缩小防水煤柱开采技术

缩小防水煤柱开采技术（共4篇）

缩小防水煤柱开采技术 篇1

摘要：本文主要从矿井防水煤柱开采的现状入手, 分析水文地质条件, 接着对目前设计防水煤柱资源解放情况进行简单的描述, 发现解放和回收设计防水煤柱资源面临的主要问题和任务, 并提出对策。

关键词：矿井,缩小防水煤柱开采技术,措施

随着科技水平的不断发展, 矿井缩小防水煤柱开采技术也得到了提升。矿井的开采工作一直是我国高度关注的重点工作之一, 它直接关系到我国工业企业的发展, 进而影响我国经济命脉, 甚至动摇国之根本。所以, 对与矿井有关的开采技术进行深入研究显得十分不要。

1 防水煤柱开采现状

我国煤矿资源分布广泛, 就华北东部地区而言, 存在许多大型煤田, 而这些煤田则以隐伏型为主, 也就是说, 这些煤田在煤层的上方都有130m到300m的巨厚松散层, 而松散层下方又会存在含水层, 这就增加了开采的难度。为了提高开采的安全性, 对于这类煤田的开采与前期设计工作, 都会在现场设置60m到80m的露头防水煤柱。正常情况下这些防水煤柱数量非常多, 覆盖范围广, 极易造成煤矿资源的浪费。

2 水文地质条件分析

水文地质条件的分析都是与煤矿的具体情况相关联的, 所以本文就以华北东部的煤矿为例进行分析研究。

1) 地表水。由于这一地区大多的矿井都处在地势比较平坦的地方, 地面标高大概为28m, 左右区间2m。对于地表水的分析主要是研究经过这一煤矿附近的河流一共有哪些, 以及这些河流的雨季和枯水期, 用来确定开采时间段的水位高低以及开采难度, 以便做好前期准备, 降低开采过程中事故发生的可能性。2) 含、隔水层 (组、段) 。含、隔水层其实是两个概念, 一是含水层, 就是水分丰富的结构层, 一个是隔水层, 就是用来隔绝水分的结构层, 也就是没有水分的结构层。含水层和隔水层是相间出现在松散层中, 在煤矿开采前一定要对含水层和隔水层的具体情况进行详细了解。3) 各含水层的补给、排泄及水力联系。含水层又有第一含水层, 第二含水层以及第三含水层等。其中, 第一含水层的上方是潜水, 通过大气降水以及地表水渗透进行补给, 然后通过蒸发进行排泄;而第二、第三含水层的补给方式主要是靠上一含水层补给, 通过侧向径流进行排泄。

3 目前设计防水煤柱资源解放情况

我国法律中对煤矿开采时设计防水煤柱有明确规定, 同时, 为了缩小没煤矿资源的浪费, 在“三下”开采规章中提到, 确保安全生产的前提下, 可以对防水煤柱的尺寸进行适当的缩小。防水煤柱的设计, 通常前期需要做很多探测工作, 包括水文、地质条件的等的分析与研究, 为了合理缩小防水煤柱的尺寸, 需从多个工作面以及不同幅度进行, 以确保安全性和经济效益。

1) 缺乏新生界水文地质补勘。正常情况下, 对新地层进行资源勘测或是生产性补勘, 都会取芯钻孔, 而且每个井田钻孔数量控制在5个以内, 每平方千米控制在1个一内。但新生界的水文地质勘测情况不理想, 其勘测程度相对较低, 不能对其真实情况作出合理评价, 使得没有足有的依据可以缩小设计防水煤柱。

2) 基岩面控制程度差。基岩面控制程度不理想的表现之一就是煤层露头间孔距太大, 大多都在500m以上, 这一现象不符合水体下开采工程规格的。容易造成资源浪费以及产生安全事故。

3) 风氧化带异常。煤矿开采的地质环境相对其他开采环境来说是比较复杂, 由于复杂的构造以及岩石层及其组合的影响, 会导致局部区域内出现风氧化带异常增高的现象, 影响巷道挖掘及工作面的接替。

