老空區水體下薄煤層聯合開采的安全性評價
摘 要 以現場實測結果為基礎，利用反演03manbetx
和數值模擬計算手段對趙坡煤礦四采區下山部分距老空區水體下極限距離的16#、17#薄煤層聯合開采的安全性進行了評價，並製定了相應的開采方案和技術措施，保證了生產的順利進行。
關鍵詞 老空區水體；薄煤層聯合開采；安全性評價
中圖分類號：TD823.89 文獻標識碼：A
文章編號：1005-2763(2000)03-0001-04
Evaluation of the Safety of Combined Mining of Thin Seams under Water Body in Mined Area
ZHANG Wen-quan，XIAO Hong-tian，ZHANG Hong-ri
(Shandong University of Science and Technology,Taian City,Shandong 271019,China）
KONG Ling-zhen，WANG Xu-cheng
（Zhaopo Coal Mine,Tengzhou,Shandong 277100,China)
Abstract On the basis of site actual measurements,the safety of the combined mining of 16#and 17#thin seams under water body in the 4th mining area of Zhaopo Coal Mine was evaluated by means of inversion analysis and numerical modeling.Some relevant mining scheme and technical measures were worked out so as to ensure smooth production.
Key Words Water body in mined area;Thin seams;Combined mining;Safety evaluation
趙坡煤礦是棗莊市的一個中型地方礦，目前開采煤層共有4層，分別為12#、14#、16#、17#煤層，煤層厚度均不大。四采區下山部分12#、14#煤層已回采完畢，老采空區內儲存了大量的水(老空水)。其水體正下方是16#、17#煤層聯合開采布置的一對工作麵。初步估計16401工作麵頂板至14#煤層底板的有效岩柱厚度與防水安全煤岩柱厚度極為接近，因此，上部老空區水體的存在對下部16#、17#煤層的開采將帶來極大的威脅。若此煤不采，趙坡煤礦不僅浪費了極為有限的資源，而且導致嚴重的采掘失調，損失很大。為此，該礦與山東科技大學合作，對16#煤層所造成的覆岩導水裂隙帶發育高度進行了現場探測，並進行了覆岩破壞數值模擬03manbetx ，據此反演03manbetx 了16#、17#煤層聯合開采覆岩裂隙高度和12#、14#煤層聯合開采對底板的采動破壞深度。對16#、17#煤層聯合開采進行了安全性評價，製定了開采方案和相應的安全技術措施。
1 覆岩導水裂隙帶探測
1.1 覆岩導水裂隙帶高度預計
極限距離老空水下的礦層開采是否安全，關鍵在於覆岩導水裂隙帶高度的準確確定。為了取得趙坡礦16#煤層開采覆岩導水裂隙帶高度的實測資料，首先在了解欲實測工作麵(已采)地質開采條件的基礎上，進行采動覆岩導水裂隙帶高度預計，然後製定出合理有效的觀測方案及工程設計。
根據趙坡礦的地質采礦具體條件，我們選擇了16#煤層16201工作麵進行了覆岩導水裂隙帶高度實測。16#煤層的平均厚度為1.23 mm，傾角平均8°，頂板岩層屬於中硬類型。采用炮采，全部垮落法管理頂板。根據有關公式計算，其導水裂隙帶高度為31.91 mm。
