深部下组煤首采面带压试采奥灰突水危险性分区评价

刘 彬 朱术云 刘 军 宋淑光 王成田

(1.中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏 徐州 221116；2.河北中核岩土工程有限责任公司，河北 石家庄 050021；3.淄博矿业集团有限公司岱庄煤矿,山东 济宁 272175)

深部下组煤首采面带压试采奥灰突水危险性分区评价

刘 彬1朱术云1刘 军2宋淑光3王成田3

(1.中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏 徐州 221116；2.河北中核岩土工程有限责任公司，河北 石家庄 050021；3.淄博矿业集团有限公司岱庄煤矿,山东 济宁 272175)

为了探究华北型煤田深部下组煤底板带压开采安全可行性,以济北矿区某煤矿高承压水体下组煤首采面采掘为工程背景,结合在该面施工的9个奥灰钻孔和1个奥灰水文观测孔资料,运用突水系数法和底板岩层综合阻水强度法对正常块段奥灰突水的危险性进行预测评价与分区。分析表明奥灰突水值大于0.1 MPa/m的区域存在2处；而根据底板岩层综合阻水强度法计算，各个钻孔的综合阻水强度值均大于相应的实际水压值,并把实际水压值与其相应的综合阻水强度值作比值进行分析。2种方法对比分析表明,奥灰突水系数偏大的险区和实际水压与其相应的综合阻水强度的比值大的分布区域基本重合,比较符合实际情况。这为济北矿区及地质条件相似矿井煤炭资源向深部带压开采所引起的底板水防治提供了新的评价方法。

深部下组煤 奥灰水 首采面 突水系数 综合阻水强度法

我国以华北型煤田为主要开采对象的矿井经过了近10几年的超强度开采,目前浅部山西组(上组煤)资源量急速减少,为了延长矿井服务年限和提高煤炭资源回收率,准备开采太原组(下组煤)成为必要。为此，济北矿区、兖州矿区和肥城矿区等已开始进行下组煤补勘和开拓工作[1-2]。华北型煤田下组煤资源量丰富,但开采条件复杂,并深受下伏巨厚奥灰含水层的威胁[3-4]。国内相关学者已在这方面进行了大量研究,但对于济北矿区下组煤相应奥灰突水危险性规律研究较少[5-6]。本研究以济北矿区某煤矿深部下组煤首采面为研究背景,充分利用已有的勘探成果,结合首采面10个钻孔揭露的底板含水层水文地质资料,采用突水系数和综合阻水强度法对下组煤首采区底板奥灰水害潜势性及带压开采的安全条件进行了对比分析。

1 研究区概况

深部下组煤首采面位于济北矿区某矿1160采区内,工作面平均标高-560 m,宽度约58 m,长度约1 000 m,呈条带状分布。工作面开采过程中的直接充水含水层主要为十下灰岩和十三灰,而威胁最大的是底板深部的奥灰充水间接含水层,该含水层厚度大,水压较高,富水性好。根据首采面10个奥灰钻孔资料,底板主要由泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、中细粒砂岩和灰岩组成,奥灰水压变化不大,在4.55～4.85 MPa;奥灰顶板距离16煤底板仍存在一定程度的变化范围,在43.11～57.50 m,平均49.14 m,从北向南具有先增加到中间位置后又有逐渐减小的趋势。

2 奥灰突水危险性评价

突水系数法概念明确[7-9]，形式简单，参数易得，方便计算,为我国煤矿安全生产发挥了重大作用,但突水系数公式中没有体现岩层组合强度和结构性与阻水强度的关系,临界值是上世纪60年代针对浅部开采所提出的,对深部开采安全水害评价是否合适值得商榷。为此,对该评价区进行底板岩层奥灰阻水能力评价,一方面采用突水系数计算10个钻孔的奥灰突水系数值,并根据其分布规律进行危险性分区，另一方面结合伺服渗透试验结果,综合考虑阻水强度参数、岩体完整性指数(RQD)及岩层有效隔水层厚度,采用底板岩层综合阻水强度法进行评价。