4 解放和回收设计防水煤柱资源面临的主要问题和任务

我国在解放防水煤柱资源上已经取得了一定的进展, 以百善矿区为例, 通过对水文和地质条件的分析, 加上验证性水文地质的勘测, 实现了多个工作面不同幅度的缩小防水煤柱, 实现了煤矿资源的节约, 提高了经济效益。但在回收设计上还存在问题, 特别是风氧化带以下煤矿资源的回收工作。在本文的第三部分, 以及详细介绍了这一回收工作的困难以及存在的问题, 针对百善矿区, 防水煤柱留设的高度相对较高, 但仍然无法奏效, 许多地方支架被压, 工作面甚至出现了充水的现象, 要改善这一现象必须深入了解其发生的原因。

5 对策

上文中讲到缩小设计防水煤柱的主要问题是如何进行安全回收, 使得资源回收的效率不断提高, 资源回收的安全性不断提高。以下就两方面对策进行简洁。

1) 完成相关任务。这里的相关任务主要可以分为以下步骤:第一, 对新地层进行勘察, 了解地层的岩石性质、岩石的厚度以及含、隔水层的具体分布;第二, 对煤层露头所处的基岩面进行勘察, 主要了解和分析其起伏变化;第三, 对含水层内的水量、渗透情况进行勘察, 了解其补给和排泄方式以及温度、水质等相关系数;第四, 对风氧化带的各项结构特征进行勘察, 了解岩石的抗压能力和抗张力, 以及其物理力学的相关参数。

2) 完善相关技术。这里的相关技术主要包括以下几个方面:第一, 煤层开采技术, 由于煤层的开采过程及其容易造成顶板变形, 所以对煤层的开采要事先分析煤层顶板的结构, 并进行相关模拟测试, 掌握好变形规律, 根据模拟数值设置不同高度的防水煤柱工作面;第二, 相关公式分析技术, 包括“导高”计算矿区经验公式、“井下”开采规程公式等。

3) 完善相关法律法规。我国现行的关于缩小防水煤柱的法律法规相当少, 而且大多都是以附件或是补充条例的形式出现, 就算我国缩小防水煤柱在技术上达到了一定水平, 但由于成本较高或是技术比较复杂, 加上法律上又没有强制规定, 使得许多煤矿开采企业出于经济利益的考虑不愿进行缩小防水煤柱的工作。所以, 完善相关法律法规可以有效提高我国缩小防水煤柱工程的改革效率。

6 可缩小防水煤柱扩大试采的可行性

缩小防水煤柱的可行性主要可以从以下几个层面分析:第一, 技术层面, 随着科学技术的不断发展, 缩小防水煤柱的技术正在不断完善, 不断符合安全性标准, 从而真正意义上的大范围投入使用;第二, 实施环境层面, 许多煤矿开采的实施地, 都是大面积的, 且现行的防水煤柱都比较大, 存在可以缩小的空间。

7 结语

综上所述, 我国防水煤柱的开采是为了生产安全的考虑, 而缩小防水煤柱开采则是为了减少煤矿资源的浪费。在安全性与缩小范围间, 需要利用先进技术实现平衡。本文对缩小防水煤柱开采的现状进行了描述, 虽取得了一定的成果, 但还是存在较大问题。文章最后提出的对策虽不够完整, 但希望对后期研究者有所帮助。

参考文献

[1]赵元刚.关于矿井缩小防水煤柱开采技术的探讨[J].科学导报, 2013.

[2]金宜春.关于对皖北矿区缩小防水煤柱开采现状的研究[J].产业与科技论坛, 2011.

[3]张永之, 刘满才.淮南潘谢矿区缩小防水煤柱开采现状及设想[J].能源技术与管理, 2010.

缩小防水煤柱开采技术 篇2

我国华北东部的许多大煤田多为隐伏型,煤层上伏有130~300m的巨厚松散层沉积,松散层底部常存在着弱至中等富水的含水层,为了安全生产,在勘探和设计开采时均留设60~80m的露头防水煤柱,初步计算这些煤柱约有50亿t,造成大量煤炭呆滞储量,长期得不到开发利用。因此,皖北矿区也是如此。皖北矿区是国家确定的十个大型煤炭基地大煤电一体化基地之一,是目前中国东部和南部地区煤炭资源最好、储量最大、最后的一块整装煤田。现有生产矿井10对。矿区规划2012年生产规模达到3,000万吨。淮北西南新区是皖北煤电集团接续的新矿区,自1980年建成首个矿井刘桥一矿以来,至2010年底,已建成了矿井10对,另在建设2对。