1.2 觀測工程布置
本次研究利用我們研製的新產品——前端泄漏式多回路注(放)水觀測係統，根據現場條件采用了下斜孔，觀測鑽孔布置如圖1所示。然後按微分方式分段注(放)水進行觀測，根據注(放)水量判定采動冒裂帶最大高度。
圖1 井下觀測鑽孔布置圖
1.3 現場觀測資料03manbetx
16201工作麵觀測試驗孔微分方式注水漏失量觀測結果見圖2所示。
圖2 鑽孔漏失量觀測結果
1.3.1 采前孔觀測資料分析
采前孔(98-4#)鑽進深度為40 m，實際觀測深度為35 m，從分段注水漏失量觀測結果來看，在4 m位置處漏失量較小，在10 m位置處漏失量相對較大，而21.5 m位置處漏失量則不大，說明底板岩石的原生裂隙比較發育。鑽孔施工完成後，封閉在鑽孔內部的水量沒有明顯減少，這說明即使該鑽孔內部有小的裂隙存在，但這些裂隙並不具有連通性，僅僅是局部裂隙而已。
1.3.2 采後孔觀測資料分析
進行了3個采後鑽孔的觀測。由於采用下斜孔，鑽孔施工過程中，其鑽進用水大量流失的位置即是下方裂隙帶較大裂隙發育的位置(相當於簡易水文觀測法)。98-1#、98-2#、98-3#3個采後孔鑽進用水量流失的位置分別為22.5，18.25，15.75 m。
根據采後3個鑽孔的注水觀測結果，與采前鑽孔的觀測結果相比，可以看出從孔口開始的2～6 m段，均有不同程度的漏失量，說明在這個位置的孔段上，12#煤層底板岩層的裂隙是由於巷道施工過程中形成的圍岩鬆動圈導致了鑽孔的淺部漏水。
在14～18 m段，98-2#孔有漏水點，但與下方22～24 m漏水段又有4 m岩柱的間距，而98-1#孔在17 m處有漏水點，98-3#、98-4#兩孔則無漏水點，檢驗鑽孔柱狀，該段為15#煤層，一般原生裂隙發育，說明該段漏水點是15#煤層局部的原生裂隙而非采動導水裂隙。
98-1#(直孔)孔實際觀測深度為20 m，反算16#煤層頂板覆岩高度是32 m，該孔除17 m處有因岩層原生裂隙發育的漏水點外，其餘孔段均不漏水，這說明16#煤層頂板覆岩至少從32 m以上未破壞。98-3#(傾角6°)孔實際觀測深度為29.5 m，除孔口2～6 m段有漏水外，隻有29 m位置處(反算為16#煤層頂板覆岩高度是23 m)才有一比較小的漏失量，在整個鑽孔的其它深度均沒有漏水點。而29 m位置處岩層為中砂岩，岩層本身致密，對比采前孔此深度處並無因岩層原生裂隙發育的漏水，因而此處為采動裂隙，亦即從該孔測試結果表明16#煤層頂板覆岩采動導水裂隙帶高度是23 m。而98-2#(傾角3°)孔實際觀測深度為25 m，距孔口2～6 m段，鑽孔亦有少量的漏水，再往鑽孔深部一直到14 m之前，均沒有漏水，從14～18 m段鑽孔漏失量較大，22～24 m段也有一定的漏失量，在鑽孔的其它孔段均沒有漏水。14～18 m段鑽孔漏水是因岩層原生裂隙發育，而22～24 m(反算為16#煤層頂板覆岩高度是27～30 m)段的漏水與14～18 m段不連續，同時22～24 m段岩層為粉砂岩，岩層本身也較致密，對比采前孔，此段並無因岩層原生裂隙發育的漏水，故此處為采動裂隙漏水。結合鑽孔鑽進時較大裂隙發育高度為22.5 m，並根據從該孔測試結果，分析出16201工作麵頂板覆岩包括微小的導水裂隙在內的采動裂隙帶最大高度為30 m。
2 聯合開采的安全性評價
2.1 力學模型和力學參數的反演