2.1 突水系数

(1)计算公式的选取。1964年原煤炭工业部组织的焦作水文会战时首次提出了“突水系数”的概念[10-13]，几经改进和完善，但考虑突水系数临界取值的问题，至2009年年底国家安全生产监督管理总局和国家煤矿安全监察局联合颁布的《煤矿防治水规定》附录四中重新规定采用最初的公式进行突水系数计算。突水系数Ts计算式为

(1)

式中，P为煤层底板隔水层承受的水压,MPa；M为煤层底板隔水层厚度,m。

(2)计算结果与突水危险性分区。根据实测9个奥灰孔和1个水文观测孔的水压和隔水层厚度数据,结合式(1)对相应钻孔的奥灰突水系数值进行了计算(见表1)。为了探讨首采面奥灰突水危险性分布,使用Surfer软件进行处理并生成如图1所示突水系数等值线,并依据《煤矿防治水规定》进行了分区,对于突水系数≥0.10 MPa/m的区域定义为危险区,并用深色表示,如图1所示。突水系数等值线整体呈北高南低的变化趋势,在奥灰2#(0.107 9)和奥灰9#(0.113 0)钻孔附近突水系数偏大,有较大的突水危险性。

表1 奥灰阻水能力计算结果Table 1 Calculation of Ordovician limestone water blocking capability

图1 首采面奥灰突水系数等值线及危险性分区Fig.1 The contours of Ordovician limestone water inrush coefficient and the risk zoning at first working face

2.2 底板岩层综合阻水强度法

2.2.1 底板岩层综合阻水强度法原理

为了与突水系数评价结果进行对比分析，弥补突水系数的不足，可采用综合阻水强度法对该矿井下组煤首采区底板奥灰突水危险性进行评价。该评价方法主要是计算出奥灰顶部到开采煤层底板破坏带底部之间的综合阻水强度值(Pm)，然后和相应钻孔奥灰承压含水层的水压进行对比来评价突水危险性。底板岩层综合阻水强度(Pm)的物理意义为煤层底板岩层所具有的综合阻水抗压能力,单位为MPa,具体表达为

(2)

其中，hi为底板有效阻水岩层第i层等效厚度，m；δ为第i层的岩芯采取率，%；P0i为底板有效阻水岩层第i层平均抗渗强度,MPa/m,表达为

(3)

σmi为第i层岩块的临界抗渗强度,MPa，αi为岩层平均抗渗强度换算系数,1/m。

故式(2)可变为

(4)

2.2.2 相关参数的取值

2.2.2.1 岩层平均抗渗强度换算系数(αi)

岩层平均抗渗强度换算系数大小可以综合反映试验条件下所未能体现的一些因素对岩层阻水性能的影响,如岩石的抗水性、综合强度条件、底板岩层的实际受力状态等。该矿下组煤首采面底板岩层平均抗渗强度换算系数的取值,综合考虑了不同岩层的岩石综合强度(抗压强度、抗拉强度及抗剪强度)、伺服渗透试验所反映的岩石渗透能力与压力的关系特征及岩石的水理性质等因素，并根据相关资料整理,对比分析了相关压力水头与岩层厚度、岩石力学强度的关系特点,确定了该矿下组煤首采面底板不同岩组的平均阻水能力换算系数值，即泥质岩组为0.031,砂岩岩组为0.029,灰岩岩组为0.017。

2.2.2.2 岩块临界抗渗强度(σm)

伺服渗透试验结果表现了岩块由完整到破坏整个变形过程的相应渗透特点,反映了岩石的裂隙发育程度与渗透性的关系,由试验结果可以了解岩石的强度、结构及抗渗透性能之间的相互关系。

根据该矿下组煤首采面底板不同层位取样进行的伺服渗透试验结果,可得各岩组统计的临界抗渗透强度：泥质岩岩组0.736～1.64,砂岩岩组0.842～1.357,灰岩岩组0.788～1.801。

2.2.2.3 岩体结构的完整性参数(RQD)

