高突危险水体上煤层开采下限及带压开采分区研究.pdf

第 6卷 第 3期 2010年 6月 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 Journal of Safety Science and Technology Vo.l 6No . 3 June 2010 文章编号 1673- 193X2010 - 03- 0054- 06 高突危险水体上煤层开采下限及带压开采分区研究 刘玉德, 尹尚先, 顾秀根 华北科技学院安全工程学院, 北京101601 摘 要 确定开采下限, 对高突危险水体上煤层的安全开采具有十分重要的意义。本文基于肥城 矿区地质条件, 用 FLAC3D软件, 对开采煤层下伏岩层移动变形规律进行了深入研究, 对煤层底板 三带范围进行了初步确定; 同时, 从不同方面对煤层底板开采破坏深度进行了理论计算。根据突 水系数、 导水带深度、 导升带高度和经验数据, 确定出正常条件下带压开采的下限 - 720m以及 安全措施条件下 底板预注浆处理等 的带压开采下限 - 850m。依据开采下限, 对带压开采条 件进行了分析, 初步形成了高突危险水体上煤层带压开采的分区分类, 划分了 开采相对安全区 安全开采区、 次安全开采区、 条件安全开采区 、 深部突水危险区、 构造突水危险区 , 为确定安全 开采技术与工艺奠定了理论基础。 关键词 高突危险; 带压开采; 突水系数; 开采下限; 分区 中图分类号 X936 文献标识码 A Study on the conditionclassification and lim it depth ofwaterpressurizedmining of coal seam above the high emergent and hazardouswater LIU Yude , YIN Shang xian, GU Xiugen School of Safety Engineering , North China Institute of Science waterpressurizedm ining; water inrush coefficien; tli m it depth ;partition 收稿日期 20100326 作者简介 刘玉德, 男, 博士, 副教授。 1 绪论 煤层开采必然造成围岩应力的重新分布和岩体 的破裂损伤, 同时将改变围岩的渗透性, 从而可能导 致顶板或底板突水并造成安全事故。据统计, 我国 大约 60 的煤矿不同程度地受到承压水的影响, 来 自煤层底部奥陶纪灰岩高承压水的危害, 造成 40 左右的煤炭不能正常开采。煤层底板突水是华北区 域煤矿事故的最主要原因, 且一直是制约煤矿产量 的主要因素, 随着开采深度的不断增加, 深部开采的 水害问题日益严重。 从矿井防治水角度研究深部煤层及下组煤开采 下限问题, 过去常用的一个指导性指标是突水系数。 这一概念多年来一直是我国煤矿底板水预防的主要 理论依据, 发挥了重要作用。但由于矿井渐渐进入 深部开采, 突水系数这一概念的缺陷也暴露出来。 突水系数在危险区的, 实现了安全带压开采; 而突水 系数在安全区域的, 却发生了突水。因此, 仅仅用突 水系数判定开采下限问题已不能满足承压水体上煤 层开采的需要。 本文拟将以肥城矿区为研究对象, 对开采煤层 下伏岩层移动变形规律、 岩体的渗透特性进行深入 研究, 为确定高突危险水体上煤层的带压安全开采 下限、 技术与工艺、 安全措施等方面提供理论指导, 具有十分重要的意义。 2 矿区地质概况 肥城煤田水文地质条件极为复杂, 是全国知名 的大水矿区之一。 肥城煤田含煤地层为石炭二叠系煤系地层, 共 含煤 18层, 煤层总厚度为 1455 m, 主采煤层为山西 组的 31煤和太原组的 7煤、 8煤、 9煤和 102煤。参 见煤层柱状 图 1。 