二、矿区松散砂层含水体下设计防水煤柱呆滞资源量

皖北矿区位于淮北平原,矿区内煤系压覆沉积巨厚的新生界松散含水层,松散层厚一般为100~200m,最大达到300m以上,作用在煤层露头上方松散含水层水头达到3~5MPa,属巨厚松散层高水头条件下开采水文地质条件。为防范煤系上覆新生界松散含水层水的危害,矿井设计采用留设垂高20~60m防水煤柱作为防范上覆松散含水层水害的主要安全措施。按此垂高留设防水煤柱计算,现有10对生产矿井,风氧化带以下开采煤层防水煤柱储量约4亿。

三、目前设计防水煤柱资源解放和回收情况

为减少矿井设计防水煤柱呆滞的煤炭资源,提高资源回收率和矿井投资效益,皖北煤电集团自上世纪80年代以来,先后对新矿区新生界水文地质条件,新生三界底部第三系固结紫红色砂砾岩(俗称“红层”)含隔水性开展了专门的验证性补助和分析研究,在基本查明新生界水文地质条件的基础上,依据“建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程”(以下简称“三下”开采规程)的相关规定,经逐面科学分析论证,在保障安全的前提下,合理缩小了设计防水煤柱的尺寸。

四、解放和回收设计防水煤柱资源面临的主要问题和任务

虽然自上世纪针对解放百善矿区设计防水煤柱资源,做了不少的水文、工程地质条件的分析和研究,以及验证性水文、工程地质补勘,实现了20个工作面不同幅度的缩小设计防水煤柱的安全开采,取得了巨大的经济与社会效益。但要使4亿多的风氧化带以下防水煤柱资源获得最大解放和实现安全回收,还面临着很多难点和任务。

第一,煤矿井田开展了验证性新生界水文地质补勘外,其它各井田未有开展新生界水文地质补勘,以往资源勘探和生产性补勘施工的新地层全取芯钻孔,平均每个井田不超过5个,每平方千米不超过 1个;新地层底部含水层抽水试验一般不超过3次;新生界水文地质勘探程度低,不能科学评价水体下开采新生界水文地质条件,缩小设计防水煤柱开采缺乏资料依据。第二,基岩面控制程度差,煤层露头附近孔距一般多在500m以上,达不到水体下开采规程要求。第三,受构造和岩层组合影响,局部区域风氧化带异常增高,造成已施工的综合采用工作面上风巷降低标高重掘巷道,影响了工作面的正常接替,并造成工程浪费。第四,类松散含水体下的百善、刘桥一矿井田,在防水煤柱留设垂高20m以上、甚至40m的情况下也不能奏效,综合采用支架被压,工作面发生充水,造成了重大经济损失,其出水原因、机理还需要进一步研究。

五、扩大解放和回收防水煤柱资源开展研究工作的主要方向

第一,要以《矿区水文地质工程地质勘探规范》和“三下”开采规程要求为指导,对未进行系统勘探等井田新生界水文地质和近松散层下煤系地层工程地质条件进行全面补勘,对临井田,根据需要适量补充少量勘探验证钻孔和试验、测试工作。

第二,在查明开采水文地质条件的基础深化开展缩小防水煤柱、提高下限试验开采研究,着重研究和解决以下技术关键:研究在巨厚松散层高承压水作用下、近松散层不同煤系岩层组合条件下岩层含水规律、含水下限深度和高度总结建立预计“下渗带”厚度大小经验公式;通过对煤层采后顶板变形、矿压现场观测与室内顶板变形、破坏模拟试验分析研究,煤层顶板结构类型分类,典型工作面综合采用离层裂隙、导高发育过程数值模拟,选取适当位置留设80m、60m、40m、20m等不同防水煤柱高度工作面进行试验开采,研究掌握近松散层下煤层顶板采后变形破坏规律;综合采用“导高”计算矿区经验公式、“井下”开采规程公式、《矿井水文地质规程》公式预计结果以及与实测“导高”结果进行对比分析,并考虑不同水文工程地质条件下“下渗带”深度,合理确定保护层厚度及开采上限值,从而合理确定不同水体类型条件下防水煤柱留设高度与开采上限。

摘要：针对皖北矿区松散砂层水体下开采存在的问题分析,根据对该矿区新生界水文地质条件的初步认识,该矿区矿井设计留设的垂高20～60m的防水煤柱大部分区域具有进一步缩小的可能。对一些缩小防水煤柱开采的实践进行探讨。

