坚硬顶板预裂对底板突水影响探究

1、坚硬顶板预裂对底板突水影响探究摘要：针对演马庄矿突水原因复杂多变的现状，采 用岩层运动和矿山压力理论，运用数值计算的方法，结合在 演马庄矿25081和27111工作面的实际模拟，对比了不断顶、 断顶条件下顶底板超前应力的模拟状态。研究结果表明，对 坚硬顶板进行提前断顶处理，能够有效减少底板的破坏深 度，从而减轻突水危险性。证明了断顶后大幅度降低了老顶 初次来压期间的出水量，起到了较好的防止突水的效果。abstract： in connection with the cause of water bursting of complex and changeful situation in yan

2、mazhuang coal mine, this paper used the movement of strata and ground pressure theory, combined athe actual simulation of 25081 and 27111 working faces, and compared the simulation state of advanced crustai stress in the condition of keeping and broken tops. research resuits show that, the hard roof

3、 for early broken roof treatment, can effectively reduce the broken depth of the floor, thereby reducing the risk of water inrush, broken top that greatly reduces the initial pressure of the main roof during periods of water, has good preventing water burst effect.关键词：底板；数值计算；突水；煤矿安全key words： roof

4、and floor； numerical calculation；water inrush； coal mine safety中图分类号：td745文献标识码：a文章编号:1006-4311 (2013) 23-0118-030引言近年来，在演马庄矿上分层开采阶段呈现了坚硬顶板初 次来压前后突水概率增加的现象，坚硬顶板断裂严重影响了 底板突水情况。演马庄矿典型的煤层、岩层结构是：演马庄 矿煤层平均厚度为6米，覆盖与煤层上的砂岩约15米厚， 煤层下方的灰岩厚度为17-20米，是强含水层与突水的主要 含水岩层。1水文地质概况演马庄矿主要含水层有第三、第四系冲积层含水层，二 迭系砂岩含水层，富水性较

5、强的l8、l2、02灰岩含水层是 矿区的主要水源。富水性强的l8灰岩含水层是二1煤重要 的补给水源。它呈岩溶裂隙发育，810米厚，与二1煤底 板之间相距约18. 56米。处于l8灰岩与02灰岩之间的l2 灰岩含水层，平均厚约11米，它与02灰岩和二1煤层底板 之间的距离分别为20米、7080米。l2灰岩同样是岩溶裂 隙发育，断裂破碎带内一般有直径较大的溶洞和蜂窝状的溶 孔；l2灰岩水位低于02灰岩，局部约为+70米，不会过度 扰动工作面开采施工。02灰岩含水层厚400米，距二1煤层 底板约100米，呈岩溶裂隙发育，富水性强，具高压水头。上、下部含水段分别为220米和7080米，上下水段之间 是

6、5060米厚的灰色角砾状泥灰岩，02灰岩在井田内水位 变化不大，即使枯水期的水位也不低于+81米，这使其成为 二1煤最重要的含水层。2坚硬顶板断裂对底板破坏机理的研究坚硬顶板断裂规律与突水规律密切相关，下面借助flac 软件模拟回采面推进至接近老顶初次来压步距时，断顶、不 断顶条件下围岩的应力状态，同时对这两种应力状态与突水 危险性之间的关系进行深入探究。2.1数值模拟模型设计与研究首先将平均厚度为6. 58 米、上分层开采厚3米的25081、27111两个作业面设定为 研究对象，在作业面中间位置顺着走向取剖面，见图1是作 业面走向剖面模型图。据以往回采面的统计，老顶初次来压步距平均为46米,

7、 因此取该值作为数值计算分析断顶效果的最大步距值。切眼 宽8米，上分层采高3米，下分层待采。图2为煤层顶底板 周围的地层柱状图。2. 1. 1开采过程的模拟描述不断顶时的模拟过程。根据开釆的近似推进速度计算 平衡，计算频率10米/次，最终观察悬顶长度达到46米时 平衡后的围岩应力状态。如图3。断顶条件下的模拟过程。为了对断顶与不断顶情况下 分析底板应力场的差别，采用类似的模拟过程，计算平衡的 位置，每10米/次，并对开采46米时平衡后的围岩应力状 态进行观测，如图4所示。2. 1.2模型尺寸及网格划分模型尺寸:（600*360）米；网格数:300*180=54000 个；网格单位：（2*2）米

