基于概率积分法的顶水开采影响因素分析

基于概率积分法的顶水开采影响因素分析

0水体下采煤对煤炭采出量的影响顶水开采是指在采矿面顶部处有水体，不进行稀疏和投降处理的前提下，顶部水开采的顺序。为了防止地表水从井中跑出去，铺设了合理的防水煤柱。矿井顶水采煤往往具有很大的危险性,因为水体遭到破坏,就会威胁整个矿井的生产和人身安全。长期以来,我国积累了丰富的水体下采煤经验,据不完全统计,我国在各类水体下已安全采出2亿多t煤炭。如在淮河水体下淮南毕家岗矿、潘龙河水体下的枣庄山家林矿等生产矿井,已成功顶水采出大型水体下的厚煤层。但是,以上采煤方法,均是采用倾斜分层下行垮落的开采情况下进行的。随着综放开采方法的普遍应用,煤层的开采厚度也明显增大,造成的岩层与地表移动剧烈,在厚煤层顶水开采的前提下,安全开采出煤炭资源,是十分重要的课题。笔者根据峰峰矿区小屯矿的地质采矿条件,对该矿大型水体下厚煤层顶水采煤的可行性与安全性予以分析探讨。1当前水体条件与地质开采1.1牛沟建坝型水坝峰峰矿区小屯矿中盘区2个设计工作面上方水体为老道泉水库,由牤牛沟建坝形成,水库平均水深为10m,最深处达14m。水库蓄水量约为310000m3,属于地表大型水体。库底松散层为多元结构的第四系黏土层,水体采动等级定为Ⅰ级。1.2开采技术条件老道泉水库下有设计工作面1和工作面2,分别位于堤坝内外侧。开采煤层为大煤(2号),厚度为3.91～6.95m,平均5.5m,其开采技术条件见表1。设计工作面伪顶为炭质页岩,厚0.7～1.0m;直接顶为砂质页岩或粉砂岩,厚2.00～22m;直接顶为中、细砂岩,厚6.50～17.4m;底板为砂质页岩,厚度11m左右。依据评定标准,将大煤顶底板评定为Ⅲe型。工作面采煤方法为倾斜长壁综放开采,顶板管理为全部垮落法。1.3岩性组合特点根据水体附近的钻孔资料,大煤上覆岩层厚度为372.4m,上覆岩层垂直厚度及所占的比重见表2。由表2可知,上覆岩层中隔水性相对好的泥岩层所占比重为11.8%,隔水性相对较好的泥岩、砂质泥岩、铝质泥岩、粉砂岩所占比重为59.9%。上覆岩层软硬相间的岩性组合特点,对水体下采煤是较为有利的。经计算,覆岩综合评价系数P为0.615,岩性影响系数D为1.82。上覆岩层岩性综合评定为中硬岩层。2岩屑破坏高度和安全岩柱的计算2.1岩石损害计算点的选择根据地表水体与工作面的相对位置,选择了区域内具有代表性的11个计算点,其计算参数及位置分布如图1所示。2.2岩石尽各种破坏的计算在计算覆岩破坏高度时,根据文献中垮落带和导水裂隙带高度的计算公式进行。见表3。垮落带及导水裂隙带等厚线图,如图2、图3所示。2.3各计算点安全煤岩柱的最小健康尺寸根据文献,防水安全煤岩柱垂高Hsh应大于等于预计的导水裂隙带Hli最大高度加上适当的保护层厚度Hb,如图4所示。在计算防水安全煤岩柱时,水库底面标高按+152m计算。对中硬覆岩而言,其保护层厚度应取一次采厚的6倍。以9号计算点为例,煤层底板标高为-80m,则水库底面与煤层底部之间的距离为232m,在9号点处导水裂隙带最大高度为78.34m。则防水安全煤岩柱最大尺寸为保护层厚度31.2m与导水裂隙带最大高度78.34m之和,即119.54m。所以,安全煤岩柱最小富余尺寸为水库底面与煤层底部之间的距离为232m减去防水安全煤岩柱最大尺寸119.54m与煤层厚度5.2m,即232m-119.54m-5.2m=107.26m。即9号点上覆岩层中导水裂隙带发育的最大标高与基岩顶部边界之间的岩柱尺寸为107.26m(安全煤岩柱最小富余尺寸)。其他计算点的计算方法同理可得。见表4。由表4可知,各个计算点安全煤岩柱最小富余尺寸均在100m以上,即水体下其余各个计算点的上覆岩层中导水裂隙带发育的最大标高与基岩顶部边界之间具有较厚的岩柱尺寸,导水裂隙带不会形成地表水体水灾的通道。所以,小屯矿中盘区工作面顶水开采从导水裂隙带导水高度的角度分析是安全的。防水安全煤岩柱最大尺寸与安全煤岩柱最小富余尺寸其等厚线图分别如图5、图6所示。3开采对水体移动变形的估计和开采活动的影响3.1水体内移动变形的估计水体底部剧烈的沉降与变形会影响水库的正常运营。为此,采用概率积分法,在专门编制的计算软件上,对水体底部移动变形进行了预计,得到水体处移动变形最大值,见表5。3.2水库开采和地表径流分析3.2.1地表倾斜与倾斜随着2个工作面相继开采后,水体底面最大下沉值达到2200mm。倾斜值达到-22.6mm/m。总体上,下沉与倾斜对水体基岩的破坏影响不大,最主要的影响是由于地表下沉使水库流域面积发生变化,库容量增加。在工作面推进的过程中,水体将向下沉较大的方向流动,致使水库水域面积增大。3.2.2正上方变形值工作面开采以后,上方水体和堤坝基岩处受到静态的水平拉伸变形值ε+max为8mm/m,水平压缩变形值ε-max为10mm/m。且工作面正上方大部分主要是受到压缩变形,少部分地表受到拉伸变形,尤其是在上山部分影响比较大。基岩处随着工作面相继推进,拉伸变形减弱,压缩变形增加。同时,受开采引起的动态移动变形的影响,水体底界面可能产生裂缝,应加强在预计拉伸变形的区域现场调查监测力度。3.2.3采空煤上覆地层的拉伸变形根据文献,矿山开采后产生裂缝的深度的计算公式为h=(2/γ)×(1-μ)×C×tan(45°+0.5φ)(1)式中:h为裂缝深度,MPa;C为黏聚力,MPa;φ为内摩擦角,(°);μ为材料的泊松比;γ为水库底面岩土的容重,kN/m3。老道泉水库下大煤上覆岩层的物理力学性质为中硬。取E=13.1MPa,μ=0.30,C=0.03MPa,φ=18°,γ=16.5kN/m3。取临界水平拉伸变形值为8.0mm/m,根据式(1),可得裂缝深度约为3.48～4.9m。裂缝始终从地表开始,土体内部一般只产生离层现象,即无论水体底面如何起伏,其裂缝深度基本一致,裂缝深度远远小于防水安全煤岩柱,所以水库底部的裂缝不会影响到工作面安全开采。4不稳定区域煤层开采1)在评定上覆岩层岩性为中硬岩性的基础上,选取了水体底部11个计算特征点,研究分析覆岩破坏高度、防水安全煤岩柱最大尺寸、防水安全煤岩柱最小富余尺寸等水体下采煤的安全技术指标,导水裂隙带不会形成水体水灾通道。2)采用专门编