煤矿断层防水煤柱开采回收技术 篇3

我国许多煤田的水文地质条件十分复杂, 在部分煤层开采过程中会受到矿井突水的威胁, 防治水问题一直是煤矿生产及科研中的一大技术难题。随着矿井向深部延伸, 开采煤层所承受的岩溶含水层水压将越来越大, 受底板突水的威胁也将更加严重。如果不及时解决受承压水威胁煤层的开采问题, 一些矿区将处于逐步减产甚至停产的状态。

2 断层的基本要素及类型

2.1 基本要素

所谓断层是指岩层沿断裂面发生显著位移的断裂构造。为了描述断层的性质、位移和空间形态, 给断层的各个部位以一定的名称。如断层面、断层线、断盘、断距、落差等, 这些断层的基本组成部分叫断层要素:a.断层面和破碎带。岩层发生相对位移时, 总是沿着断裂面进行的, 此面称为断层面。断层面可以是直立的, 但大多数是倾斜的。规模大的断层, 经常不是沿着一个简单的面发生, 而往往是沿着一个错动带发生, 这个带称为断层破碎带, 其宽度从数厘米到数十米不等。断层面多是不平直的曲面, 少数情况下是平面。在一个小的范围内可以把断层面看作是平面, 也同样用走向、倾向及倾角表示断层面的产状;b.断层线。断层线是断层面在地面上的出露线, 也就是断层面与地面的交线。断层线的方向反映断层延伸方向。断层面与某一水平的水平切线的交线亦称断层线。在水平切面图上的断层线表示了断层真正的走向;c.断盘。被断层面分开的岩体叫断盘, 其相对上升的岩体叫上升盘相对下降的岩体叫下降盘。如果断层面是倾斜的, 根据岩体与断层面的关系, 又有上盘位于断层面上方的一盘与下盘位于断层面下方的一盘之分。断层面直立时, 就无上、下盘之分;d.断距。断距是断层两盘沿断层面相对移动开的距离。未错开前的某一点, 错动后分裂为两点, 分别在两个盘上, 测量这两点间的实际距离就是真断距或称总断距。总断距在自然界很难确定, 在生产上也没有实际意义。断层的断距通常是根据在不同方向的剖面上被错开岩层的距离来表示的。本文以下皆以地层断距表示, 所谓地层断距是指垂直于煤岩层走向的剖面上, 断层两盘同一煤层面之间的距离。目前我国各生产单位, 对断层落差的含义和解释, 有不同的看法, 到现在还未取得一致意见;e.落差。一条断层, 在不同的地段落差不同。就是同一地点, 在不同方向上作剖面, 表现的断层落差值也不相同。在采煤生产中最有意义的是沿岩层走向剖面上的落差。

2.2 断层分类

根据断层上下盘相对移动的方向, 可分为正断层、逆断层和平推断层。正断层是岩层断裂后, 其上盘相对下降, 下盘相对上升;逆断层是上盘相对上升, 下盘相对下降。根据断层面的倾角, 又把逆断层分成冲断层断层 (倾角大于45°) 、逆掩断层 (断层倾角为45°-25°之间) 和辗掩断层 (断层倾角在25°以下) 。平推断层是断层两盘沿近于直立的断层面作相对水平移动的断层。根据断层的导水特征, 断层又可分为导水断层和不导水断层。根据断层的力学特征, 可分为张性断层和压剪断层 (即张开型断层和闭合型断层) 。

3 断层突水因素分析

3.1 断层突水的内因分析

断层的导水性能与断层本身的性质特征有紧密的联系, 具体表现在以下几个方面:a.与断层带附近岩体富水程度有关。b.断层带附近, 含水层本身岩性破碎, 裂隙发育, 常常不同程度富水, 为突水的形成提供了有利的物质基础。与断层带隔水层厚度有关。断层带隔水层厚度和抗水强度, 随着隔水层厚度增大, 其抗水能力亦随之增大。与断层落差、倾角有关。断层落差的作用是既改变了隔水层正常厚度, 也改变了采掘工作面、煤系地层内的煤层与含水层具有不同的接触关系。井下中小型断层, 多数在平面和垂直方向上“摆动”较大, 断层倾角也常有变化。