8、。2.1.3模拟计算结果分析不断顶条件下底板弹、塑性区分析。作业面由切眼处推进至46米时，不断顶的状态下作业面顶底板都出现了图5 所示的剪应力区；开采面后方37米的部位，下分层煤体 出现拉应力区，由此判定这部分下位煤体已受拉破坏；在作 业面后方12米处的底板内出现了最大范围约10米的底板屈 服区，受2mpa水压的影响极易发生突水问题，笔者在图6 中通过虚线剪头将其潜在的通道位置标示出来。断顶条件下底板弹、塑性区分析。作业面由切眼逐步 推进到46米时，提前放顶，放顶深度设定为810米。作 业面顶板悬顶和直接顶位置在断顶状态下分别出现了拉应 力和剪应力，而底板没有出现拉应力。这表明断顶后，冒落 岩

9、体能够在一定程度上阻止底板破裂（详情参见图7）；作业面后方1224米范围内的底板内出现了图8所示的最大范 围约为6米的底板屈服区。由于屈服范围较小，因而导水通 道不十分明显。初采阶段作业面超前支承压力分布的对比分析。图9、图10分别给出了不断顶与断顶状态下 超前支承压力曲线图。两幅图中均在作业面前方约2.5米的 位置出现了应力峰值。不断顶与断顶状态下的峰值分别为 15mpa和12. 5mpa,其中前者是原岩垂直应力的2. 7倍，后 者是原岩垂直应力的2. 3倍。这充分说明断顶对超前支承压 力峰值的出现有一定的抑止作用；初采时超前支承压力的影 响范围约为1822米。底板剪应力的对比分析。当作业面

10、由切眼逐步推进至 46米，不断顶状态下的剪应力分布形态及应力集中程度与断 顶状态下非常接近，但不断定状态下剪应力的集中范围不及 后者。在不断顶状态下，作业面底板处剪切力大于2mpa的 范围已达11米深，大于impa的范围深度超过20米，这比 隔水岩层还要厚（图11）;底板岩体在2mpa水压的影响下极 易受剪导水。若底板抗剪强度达到了 12mpa,则说明这个 施工段是高突水危险区。由此得出结论，作业面底板岩石的 抗剪强度及水压条件是决定作业面是否突水的关键因素。在断顶状态下，作业面底板剪切力大于2mpa甚至大于 impa的范围均超过20米隔水厚度的极限，在底板2mpa的水 压的影响下可能出现裂隙

11、渗流，但是几乎不会发生大规模的 突水（图12）02.2预裂坚硬顶板对底板突水的控制效果为了检验断 顶与否与底板突水的关系，在演马庄矿类似25081和27111 作业面条件的多个作业面进行了坚硬顶板提前断顶试验，发 现没有断顶作业面老顶初次来压期间出水量一般大于 100m3/h,而断顶后的出水量一般小于30m3/h,证明了提前 断顶大大减少了底板的破坏，减轻了突水的危害。根据现场 观察，当进入下分层开采后，由于上分层采空区冒落歼石和 沉降岩层的压力，限制了底板的变形，同时，由于上分层开 采过程中的疏水降压作用，基本没有出现突水灾害。3小结通过研究演马庄矿坚硬顶板运动对底板应力场的作用， 得到了对坚硬顶板提前断顶处理能够大大减小底板的破坏 深度、从而减轻突水危险性的结论，经过多个作业面的实际 观测，证明了断顶后大幅度降低了老顶初次来压期间的出水 量，起到了较好的防止突水的效果。参考文献：1 乔杰鹏，赵妍，乔双鹏浅析煤矿采煤工作面顶板事 故原因及其防治措施研究j.中小企业管理与科技（下旬 刊），2011 （10）.2 钱明高，协兴，徐家林等.岩层控制的关键层理论 m.北京：中国矿业大学出版社，2000.3 彭素萍，王金安.承压水体上安全米煤m.北京：煤 炭工业出版社，2001.4 胡东祥.济