 为柱体内充填物的密度；当陷落柱底板岩 层表面受到的应力大于周围岩层的极限剪切应力时， 此时陷落柱便会与周围岩体之间出现错位情况， 进而 出现导水现象，为方便研究假设柱体横截面为圆形 时， 用 r 表示横截面的半径， 则陷落柱活化导水的判 据表达式为 2ch2σrhtanφ （p0- ρgh ） r（3 ） 根据式 （3 ） 能够得出， 随着陷落柱柱体半径的增 大， 其发生活化导水的可能性也逐渐增大， 陷落柱活 化导水的概率会随着柱体高度的增大而逐渐减小。 2.2工作面陷落柱突水破坏 在工作面内部存在着导水陷落柱时， 随着工作面 的向前推进， 当工作面接近陷落柱区域时， 此时回采 工作面与陷落柱间存在着圆柱形的煤柱， 当该煤柱出 现剪切破坏时， 破坏会首先出现在顶底板岩层交界面 的位置处[1-2]， 现假设陷落柱在煤柱侧壁发生突水， 煤 柱剪切破坏面与垂直方向相垂直， 剪切面受到的正压 力即为上覆岩层的自重应力， 用 σ1表示， 具体煤柱侧 剪切破坏模型如图 2 所示。 （a ）横向剖面图（b）纵向剖面图 图 2煤柱剪切破坏模型 根据图 2 中的力学模型， 能够得出作用到圆面上 的总剪切力 F 为 F （p1Q ） ω 1 4 πM2 （p 1Q ） （4 ） 式中 p1为承压水压力的极限值； Q 岩层内的压 力； M为煤厚； 作用到陷落柱柱体四周煤壁的剪切力 f、作用到 剪切面上的抗剪力 τ 的表达式为 f F πM 1 4 M （p1Q ） τh[ （H0γdMγg） tanθc]（5 ） 当抗剪切应力和总剪切应力均处于极限平衡状 态时， 能够得出 τf， 进而能够推出 p14h M [ （H0γdMγg） tanθc]-Q（6 ） 通过具体分析式 （6 ） 可知， 在圆柱形煤柱侧壁出 现剪切破坏时， 此时承压水的临界压力与圆柱形煤柱 宽度之间呈现出直线线性相关的关系。 3突水危险性评价 3.1模糊聚类综合评价方法 模糊聚类综合评价法是一种采用模糊数学理论 进行评价的对因素单指标的综合评价方法， 该种评价 方法通过隶属度进行模糊界限的定义， 在进行评价事 物的分类或分级时， 采用最大隶属度原则， 并考虑评 价向量信息进行综合分析， 由于模糊聚类综合评价法 基本将重要的影响因素全部进行考虑， 故其能够有效 的反应陷落柱发生突水时的不利因素以及该部分不 利因素之间的关系[3-4]。 采用多层次模糊聚类综合评价时数学模型的建 立如下 1 ）将因素集采用函数进行表示，为 F{F1， F2， F3 Fn}，按照一定额属性将其划分为 m个子集，表示 为 f{fi1， fi2， fi3fin}， i1,2,3n； 2 ） 进一步对每个因素集 Fi 进行综合性的评判， 评价集合采用函数进行表示， 为 C{c1， c2， c3cn}， 每 个因素集 Fi 相对于 V 的权重分配为 Ai {ai1， ai2， ai3 ain}， 且 ai1ai2ain1； 当 Ri为单因素的评判矩阵时， 能够得出其一级的评判向量表达式为 BiAiBi{bi1， bi2， bi3bis}， i1,2,3n； 3 ）将每一个因素集 Fi视为一个影响因素，并将 因素集进行汇总， 采用函数表示 μ{F1， F2， F3Fm}， 其 中 μ 作为一个单独的因素集，其单因素评判的矩阵 表达式为 F 中的每个因素 Fi 能够反映 F 的某种属性， 据 此能够对其的重要进行权重分配，即能够得出 A （a1， a2， ， as） ,从而能够得到二级评判向量 BA R 80 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 R B1 B2 Bn ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ b11 b1n bn1 bnn ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ （1 ） （b1， b2，， bm） 。基于最大隶属度原则，假设 bjmax （b1， b2， ， bm） ， 则能够得出评判结果即为与 j 项对应 的评判等级， 在具体的工程应用中， 由于每种评价模 式中存在着多级的影响因素，故存在着多级的评判。 本次针对 15501 工作面 W260 陷落柱突水危险性的 评价采用二评判标准。 4 ）具体应用模糊理论前，需对模糊集的隶属函 数进行建立， 随后针对特定的模糊集， 通过量化以实 现数学的处理和运算。 本次陷落柱危险性的评价具体 对不同的指标等级赋予边界值， 随后采用线性差值法 确定隶属函数， 并划分为Ⅰ～Ⅳ， 并将其边界值分别赋 为 1～4， 基于上述表述， 得出隶属函数为 uIx 1x＜1 2- x1≤x＜2 02≤ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ x uIVx 0 x＜3 2- x3≤x＜4 04≤ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ x uIIx 0 x＜1 x- 11≤x＜2 3- x2≤x＜3 03≤ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ x （2 ） uIIIx 0 x＜2 x- 22≤x＜3 4- x3≤x＜4 04≤ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ x 3.2陷落柱危险性评价 现具体采用多层次模糊聚类综合评价方法对 183210 工作面 W260 陷落柱突水的危险性进行具体 评价， 矿方采用三维地震勘测、 综合物探和钻孔探测 验证后，得出陷落柱内部的充填物为松散的岩体， 岩 性即为原有的岩层特性， 且陷落柱柱壁的裂隙并不发 育， 内部无其余充填物。