根据该矿下组煤首采面底板奥灰注浆加固取芯资料整理分析，钻孔底板主要层位的RQD指标统计结果见表2。

表2 该矿下组煤首采面底板钻孔岩层RQD统计Table 2 RQD statistics of the floor borehole at first working face of lower group coal seam

2.2.2.4 有效阻水岩层厚度

有效阻水岩层厚度为下组煤首采面开采煤层底板到奥灰含水层厚度减去采动底板变形破坏深度。由于该矿下组煤首采面目前还没有开采,导致采动底板破坏深度值无法通过现场实测来获得,因此,采用数值模拟的方法对底板变形破坏深度进行预测。

(1)模型建立与相关参数选取。根据该矿相关资料进行综合分析,结合边界条件和初始条件可得本次数值模拟完整底板情况下的工程地质平面分析模型，见图2。

图2 矿下组煤首采面数值模拟工程地质模型Fig.2 Numerical simulation of the engineering geological model at first working face of lower group coal seam

根据该矿深部下组煤底板地质资料及岩芯的物理力学性质指标试验测试结果,并根据相关公式进行相应折减作为本次数值分析的计算参数。表3为具体的工程地质岩组的分类及岩体力学计算参数指标。

表3 计算模型中的岩组物理力学参数Table 3 The physical and mechanical parameters in calculating model

模型底部边界采用全约束边界条件,煤层顶板采用自由边界条件,左右边界采用Y方向固定,Z方向自由的边界条件。模型计算高度范围以上的岩层及松散层作为外载荷施加于模型的上边界。煤层沿走向开切眼处距离左边界100 m,停采线位置距离右边界100 m,开采长度220 m；沿倾向开采宽度60 m,两侧各预留120 m的保护煤柱。

老巴自斟自酌地饮了酒。他满是酒意，摇晃着走到阿东的床边，说：“罗爹爹和细婆他们的话说得都蛮对，但是听不得。”

在计算范围内模型取走向剖面,顶板以上岩层不必进行全部模拟,部分以γH表示出来。模型上边界平均深度540 m,按至地表的岩体自重施加垂直方向的载荷(σy=γH)约13.5 MPa。因此岩体垂直应力为顶板以上岩体自重应力作用,根据实际地质条件,模型采取三维条带开采形式,模型长度为420 m,高度为112 m,宽度为300 m,开采16煤层厚度2 m。

为了反映所研究问题的内在本质,所建立的本构模型和破坏准则要很好地反映岩体材料本身的物理力学状态,本次计算选择了Mohr-Coulomb材料模型。数值模型采用四节点的四边形等参单元，共划分单元44 100个，节点47 988个。

(2)数值模拟结果与分析。根据条带开采特征,本次模拟首采面条带煤层开采长200 m,宽60 m,高2 m。在工作面推进的过程中对于顶板没有进行特别的支护,按照现场实际情况任其自行垮落。

根据塑性区分布图(见图3),煤层底板塑性区主要类型为拉张破坏,最大塑性区位置出现在采空区两端的支撑煤壁下部,采空区中部的煤层顶底板出现局部拉张屈服。16煤开采后,采空区下方单元发生剪切或拉张屈服的区域近似呈鞍形。由于本工作面煤层底板岩性多为泥岩、粉砂岩和煤层组合,强度相对较低,在发生剪切或拉张破坏后,在围压作用下岩体易于变形破坏,故一般可将这种塑性区作为确定底板破坏深度的依据。根据塑性区分布规律,可以大致判断底板破坏深度约为10.0 m。

图3 工作面推进方向塑性区分布Fig.3 Plastic zone distribution in the direction of working face advance