由於現場岩層的複雜性，室內測得的岩石力學參數與實際值有一定的差距，如何準確選取計算用的力學參數，是計算成功的關鍵。為達到能正確地分析和預測現場的情況，我們首先對16201工作麵上覆岩層結構進行了詳細分析，確定了計算模型和計算網絡，對該工作麵上覆岩層的破壞情況反複進行了計算模擬，得到了16201工作麵上覆岩層的點安全度和應力分析情況。圖3為該麵覆岩的點安全度分布情況。
圖3 16201麵覆岩點安全度分布圖
為便於分析，引入點安全度，對於完整岩體，點安全度定義為：
對於斷層或破碎帶，點安全度定義為：
式中，(x′，y′，z′)為斷層的局部坐標。f，c為岩體的摩擦係數和內聚力，φ為內摩擦角。
對於屈服區，PSF=1.0，破壞區PSF＜1.0，工程上通常要求PSF＞1.2。因此我們將點安全度
的區域劃定為煤層開采後覆岩破壞與危險的區域符合工程慣例，更符合煤礦安全生產的要求。分析點安全度分布情況，發現點安全度小於1.2的區域的最大高度為31 m，也就是說16201工作麵上覆岩層最大破壞高度計算模擬結果為31 m。這與該區岩體實測的導水裂隙帶發育最大高度數據比較吻合，所得力學參數與實測岩石力學參數也較為吻合。由此得到了分析此區的較為正確的力學模型和力學參數。
2.2 16#、17#煤層聯合開采覆岩裂隙帶高度分析
由於16#、17#兩煤層間距不足6 m，因此16#、17#兩煤層聯合開采可看成一煤層開采。利用反分析得到的力學模型和力學參數，可計算分析預測16#、17#兩煤層聯合開采導水裂隙帶的高度。圖4為16#、17#兩煤層聯合開采的點安全度分布計算分析結果圖。分析圖4點安全度的分布情況，可以看出點安全度小於1.2區域最大高度為28.5 m。由此得到16#、17#兩煤層聯合開采的導水裂隙帶最大高度為28.5 m。
圖4 16#、17#煤層聯合開采點安全度分布圖
2.3 12#、14#煤層聯合開采底板破壞深度分析
目前底板采動破壞帶深度回歸計算公式是由中厚及厚煤層分層開采的實測結果統計分析而來。對於類似趙坡礦這樣的薄煤層開采條件下的資料，統計數據中所含不多，因而單純用此統計數據計算出的底板采動破壞深度，準確度不便確定。從常規分析來說，薄煤層采出空間小，礦壓作用也小，因而造成的底板采動破壞帶深度較小。但具體減少的數值則不易確定。我們采用數值分析來解決此問題。16401工作麵導水裂隙帶的高度，是利用反分析得到的力學模型和力學參數，進行計算分析預測得到的。因而16401工作麵上方，12#和14#兩煤層聯合開采的底板采動破壞帶深度也可以利用此力學模型和力學參數來進行計算分析預測。分析點安全度的分布情況(見圖5)，可以看出點安全度小於1.2的區域最大深度為9 m。由此可以認為12#和14#兩煤層聯合開采底板采動破壞帶深度為9 m。這比公式預計結果小許多，加之，12#煤層底板為石灰岩，彈模大，強度高，因而抵抗斷裂破壞作用較強，假使斷裂破壞突破此灰岩層，其下14#煤層又屬塑性很強的岩層，可較好吸收斷裂能量，減緩其破壞力度。同時，14#煤層底板又含有遇水膨脹物質，也就是說，12#和14#兩煤層聯合開采底板采動破壞帶深度有可能比數值模擬結果還要小一些。為安全起見，仍取其破壞深度為9 m。
圖5 12#、14#煤層聯合開采點安全度分布圖2.4 16#、17#煤層聯合開采安全性分析
根據《建築物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采01manbetx 》中相關規定，結合趙坡礦的具體地質采礦條件，16401工作麵覆岩屬中硬岩層，其在12#、14#煤層老空區水下開采可作為鬆散層底部無粘土層的情況來處理，因此，其防水安全煤岩柱的保護層厚度應按下式計算：
式中：ΣM——采高；
n——分層層數。
代入相應數值，得到保護層厚度為：
Hb=6×1.2=7.2 m