现针对影响陷落柱突水的各 因素进行权重， 运用层次分析法进行决策， 具体步骤 为 ①建立模型； ②分层次构造判断矩阵； ③进行层次 单排序和一致性检验； ④最后进行层次的总排序并再 进行一致性检验； 基于上述步骤得到影响陷落柱突水 的指标权重如表 1 所示。 表 1陷落柱突水影响因素权重表 基于上节提出的确定隶属函数的方法， 能够得出 模糊矩阵的各项表达式为 R1 000.880.12 000.360.64 000.240.76 00.820.18 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ 0 R2 000.160.84 000.880.12 00.440.560 0.540.460 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ 0 R3 000.080.92 0.480.520 （） 0 （3 ） R4 0.020.9800 000.310.6 （） 9 R5 1000 00.110.89 （） 0 当模糊矩阵表达式确定后， 随后进行一级模糊评 价， 得出 B1A1R10,0.082,0.345,0.573 B2A2R20.216,0.237,0.238,0.309 B3A3R30.278,0.302,0.034,0.386（4 ） B4A4R40.004,0.176,0.254,0.566 B5A5R50.350,0.072,0.578,0（下转第 84 页 ） 陷落柱突水影响因素权重陷落柱突水影响因素权重 关键隔水层0.18 隔水层总厚度0.42 隔水层岩性组合防突能力0.58 岩溶地下水径流条件0.29 水力坡度0.10 渗透系数0.11 顶部水压0.34 单位涌水量0.45 陷落柱内部结构及 导水性 0.31 柱壁裂隙发育情况0.40 压实程度0.13 泥浆比例0.35 胶结程度0.12 周边地质构造发育情况0.10 构造性质0.65 构造发育密度0.35 采掘动压扰动0.12 陷落柱位置0.82 工作面尺寸0.18 81 ChaoXing （上接第 81 页 ） 进而能够得到二级模糊关系的矩阵表达式为 R 00.0820.3450.573 0.2160.2370.2380.309 0.2780.3020.0340.386 0.0040.1760.2540.566 0.3500.0720.578 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ 0 （5 ） 基于上述表达式能够得出二级模糊评判的结果 为 BAR0.153,0.180,0.268,0.399（6 ） 根据式 （6 ） 中得出的结果， 取 B0.399， 据此可知 15501 工作面 W260 陷落柱具有较高的突水危险性， 现场采用三维地震勘探、 钻孔探测等方式验证了评价 的准确性， 据此可知采用多层次模糊聚类综合评价方 法能够有效对岩溶陷落柱发生突水的危险性进行有 效评价。 4结论 根据 15501 工作面的地质条件和 W260 陷落柱 的具体情况，通过对陷落柱活化导水机理的具体分 析， 得出工作面陷落柱突水的判据及突水模式， 采用 多层次模糊聚类综合评价方法进行陷落柱突水危险 性的评价， 根据评价结果得出该陷落柱突水危险性较 大， 工作面推进到该区域时， 应加强探放水工作。 参考文献 [1] 张红梅,翟晓荣,吴基文,沈书豪.深部煤层采动流固耦合 效应下陷落柱突水机理研究[J].煤矿开采,2017,22 （05） 102- 105. [2] 武志高. 基于微观孔隙结构的陷落柱突水危险性评价[J]. 煤矿安全,2017,48 （07） 200- 203. [3] 杜辉. 多层次聚类算法研究及其应用[D].西安电子科技大 学,2017. [4] 董毅,张文泉,朱光丽,张贵彬,袁圣秋.基于模糊综合评判 的隐伏陷落柱突水几率研究[J].煤炭技术,2016,35 （04） 194- 196. 作者简介 马志钢 （1970-） ， 男， 山西阳泉人， 2016 年 1 月毕业于太原 理工大学煤矿开采专业， 助理工程师， 从事探水队管理工作。 （收稿日期 2019- 12- 2） 图 4采煤工作面钻孔布置图 4结论 通过对煤层瓦斯赋存、突出危险情况进行分 析， 得到如下结论 1）1、 2 煤层的瓦斯压力均在 2MPa 以上， 是 煤与瓦斯突出压力临界值的 3 倍之多， 1、 2 煤层 会在高瓦斯压力下发生强烈的煤与瓦斯突出。中峪 煤矿在联合开采 1、 2 煤层时需预先进行地面瓦 斯预抽工作， 同时结合井下回采和掘进工作面区域 瓦斯预抽。 2）矿井的任何措施都必须进行效果考察， 在防 突措施效果不理想的情况下必须进行卸压增透措 施， 提高煤层的抽采效率。 参考文献 [1]煤矿安全规程 ,国家安生生产监督管理总局,国家煤矿 安全监察局,2016. [2]防治煤与瓦斯突出细则 （煤安监技装 〔2019〕 28 号） ,国 家煤矿安全监察局,2019. [3]煤矿瓦斯等级鉴定办法 （煤安监技装 〔2018〕 9 号） ,国 家煤矿安监局,国家能源局.2018. [4] 王艳群.煤巷掘进工作面煤与瓦斯突出防治措施探讨[J]. 科技创新导报. 2014 （19） . [5] 韩玉龙. 煤矿煤与瓦斯突出的局部防突措施 [J]. 科技创 业家. 2014 （03） . [5] 周波. 煤与瓦斯突出防治技术[J]. 内蒙古煤炭经济. 2018 （02） . [6] 赵学军, 霍晓林. 我国煤与瓦斯突出的研究现状及展望 [J]. 内蒙古煤炭经济. 2018 （02） . 作者简介 崔智斌 （1987-） 男， 山西平陆人， 助理工程师， 本科学历， 现任霍州煤电集团沁安煤电有限责任公司中峪煤矿调度安 全科技术员。（收稿日期 2020- 5- 9） 煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 84 ChaoXing