3.2 断层突水的外因分析

在断层带形成突水的外因素主要有以下几个煤柱尺寸和矿山压力:煤柱尺寸。在矿山压力作用下, 所留断层保护煤柱被压碎, 承压水通过断层面或断层破裂带突破工作面进入工作面。保留足够宽度的保护煤柱, 使之不至于被矿山压力破坏是防止承压水进入工作面的一条有效措施。但这是一条被动的措施, 而且还浪费了大量的煤炭资源。矿山压力。煤层底板隔水层中存在着固有裂隙结构面, 它们互相交错杂乱无章的分布, 破坏了岩体的完整性, 使之强度大大降低。煤层开采后, 在支承压力及静水压力的作用下原岩裂隙结构面产生不同程度的扩张、延展, 导致新裂隙的产生及原岩裂隙的“活化”, 可能在底板产生具有连通性的裂隙结构面。若该结构面与五灰含水层相接, 承压水便会直接由底板进入工作面, 危害生产。五灰含水层上距采区煤层底板距离一定, 只要我们能改造五灰含水层不含水或弱含水, 这样就可以使有效隔水层厚度增加, 实现安全开采。

4 断层带注桨加固

4.1 断层带注桨加固原理

断层带注浆加固实质是通过钻孔向断层带附近岩体内灌注浆液, 充填灰岩及其围岩岩溶裂隙, 改变含水层的富水性, 封堵水源补给通道, 堵塞导水裂隙, 加固煤层底板隔水层, 防止薄层灰岩水突入矿井, 实现安全采煤的技术途径。该加固方法的原理主要体现在以下三方面:a.五灰中压入浆液, 浆液沿着灰岩岩溶裂隙扩散、结石, 最后充填, 把灰岩中的水“置换”出来, 使之不含水或弱含水;b.浆液在注浆压力作用下, 通过破裂带沿着五灰水补给破裂带的通道运移、扩散、结石, 堵塞或缩小导水通道, 减少五灰水对破裂带的补给量;c.浆液在注浆压力作用下, 通过薄灰裂隙沿着导高裂隙运移、扩散、结石, 充塞隔水层的导水裂隙, 胶结强化隔水层。因此, 对五灰岩层注浆能起到改造、封源和加固的作用, 不但可以防止五灰水大量地突水, 而且可以防止五灰层下的其他含水层突水, 从而达到安全采煤的目的。

4.2 注浆工艺

注浆系统。我们利用地面注浆站进行造浆, 通过井下注浆管路向井下注浆孔进行注浆, 在井上控制注浆压力:a.注浆方式。注浆改造以最大量注浆、最大范围的扩散、最大限度的充填为目的, 所以一般采用连续注浆发现巷道跑浆时采用间歇注浆, 间歇时间4-8小时;b.泵量要求。根据钻孔揭露的岩溶裂隙发育程度, 涌水量大小、终孔位置的水压确定泵压及泵量。当裂隙发育时, 采用全泵量:当裂隙发育较差或泵压大于0.5MPa时, 用中泵量:最后结束封孔时用小泵量, 为40升/分, 孔口压力达到水压的2-3倍, 并需持续一定时间, 一般为20分钟左右;c.注浆材料。在进行断层带注浆改造时用FCL-C浆液, 但在最后封孔时一定要用水泥单浆液, 这样可保证封口强度要求。

4.3 注浆程序

(1) 注浆前先进行放水10-20分钟, 并控制好放水量, 将沉积在孔内的岩粉冲出。 (2) 对注浆设备、注浆管路进行打压试验, 试验的最大压力为最大注浆压力的1.5倍。 (3) 造浆:凡是有溶洞的造浓浆液, 否则造稀浆液。 (4) 注浆:注浆过程中根据进浆情况随时调节泵压、泵量及浆液浓度。一般要连续注浆, 发现跑、串浆时可间歇注浆。 (5) 当达到注浆结束标准时, 最后再向孔内压一定的清水, 将管路清洗干净, 关闭注浆孔水门, 8小时后可打开水门, 观测孔内是否还有涌水。

5 断层防水煤柱安全回采技术措施

为了确保断层防水煤柱的安全回采, 在回采过程中, 课题组还采取了以下安全技术措施。

减小工作面来压强度。工作面回采时, 我们在工作面开切眼提前打好两排放顶眼, 放顶眼斜长2.0-3.0m。垂深不小于1.5m, 放顶眼间距1.5m, 工作面推出4m后进行人工放顶, 工作面推进过程中, 视顶板冒落情况, 由课题组人员会同工区领导现场确定放顶范围及方法, 但规定任何情况下, 工作面走向悬顶范围不得超过10m, 通过这些措施, 大大减小了工作面初次来压和周期来压阶段的来压的强度, 减少了矿压对工作面底板的破坏程度。

