特厚煤層綜放開采覆巖破壞及煤柱安全性研究

特厚煤層綜放開采覆巖破壞及煤柱安全性研究

隨著大型礦部資源的逐漸枯死、國家戰(zhàn)后的高產(chǎn)政策的實(shí)施，以及采礦許可門檻的提高，許多不符合安全和生態(tài)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的礦山被關(guān)閉。針對(duì)閉坑礦井水害問題，黃炳香等研究較為特殊之處在于兩礦相鄰且以大斷層為界，原始斷層的導(dǎo)、含水性差。閉坑礦工作面已開采至斷層處，采空區(qū)向邊界斷層充水，并且閉坑水壓按井田含水層最大水位考慮，鄰礦受閉坑礦井充水影響較大。為此以三河尖煤礦和姚橋煤礦西翼采區(qū)采礦、水文地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，采用非線性三維數(shù)值計(jì)算軟件FLAC1井面積總結(jié)1.1采水和采礦條件1.2圍巖變形情況綜合分析根據(jù)礦井的地質(zhì)概況以及工作面開采過程中引起的圍巖變形情況綜合分析認(rèn)為，兩礦工作面開采的圍巖破壞是否連通；三河尖礦采空區(qū)積水后滲流場(chǎng)是否與姚橋礦工作面破壞場(chǎng)連通。2數(shù)值模擬2.1工作面方案確定針對(duì)三河尖煤礦閉坑后，該礦7煤工作面與姚橋礦7煤工作面間隔煤柱的安全性問題。模擬兩礦7號(hào)煤相鄰兩面開采引起的覆巖破壞情況為方案1；在采空區(qū)充水加壓后滲流場(chǎng)與破壞場(chǎng)耦合云圖的貫通情況為方案2。方案簡(jiǎn)介及具體步驟如下所述：1）方案1。根據(jù)鉆孔的揭露情況，模擬三河尖礦7煤與相鄰姚橋礦7煤工作面開采，并觀察圍巖塑性破壞區(qū)發(fā)育及貫通情況。三河尖煤礦7煤7409工作面推進(jìn)方向基本垂直于井田邊界沿剖面平行向右，其工作面長度為147m，推進(jìn)160m，且一次性推進(jìn)完畢；姚橋煤礦7煤1103工作面推進(jìn)方向基本垂直于井田邊界沿剖面平行向左，其工作面長度設(shè)置為120m，設(shè)計(jì)推進(jìn)長度依次為100、150、200m。2）方案2。在確定導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育到最高后，分別考慮不導(dǎo)水?dāng)鄬雍蛯?dǎo)水?dāng)鄬?種情況下，對(duì)三河尖煤礦工作面采空區(qū)充水加壓，而姚橋煤礦一側(cè)由于礦井排水，則沒有大范圍積水，相對(duì)水位為“0”。三河尖煤礦最高充水水源為第四系松散層含水層，故井田最終平衡水位將與第四系松散層水位一致，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料可知，本區(qū)內(nèi)第四系松散含水層最高水位為+34m,7409工作面相對(duì)姚橋工作面采深為-929m，計(jì)算可得三河尖7409工作面閉坑后的水壓為9.63MPa，由其滲流場(chǎng)與姚橋煤礦相應(yīng)工作面破壞場(chǎng)的耦合云圖論證煤柱的安全性。2.2模型劃分單元分布基于FLAC模型長1000m，寬200m，高700m，整個(gè)模型共劃分為168480個(gè)單元，共有183015個(gè)節(jié)點(diǎn)；并且使用接觸面模擬F3模擬結(jié)果3.1巖石變形和破壞3.1.1工作面進(jìn)入期的確定三河尖煤礦7煤7409工作面采空區(qū)對(duì)應(yīng)姚橋煤礦7煤工作面的推進(jìn)長度為100、150、200m，開切眼距F1）在姚橋煤礦7煤工作面推進(jìn)過程中，對(duì)應(yīng)垮落帶和導(dǎo)水?dāng)嗔褞Р粩喟l(fā)育。