肥城矿区地层沉积稳定, 肥城煤田总体上为单 斜构造, 以断裂构造为主, 断层纵横交错, 相互切割, 形成网格式的构造格架; 同时破坏了岩层的完整性, 为煤层底板的五灰和奥灰承压水突出提供了通道。 具有如下水文地质特征 1五灰、 奥灰富水性极强, 补给水源充足。由 于奥灰裸露面积较大 260km 2 , 直接接受大气的降 图 1 肥城矿区水文地质柱状 水补给, 动储量达到 28万 m 3 /h ; 五灰、 奥灰含水层 间距小, 由于断层的相互切割, 多处对口接触, 奥灰 成为五灰的直接水源层。 2断裂构造发育, 为突水提供了垂向通道。 3随着采深的加大, 奥灰水压已达到 4 6 MPa 、 矿压扰动损伤破坏深度达 35m左右, 因此, 在水压和 矿压的共同作用下, 极易导致工作面底板出水。 3 煤层下伏岩层采动变形规律分析 本文应用 FLAC3D软件, 对肥城矿区中三井田 主采煤层至奥灰含水层之间岩层在采动影响条件下 变形规律进行模拟分析。 31 建立模型 采用莫尔 - 库伦材料本构模型 如图 2, 模拟 存在构造时, 在采煤过程中需要留设煤柱。设计垂 向变形为零的简支边界, 原岩初始应力采用该区实 测数据 表 1。 图 2 数值计算模型 55 第 3期 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 表 1 岩层力学参数 岩层 厚 /m 弹性模 量 /GPa 泊松 比 内聚力 /MPa 内摩擦 角 /∀ 抗拉强 度 /MPa 覆岩490250023803113 砂岩595275025873515 煤层2040025082013 砂页岩230285026853517 K4 45500030364053 煤层2040025082013 页岩33310028823621 K5 7500030364053 泥岩14260024853214 O2 100521033354158 陷落柱2704094002 模拟时选择防水煤柱分别为 20m 和 40m。参 见图 3所示。 图 3 防水煤柱留设示意 32 模拟结果及分析 底板下 5m 的应力、 应变及破坏情况参见图 4 、 5 所示。 随着工作面的推进, 垂直应力集中范围扩大; 集 中系数随之变大, 但在推进距离超过一定数值后, 应 力集中系数趋于常数。 沿工作面方向, 留 20m 煤柱时, 在采面和陷落 柱交界处顶底板垂直位移较大, 2cm 的范围达到底 板下 63m左右; 留 40m煤柱, 底板位移为 2c m 的范 围, 最深达到底板下 15m 25m 左右。垂直工作面 方向, 在陷落柱边界的破坏为最深, 达到底板 22m, 被煤柱保护的范围内没有破坏。 分析模拟结果得知 1煤层底板岩层的三带范围大致为 损伤带 深度 60m 以上, 导水裂隙带高度约 35m, 破坏带高 度约 8m。确定开采下限时, 应重点考虑采场边缘的 破坏深度。 2在一定时期内, 煤柱尺寸对底板应力分布、 位移影响较大, 底板破坏深度随煤柱尺寸加大而减 小; 但随着推进距离的增加, 煤柱的影响逐渐减小, 直至影响消失。 4 开采下限确定 41 煤层底板破坏深度计算 以开采 8煤为例, 确定煤层底板破坏深度 导 水裂隙带高度 。 411 塑性理论计算方法 1老顶初次来压期间底板破坏深度 采场边缘底板岩体的最大破坏深度 hm以式 1计算 hm 157 2H2L x 4 2 c 1 式中 岩体容重, kg /m 3; H 采面深度, m; Lx 工作面宽度, m; c 岩层抗压强度, MPa 。 据 8煤层底板岩性和物理力学实验结果, 实验 室测得两组岩样的平均抗压强度分别为 4313 MPa 和 2623 MPa , 考虑岩体的尺度效应, 强度取实验值 得的 1/2折计算成岩体强度, 即 底板岩层平均抗压 强度 c 1734 MPa , 平均容重 2600kg/m 3。 另外, 取工作面宽度 Lx 150m, 当开采 - 350m 水平时, 采深H 445m。 