加快工作面的推进度。如果运输战线长, 提升距离远, 为了减少中间运输环节, 可在采区运输大巷中间新扩了一个车场, 增加了一部电机车, 这样运输能力比原来增加了一倍, 幅度提高, 另外通过加强现场管理, 合理安排各工序的作业时间。

工作面来压前, 开启检验孔截门工作面初次来压前, 对断层带施工的检查孔开启孔口截门, 一方面泄水降压, 另一方面, 避免在矿压的作用下, 承压水从工作面底板裂隙薄弱带涌出。

摘要：采用注浆法回收断层防水煤柱是一种技术先进、工艺简单、安全可靠、效益显著的有效方法。本文介绍了煤矿断层的基本要素及类型, 分析了注浆加固法, 并探讨了断层防水煤柱回收技术。

关键词：煤矿断层,煤柱回收,注浆加固

参考文献

[1]靳德武.我国煤层底板突水问题的研究现状及展望[J].煤炭科学技术, 2002.

[2]刘进晓.房柱式开采煤柱上支承压力的研究[J].矿山压力与顶板管理, 2005.

缩小防水煤柱开采技术 篇4

我国许多煤田的水文地质条件十分复杂, 在煤层开采过程中受到多种水体的威胁, 煤矿防治水问题是煤矿生产及科研中的一大技术难题。据初步统计, 全国重点煤矿中受水威胁的矿井占47.5%, 受水害威胁的储量达250亿t。从近年的开采情况看, 每年采出受水害威胁的煤炭还不到总储量的10%。因此, 如果不能解放这些受水害威胁的煤炭储量, 不仅影响煤矿的产量, 而且一些老矿井还有被迫提前关井的危险。

防水煤柱的合理留设, 是带压开采至关重要的一个环节, 采矿实践证实, 绝大多数突水都发源于地质构造, 尤其是特大型突水。合理留设防水煤柱是防止构造突水的重要措施。本文在柳泉矿7煤实际情况的基础上通过FLAC模拟与理论计算相结合的方法, 提出了确定煤柱临界宽度的公式。

1 工作面概况

柳泉矿7煤在0~02勘探线之间, -80~-260 m段由原景山煤矿回采过, 煤厚为1.5~0.6 m之间, 煤层倾角为60°~70°, 回采期间煤层稳定, 未见断层, 未发现煤层变薄不可采现象, 顶底板均为砂岩, 坚硬, 顶板稳定, 回采巷道支护为木支护, 无冲击地压现象, 工作面走向长300 m左右, 回采巷道维修量不大, 工作面回采过程中没有发现滴淋水现象。

2 模型的建立与FLAC模拟

煤炭开采过程中, 当工作面前方遇有断层时, 如何确定防水煤柱的临界宽度, 根据柳泉矿现71采区揭露断层统计数据, 假设遇有倾角为60°、落差为35 m正断层时, 分析不同工作面长度下, 底板破坏深度以及相应的防水煤柱临界宽度。

为确定柳泉矿71采区的地质情况, 根据现有的水文地质资料及7、9煤的顶底板力学性质, 采用固流耦合模型, 分析在距7煤底板90 m处存有承压水的情况下, 水的渗流与工作面开采的耦合关系。

模型共划分19 050个单元, 反映出实际尺寸宽和高各为250 m和180 m。模型上边界加1.2 MPa垂直压应力以模拟实际采深的地应力, 左右边界以一定的应力梯度加3.0 MPa的水平应力, 以模拟遇有大断层时的水平应力。在距7煤底板90 m位置以一定应力梯度加6.5 MPa的水压力, 断层物理参数如表1所示。

留20 m保护煤柱时, 采场及断层处水压及应力云图如图1所示。

数值模拟分析表明, 7煤下伏的承压水由于断层破碎带的存在, 至使断层活化。承压水一方面通过其顶板岩层向7煤渗透, 但距7煤底板19 m位置存有隔水层, 有效的阻止了水头进一步上升;另一方面由于承压水压力较大, 使断层成为导水断层, 断层处的水头明显高于其它位置, 且穿过隔水层向两侧扩散。当所留煤柱为20 m时, 断层左侧扩散距离为11 m, 右侧为8 m, 距7煤底板17 m, 承压水沿断层破碎带及7煤开采对底板产生的破坏区, 进入工作面而导致突水。