考慮到16#、17#煤層聯合開采的導水裂隙帶最大高度為28.5 m，即HLi=28.5m，則防水安全煤岩柱的厚度為：HSH=HLi+Hb=28.5+7.2=35.7 m。
根據前麵分析可知，12#和14#煤層聯合開采底板采動破壞帶深度約為9 m，因而16401工作麵頂板至14#煤層底板的有效隔水岩柱厚度為16401工作麵頂板至14#煤層底板的最小距離(45.5 m)減去12#和14#兩煤層聯合開采底板采動破壞帶深度(9 m)，即有效隔水岩柱厚度為36.5 m。可見HSH小於有效隔水岩柱厚度。因此，16#、17#煤層聯合開采從理論上講是安全可行的，但已接近臨界狀態。並且，由於存在定位、測量誤差等方麵的因素，尤其是工作麵內的小斷層往往容易被忽視，但是許多事實證明小斷層的切割並不一定不深，已有資料亦證實在斷層帶覆岩導水裂隙帶發育高於正常區域，這就造成頂板有效隔水層的厚度大大減小。而16401工作麵頂板至14#煤層底板的有效岩柱厚度減去防水安全岩柱厚度後，所餘岩柱厚度較小，僅有0.8 m。因此，采動裂隙(尤其在斷層附近)可能與上方老空水溝通，導致產生安全問題。但礦校雙方技術人員經過仔細研究認為，本礦區煤層厚度無突變現象，小斷層的切割並不太深。因此，采動裂隙一般不會與上方老空水溝通。即使溝通也是發生在覆岩破壞帶上部的微小裂隙處，工作麵湧水量必將增加，但不會危及人員生命安全。故本區開采時，工作麵可按正常尺寸設計，但上下兩煤層開采錯開距離應比正常距離加大，同時在采取周密的防排水等安全措施後，方可進行開采。
3 結束語
井下鑽孔鑽進時以簡易水文法測得的16201工作麵頂板采動導水裂隙帶最大裂高是22.5 m，利用山東科技大學特有的新技術——前端泄漏式多回路注(放)水係統，探測到的最大裂高是30 m。考慮12#、14#煤層聯合開采所造成的底板破壞深度(9 m)，按裂高是22.5 m來分析，14#與16#煤層(間距45 m)之間仍有13.5 m的保護岩柱，16#煤層開采時不會出現上方老空水滲漏現象，而按裂高是30 m分析，14#與16#煤層之間已無保護岩柱，微小裂隙將與上方老空水溝通，16#煤層開采時將出現老空水滲漏現象，在斷層附近還可能有老空水潰出的危險。實踐證明正如上述分析。16#煤層16401工作麵自切眼開始推進至40多米時，頂板僅有0.15 m3/min的湧水量。推進到90多米時，湧水量一直保持在0.15 m3/min左右，但此時該麵下方17#煤層工作麵剛推進6 m，由於受重複采動的影響，采動裂隙(尤其上部微小裂隙)高度增大，導致裂隙與上方老空水溝通，從17#煤層工作麵切眼位置一小斷層破碎帶處湧出老空水，最大湧水量達1.5 m3/min。由於防排水等安全措施實施得力，此老空水湧出未危及人員安全，隻是增加了排水費用，提高了噸煤成本。但隨上方老空水的部分疏降(實際觀察)，水壓力減小，加之，頂板岩層回落壓實，裂隙(尤其上部微小裂隙)閉合，滲透性降低，水量逐漸減少至0.1 m3/min，生產轉入正常，這比購置大流量水泵，全部排空老空水，節約了近百萬元。
由此表明，類似趙坡礦有效岩柱厚度較小，甚至達到極限的近距離老空水下的煤層開采，在采取正確的開采方案和周密的防排水等安全措施後是可以進行的，經濟效益也十分明顯。
山東省自然資助項目
張文泉，博士，副教授，主要從事采礦技術研究．
張文泉（山東科技大學，山東 泰安 271019）
肖洪天（山東科技大學，山東 泰安 271019）
張紅日（山東科技大學，山東 泰安 271019）
孔令珍（趙坡煤礦，山東 滕州 277100）
王緒成（趙坡煤礦，山東 滕州 277100）
參考文獻
1，北皂煤礦，山東礦院特采所.北皂煤礦煤
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