将各参数代入式 1, 得 56 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 第 6卷 hm 157 ∃ 981 ∃ 2600 2 ∃ 445 2 ∃ 150 4 ∃ 1734 ∃ 10 6 2 252 即, 老顶初次来压期间采场边缘底板岩体的最 大破坏深度约为 25m。 2老顶周期来压期间底板破坏深度 煤层塑性区宽度 x 以式 2计算 xa m 2 K1tgln n H Cmctg K1Cmctg ; K1 1 sin 1- sin 2 式中 m 煤层厚度, m; 内摩擦角; Cm 内聚力, MPa ; H 煤层埋深, m; n 最大应力集 中系数, n pm ax/ H ; Pmax 工作面前方最大 支撑压力, kN; x 煤体边缘塑性区宽度, m。 由底板岩层赋存条件和岩石力学实验结果, 采 用岩体强度折减方法, 计算得出煤体的物理力学参 数为 内聚力 Cm 08 MPa ; 内摩擦角 20∀ ; 采厚 m 19m; 煤层埋深 H 445m; 取覆岩平均容重 2600kg /m 3; 根据矿压观测以及数值模拟结果, 最大 应力集中系数 n pm ax/ H 18。 将上述参数代入式 2, 计算得煤体边缘塑性 区宽度 x 134m。 N 煤分层层数。将 相关数据代入公式并计算得 8层煤底板岩层最大 破坏深度 hm 319m。 413 计算结果分析 计算结果分析参见表 2 。 表 2 最大导水破坏带深度计算结果分析 方法考虑因素计算结果 塑性理论采深、 面宽∋ 27 地质规程厚度、 分层∋ 32 平均∋ 30 本文取陶阳矿 8煤在正常开采期间, 由采动引 起的底板岩层最大破坏深度为 30m 左右, 此深度值 与与现场测试及数值模拟结果基本一致。 42 开采下限确定 421 基础数据 8煤 层距 离 五灰 326m, 距 离奥 灰 含水 层 835m 奥灰的顶界面 30m 为弱透水层或者隔水 层 , 承压水原始导高带 5m。 突水系数 T P /M, 其中, P 为水压, MPa; M 为 底板有效隔水层厚度, m。 422 正常条件下开采下限 1 规程 规定的下限计算值 按照矿井水文地质规程规定, 正常岩层条件下 突水系数应小于 015 MPa/m, 构造等特殊地段应小 于 006MPa/m。考虑采矿对煤层底板破坏带和承 压水原始导高带 35m 的残余阻水能力, 取经验值 0015MPa/m, x - 35 ∃ 0015 /485∗015 , x ∗ 78 MPa , 或者 x - 35 ∃ 0015 /485∗006 , x ∗ 3435MPa , 换算成水位值 780m 或 344m, 换算成标 高约为 - 700 - 720m 或 - 264 - 294m 地面标 高 50 80m。 则, - 720m 水平即是 8煤层的开采下限。 2现场经验数值 根据我国东部矿井深部开采经验, 埋深超过 800m后, 由于地应力超过岩石的抗压强度而使部分 围岩表现出软岩的特征, 中三井田 - 720m 水平大致 相当于埋深 800m, 因此从深部开采来讲, 这个开采 下限也有其合理性。 3安全措施条件下的下限值 如果在煤层开采过程中实施预注浆底板加固改 造, 则底板破坏带可减少 10m左右, 8煤层距奥灰含 水层的有效隔水层厚度变为 565m, 以突水系数小 57 第 3期 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 于 015 MPa/m 计, x - 27 ∃ 0015 /565∗015 , x ∗ 888MPa , 换算成水位值 888m, 换算成标高约为 - 850m, 即, 8煤层开采下限在底板注浆条件下可下 移到 - 850m水平。 5 带压开采分区及安全措施 51 带压开采分区 以上述计算开采下限为依据, 分区如下 1相对安全区与深部危险区 以 - 850m水平划分为开采相对安全区和突水 深部危险区。 