3 理论计算与经验类比相结合法[1,2,3]

3.1 采场底板不突水条件

采场附近煤体上的支承压力往往超过其极限强度, 在煤壁附近形成非弹性区。按照弹塑性软化模型, 分别处于弹性、软化和流动的区域相应地称为弹性区、塑性区、破碎区, 如图2所示。

非弹性区包括塑性区及破坏区, 其范围xz为:

其中:

式中, f为岩层与顶底板间的摩擦系数;h为煤层厚度;φ为煤体的内摩擦角;σc*为单轴压缩时的残余强度;P为最大支承压力;Kmax为峰值应力集中系数;γ为上覆岩层的容重;H为煤层的采深;c为煤体的内聚力。

塑性区x2的范围为:

式中, M0为煤体塑性软化模量, 且M0=tanφ0, φ0为煤体塑性软化角;St为塑性区煤体应变梯度, 且St=tanα, α为塑性区煤层顶底板变形角之和。

破碎区x1范围为:

x1=xz-x2

断层突水的条件

如图3所示, 煤壁与断层距离为a, 高峰应力传播角为θ, 其与倾角为α的断层交于A点, z为交点距煤层底的深度。以A为顶点, 弹性区煤层长度x3为底的三角形面积S为:

整理得:

沿底板高峰应力线的倾向方向, 支承压力由峰状态向原始应力状态过渡, 相应地煤层底板由压缩状态向原岩状态过渡。受到支承压力峰值压缩的底板一旦遭到破坏, 支承压力峰值就会向深部移动, 即离煤壁更远, 相应地底板高峰应力线也向深部移动。因此, 未遭受支承压力峰值压缩的底板不会破坏, 从而在底板高峰应力线与断层之间的底板岩层仍具有原始的隔水性能。

沿底板高峰应力线的倾向相反的方向, 即向采空区方向, 支承压力由峰值状态向低应力状态过渡, 相应地煤层底板由压缩状态向膨胀状态过渡。因这部分的煤层底板都已遭受过支承压力峰值的破坏, 所以丧失原始的隔水性能, 有可能成为导水通道。

综上所述, 底板通过断层构成的突水通道产生突水的条件为:煤层开采造成的底板破坏深度h不小于底板高峰应力线与断层交点的深度z, 即

根据上面公式, 可得到采场断层防水煤柱留设宽度计算公式。根据采场底板不突水的条件有:

式中, h、θ、xz为煤柱设计的重要参数, xz可由公式 (1) 获得, θ为采场底板高峰应力线同岩层法线方向的夹角, 大量现场实测资料、相似材料模拟试验及有限元分析表明, θ值一般在21°~25°, h为矿山压力对采场破坏的深度。

3.2 煤柱留设尺寸的确定

如柳泉矿7煤开采过程中遇有35 m正断层, 根据现开采工艺条件及工作面布置方式, 具体参数如下:工作面采深为650 m, 斜长124 m, 煤层倾角15°, 断层倾角60°, 采高1.0 m, 非弹性区与采高比为6.5, 底板应力高峰线传播角为25°, 底板破坏深度为12 m, 将以上参数带入式 (6) 计算:

α=19 m

与数值模拟结果分析可知, 当工作面与断层留有20 m煤柱时, 达到最小防水保安煤柱, 与本方法确定的煤柱尺寸基本一致。

据此给出经验公式如下:

式中, H为煤层埋深, m;α为断层倾角, (°) ;f为普氏系数;L为工作面长度, m。

4 结论

根据理论分析, 得到采场断层防水煤柱留设宽度计算公式。据此给出采场底板不突水的条件:通过与数值模拟结果对比验正, 结合回归分析提出计算煤柱的经验公式。

参考文献

[1]桂和荣.防水煤 (岩) 柱合理留设的应力分析计算法[M].北京:煤炭工业出版社, 1997

[2]唐东旗, 吴基文, 李运成, 等.断裂带岩体工程地质力学特征及其对断层防水煤柱留设的影响[J].煤炭学报, 2006, 31 (4) :455-460