2.2.3 底板阻水能力评价结果

根据首采面10个相关奥灰钻孔所揭露的煤层底板岩层资料,主要由砂岩、粉砂岩、泥岩和薄层灰岩等沉积岩层组成。如表1所示各个钻孔含水层实际水压与其阻水强度之比,当两者之比越大,底板突水风险较高,突水风险越高；当两者之比越小,底板突水风险较低,相对安全。由表1可以看出,含水层的阻水强度介于5.13～7.44 MPa,比值介于0.618～0.945,同时在奥灰注浆孔2孔(0.901)和9孔(0.791)附近,水压与阻水强度的比值最大,与图1所示危险区范围基本重合。

为对比2种方法的评价结果,根据表1相关数据,运用Surfer 软件生成实际水压与综合阻水强度比值等值线图,如图4所示。根据图4可以看出,评价区范围内突水风险性较大的区域仍在奥灰注浆2孔(0.901)和9孔(0.791)附近,其余部分相对较小。通过图1与图4对比分析可以看出,实际水压与综合阻水强度比值等值线分布规律和突水系数等值线分布规律基本一致,两者的最大值均在评价区的奥灰注浆2孔和9孔附近。

3 结 论

(1)根据首采面钻孔资料按照最新的相关规定计算了奥灰的突水系数值。完整地段奥灰突水系数值在0.084～0.106,几乎都处于《煤矿防治水规定》的临界突水系数值0.10附近,存在带压开采的突水危险性,可能对回采会造成较大的安全隐患。

(2)采用底板岩层综合阻水法对首采面底板的奥灰突水危险性进行了计算。详细分析了该方法的相关参数的选取,分别对10个钻孔底板的奥灰综合阻水强度进行了计算,并与奥灰含水层实际水压进行对比,两者比值均小于1,但在奥灰钻孔2孔和9孔附近比值最大。

图4 首采面奥灰阻水强度比值等值线Fig.4 Contours of the ratio of Ordovician limestone water blocking strength at first working face

(3)2种方法对首采面评价结果基本一致。突水系数法和综合阻水强度法所计算的奥灰突水危险性最大区域均在奥灰钻孔2孔和9孔附近,建议对这2个位置采用超前探测与注浆加固，以提高其阻水能力,确保该工作面安全回采。

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(责任编辑 徐志宏)

Evaluation of Ordovician Limestone Water Inrush Risk Zoning for First Working Face under High Pressure of Deep Under-group Coal Mining

Liu Bin1Zhu Shuyun1Liu Jun2Song Shuguang3Wang Chengtian3

(1.SchoolofResourcesandEarthScience,ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou221116，China; 2.HebeiNuclearIndustryofChinaGeotechnicalEngineeringCo.，Ltd.，Shijiazhuang050021，China; 3.DaizhuangCoalMine，ZiboMiningGroupCo.，Ltd.，Jining272175，China)

In order to explore the feasibility for safe mining under pressure of North-China-type deep lower-group coal seam floor，with the first working face of the lower-group coal with high pressure water in Jibei mining area as an engineering background，combining with nine Ordovician limestone boreholes′ and one Ordovician limestone hydrological observation hole′s data，predicting assessment and zoning of the Ordovician limestone water inrush risk at normal block were analyzed with the water inrush coefficient method and integrated water blocking strength method of floor strata.The analysis showed that there are two regions with the Ordovician limestone water inrush values greater than 0.1 MPa/m.But according to the comprehensive water blocking strength calculation of floor strata，the integrated water blocking strength value of each borehole was greater than its corresponding actual pressure value，and then the ratio of actual pressure value to its corresponding integrated water blocking strength is analyzed.The results indicated that if Ordovician limestone water inrush coefficient is larger，the region with big ratio value of the actual water pressure to its corresponding integrated block water intensity just exists in dangerous zone.It is line with the actual situation.This research provides a new evaluation method for the floor water control during the transition to deep exploitation of coal resources under pressure in Jibei mining area or other areas with similar geological conditions.

Deep lower-group coal，Ordovician limestone water，First working face，Water inrush coefficient，Comprehensive water blocking strength

2014-02-04

国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(编号：2013CB036003)，中国博士后科学基金面上项目(编号：2013M541758)。

刘 彬(1990—),男,硕士研究生。

TD12

A

1001-1250(2014)-05-146-05