垮落帶高度隨著工作面推進(jìn)長度的增加，在工作面推進(jìn)100m時(shí)，其垮落帶高度基本上已經(jīng)發(fā)育到最大高度。導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨劝l(fā)育過程為，當(dāng)工作面推進(jìn)到100m時(shí)其值較?。划?dāng)推進(jìn)到150m時(shí)其值有較大程度的增加；當(dāng)推進(jìn)到200m時(shí)，破壞區(qū)域雖有所增大，但高度的變化不大，這時(shí)候可以基本確定導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育到最大高度。經(jīng)過測(cè)量得出河尖礦7煤充分采動(dòng)時(shí)“兩帶”高度分別為36.17、79.53m，姚橋礦7煤分別為34.58、77.37m。2）在破壞高度發(fā)育到最大時(shí)，各個(gè)剖面的相對(duì)兩面的塑性破壞區(qū)并沒有貫通，故可以斷定在三河尖煤礦7煤采空區(qū)未積水的情況下，兩礦各自所留設(shè)的煤柱尺寸，可以滿足姚橋煤礦7煤相應(yīng)工作面的回采要求。3.1.2應(yīng)力集中采空區(qū)姚橋煤礦7煤工作面推進(jìn)200m時(shí)，選取剖面y=100上的豎直應(yīng)力云圖來分析兩對(duì)應(yīng)工作面煤柱留設(shè)尺寸的安全性。在此剖面位置上，兩對(duì)應(yīng)工作面垮落充分，采空區(qū)邊緣應(yīng)力集中明顯，具有針對(duì)性。兩礦對(duì)應(yīng)工作面豎直應(yīng)力等值線圖如圖4。1）三河尖姚橋兩工作面采空區(qū)上部出現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)域，覆巖應(yīng)力主要由采空區(qū)圍巖及周圍煤柱承擔(dān)，引起采空區(qū)四周豎直應(yīng)力升高，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。集中最大值位于煤柱距離采空區(qū)邊緣約10～40m之間，壓應(yīng)力最大達(dá)到5.7MPa，該處應(yīng)力集中區(qū)大致與對(duì)應(yīng)采空區(qū)導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度相一致，并且底板應(yīng)力降低，也向煤柱內(nèi)部轉(zhuǎn)移，其應(yīng)力集中區(qū)大致與底板破壞深度相一致。隨著所處位置與采空區(qū)范圍距離的增大，其應(yīng)力集中程度逐步減弱。2）在鄰近煤層頂板“0”等值線內(nèi)的區(qū)域主要是拉應(yīng)力區(qū)域，最大拉應(yīng)力為1.2MPa當(dāng)拉應(yīng)力區(qū)域有微裂隙時(shí)，在裂隙的端部產(chǎn)生應(yīng)力集中，頂板巖層中的拉應(yīng)力集中系數(shù)變得更大，由于巖石抗拉強(qiáng)度很低，出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)時(shí)，該區(qū)域巖石極易垮落。因而，該區(qū)域與垮落帶高度相對(duì)應(yīng)。