2开采相对安全区再划分 根据经验数据, - 250m 水平以内无突水危险, 所以, 定为安全开采区, - 250m到 - 720m为次安全 开采区, 而把 - 720m 到 - 850m 定为条件安全开采 区。另外, 对构造区和岩层破碎区划为构造突水危 险区。 综上所述, 可得到带压开采分区表 表 3。 表 3 高突危险水体上煤层带压开采分区 分区名称划分依据实例数据 开采 相对 安全 区 安全开采区 次安全开采区 条件安全开采区 深部突水危险区 正常条件下的 开采下限值 安全措施条件 下开采下限值 - 250m - 250m - 720m - 720m - 850m - 850m 构造突水危险区构造区或岩层破碎带 备注 对于整个井田, 首先要根据自然条件 划分大的不同区域 52 带压开采各分区安全措施 1预测预报 建立多因素突水预测预报模型, 对矿区带压开 采分区进行预测, 结合地面或井下物探手段、 井下超 前探水手段, 对重点区段进行验证。 2疏水降压 实践证明, 疏水降压法是避免矿井突水的积极 有效的措施。但由于肥城煤田水文地质条件复杂, 五灰、 奥灰的间距小, 补给水源充足, 无法实现疏干 采煤。四灰实施疏水降压开采是可能的。 3注浆改造 煤层底板含水层注浆改造技术主要针对构造 带、 裂隙发育地带和富水区域。沿工作面下顺槽大 面积布置注浆钻孔, 通过注浆钻孔注浆来充填底板 灰岩含水层的岩溶裂隙和导水裂隙, 从而大大减弱 含水层的富水性并切断水源补给通道, 改变其富水 条件, 有效地防止水害事故的发生。 4强制放顶 大面积悬顶对老顶岩梁形成板状支撑, 使岩梁 的断裂受到限制, 一定程度上加大了老顶来压的剧 烈程度, 严重时会造成垮面。同时, 对于底板裂隙发 育, 受五灰承压水威胁的工作面, 由于面后大面积悬 顶, 增加了矿压对底板破坏程度, 并产生新裂隙, 弱 化了底板注浆加固效果, 在承压水的顶托作用下易 造成突水淹井。由此可见, 采取科学的人工放顶是 非常重要的。 5辅助防治水措施 主要从以下几个方面考虑 合理留设防水煤柱、 分区隔离、 增加矿井排水抗灾能力、 建立健全水文观 测系统、 完善井下突水点快速封堵技术、 加快推进速 度, 减少矿压对底板的破坏。 6 主要结论 1根据实测及模拟结果初步确定了采动引起 的底板三带范围, 底板岩层最大破坏深度为 30m 左右。 2根据突水系数、 导水带深度、 导升带高度和 经验数据, 确定了陶阳矿 8煤正常条件下带压开采 的下限 - 720m 以及安全措施条件下的下限 - 850m 。 3初步形成了高突危险水体上煤层带压开采 的分区分类结果, 即, 划分了 开采相对安全区 安 全开采区、 次安全开采区、 条件安全开采区 、 深部 突水危险区、 构造突水危险区 。为确定高突危险 水体上煤层的安全开采技术与工艺奠定了理论 基础。 参考文献 [ 1] 王作宇, 刘鸿泉 承压水上采煤 [ M ]. 北京 煤炭工业出版 社, 1992 [ 2] 尹尚先. 煤矿区突 涌 水系统分析模拟及应用 [博士学位论 58 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 第 6卷 文 ] [ D]. 北京中国矿业大学, 2002 [ 3] 尹尚先,虎维岳, 刘其声, 等. 承压含水层上采煤突水危险性评 估研究[ J]. 中国矿业大学学报, 2008 , 37 3 311 315 Y I N Shangx ian, HU W eiyue , LI U Q isheng, et a.l R isk assess ment for water inrush from confined aquifers located under coal seams[ J]. 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