3）兩礦對(duì)應(yīng)工作面間隔煤柱上的應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在采空區(qū)邊緣，相距較遠(yuǎn)的區(qū)域未出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象；并且在間隔煤柱周圍，除過在其上方較遠(yuǎn)處，受斷層影響，出現(xiàn)應(yīng)力突變外，其余區(qū)域沒有出現(xiàn)以上應(yīng)力異常情況；此外，在斷層附近圍巖受壓應(yīng)力，故在該區(qū)域巖體中不易生成裂隙而降低巖體穩(wěn)定性和整體性。綜上可知，兩礦對(duì)應(yīng)工作面間隔煤柱在應(yīng)力上是安全的。3.2滲透場(chǎng)的變化3.2.1儲(chǔ)層滲流場(chǎng)向非均一特征邊界水壓力變化規(guī)律通過采掘工程揭露表明，F(xiàn)1）從圖5可以看出，工作面兩端頭圍巖的滲流速度大于中部圍巖的滲流速度，在距工作面兩端頭20m左右的工作面范圍內(nèi)的滲流速度大。靠近斷層處，沿?cái)鄬臃较虻臐B流速度大于其余方向的滲流速度，且隨著距工作面的距離逐漸增大，滲流速度逐漸減小。2）孔隙水壓力由工作面向四周逐步擴(kuò)散，并不斷減小，在某個(gè)臨界面變?yōu)?，將此臨界面視為滲流場(chǎng)的臨時(shí)邊界?？紫端畨毫ψ兓€圖如圖7。從圖7可以看出，隨著模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)與煤層頂板豎直方向上的距離不斷增加，孔隙水壓力逐漸減小，從60m開始孔隙水壓力開始急劇下降，與導(dǎo)水?dāng)嗔褞У陌l(fā)育高度相符合。3）在圍巖塑性破壞場(chǎng)與滲流場(chǎng)耦合的過程中，塑性破壞區(qū)滲透系數(shù)急劇變化，滲流場(chǎng)邊緣為不連續(xù)狀態(tài)，塑性破壞區(qū)對(duì)其產(chǎn)生導(dǎo)向作用。在擴(kuò)散至斷層時(shí)，有沿著斷層向下移動(dòng)的趨勢(shì)，最大向下擴(kuò)散距離為106m。4）三河尖煤礦工作面在滲流擴(kuò)散過程中沿F3.2.2斷層-水壓力場(chǎng)由于F1）從圖8可以看出，工作面兩端頭圍巖的滲流速度大于中部圍巖的滲流速度，在距工作面兩端頭20m左右的工作面范圍內(nèi)的滲流速度大?？拷鼣鄬犹?，沿?cái)鄬臃较虺霈F(xiàn)了明顯的滲流通道，且相比于不導(dǎo)水?dāng)鄬訚B流速度更大。隨著距工作面的距離逐漸增大，滲流速度逐漸減小。2）導(dǎo)水?dāng)鄬涌紫端畨毫?chǎng)整體與斷層的地質(zhì)特征一致；沿著斷層上下盤形成一定的滲流場(chǎng)。斷層的橫斷面積非常大，在相同水力條件下，滲透區(qū)域遠(yuǎn)大于其它特殊的導(dǎo)水構(gòu)造。3）孔隙水壓力由斷層向四周擴(kuò)散，并不斷減小，在某個(gè)臨界面變?yōu)?；將此臨界面視為滲流場(chǎng)的臨時(shí)邊界。沿?cái)鄬幼畲笙蛳聰U(kuò)散距離為322m。4）當(dāng)滲流場(chǎng)靠近圍巖塑性破壞場(chǎng)時(shí)，塑性破壞區(qū)滲透系數(shù)急劇變化，滲流場(chǎng)邊緣為不連續(xù)狀態(tài)，塑性破壞區(qū)對(duì)其產(chǎn)生導(dǎo)向作用。5）相對(duì)于不導(dǎo)水?dāng)鄬樱瑵B流場(chǎng)沿?cái)鄬用嫦蛳卵由?，波及范圍明顯增大。但姚橋煤礦工作面塑性破壞場(chǎng)并未與三河尖礦工作面的滲流場(chǎng)貫通，說明三河尖煤礦工作面在充水加壓的情況下，姚橋煤礦工作面充水量小，工作面可安全回采。4工作面剖面位置的確定1）三河尖礦7煤為36.17、79.53m，姚橋礦7煤開采“兩帶”高度為34.58、77.37m，兩礦工作面開采的破壞區(qū)域均未出現(xiàn)重疊導(dǎo)通的現(xiàn)象，并且間距較大，滿足對(duì)煤柱安全性的要求。2）