钱营孜煤矿W3_220工作面开采安全可靠性研究_李庚.pdf

第36卷第3期2023年6月Vol.36 No.3Jun.2023四川轻化工大学学报（自然科学版）Journal of Sichuan University of Science&Engineering(Natural Science Edition)钱营孜煤矿W3220工作面开采安全可靠性研究李庚，宣以琼（安徽建筑大学土木工程学院，合肥230000）摘要：为研究钱营孜煤矿F22断层对W3220工作面的影响并确定防水煤柱的合理宽度，根据工作面和断层实地勘探的水文地质资料，运用数值模拟技术，对煤层开挖进行了全过程的模拟，对回采过程中围岩竖向应力、位移云图及顶、底板塑性区变化进行了研究。结果表明：煤层开挖到110 m时，F22断层与工作面顶板塑性破区尚未相互贯通，断层不会导水，留设宽度30 m防水煤柱可以有效防止断层活化突水。该研究一方面证明了W3220工作面在留设30 m防水煤柱下安全开采的可行性，另一方面为西三采区及其他相似水文地质条件的工作面实行水下开采提供了参考。关键词：断层；煤柱宽度；数值模拟；位移；塑性区；突水中图分类号：TD82文献标志码：A引言近年来，随着社会的发展，我国对能源需求大大增加，尤其对于煤炭资源需求不断上升。但随着开采深度的加大，地下煤层情况愈加复杂，煤炭开采难度也随之增大，开采工作难以开展1-2。断层作为导致顶板变形、形成导水通道从而造成大多突水事故的重要因素，多年来受到众多专家学者的重视和研究3-8。杨军等9将理论分析、数值模拟和实际工程实验数据相结合，研究了正断层对切顶卸压后采用无煤柱成巷技术的演变规律，发现工作面临近断层带且在正断层上盘时，受正断层重力作用影响，工作面前方应力以及留巷煤帮侧边应力逐渐变大，留巷围岩应力发生明显变化。徐晓惠等10利用FLAC3D模拟软件分析了断层在不同倾角、落差及煤柱宽度等情况下断层带围岩体弹性能、断层带应力等岩石力学参数的变化规律，证明了断层活化受不同因素的影响。黄凯等11通过数值模拟软件分析了工作面围岩在断层影响下的变化特征,并以龙东煤矿断层实际地质情况作为背景分析了在不同煤柱宽度下工作面塑性区以及顶、底板应力变化情况，发现当工作面不断靠近断层时，工作面顶、底板塑性区和应力都会发生剧烈变化。蔡武等12通过分析煤矿开采于断层带中的耦合模型，发现了决定断层活化类型的主要因素在于采动应力和矿震，并采用数值模拟软件以及相似材料模拟实验进行理论验证。牛心刚等13采用岩石力学理论依据和现场实验数据，运用数值模拟软件分析了不同尺寸断层保护收稿日期：2022-07-20基金项目：国家自然科学基金项目(51774007)通信作者：宣以琼(1965-),女,教授,博士,研究方向为矿山防灾减灾技术,(E-mail)文章编号：20967543（2023）03008608DOI:10.11863/j.suse.2023.03.11第36卷第3期李 庚，等：钱营孜煤矿W3220工作面开采安全可靠性研究煤柱影响机制，得出合理有效的煤柱尺寸确定办法。姜耀东、任政等14-15通过数值模拟对煤层开挖过程中断层带应力变化特征、上下盘运动规律进行研究，发现断层带的法向应力比切向应力提前发生变化，下盘工作面推进时断层活化程度更为明显。本文为确定留设防水煤柱的合理宽度，防止发生突水事故，根据钱营孜煤矿W3220工作面的实地勘探资料，通过数值模拟探究工作面推进时围岩的竖向应力、竖向位移以及顶、底板塑性破坏区的变化规律，确定断层防水煤柱的最大合理宽度，提高开采上限，为实现安全开采提供可行性参考。1工作面及断层地质概况1.1工作面地质背景钱营孜煤矿座落于安徽省宿州市埇桥区境内。经勘探，煤矿含有10个煤层，可开采煤层共计8个。其中32煤层构造简单，煤质优良，煤层稳定，是钱营孜煤矿发育较好的煤层之一。32煤层的顶板、底板岩性以泥岩为主，其次为粉砂岩和细砂岩，可采性指数为 0.98，变异系数为 37%，厚度约为 3.2 m。W3220工作面位于钱营孜煤矿西二开采区，工作面上方临近 F22 断层，其顶板标高约为-260 m。F22断层为正断层，位于西二采区边界，倾向为SW，倾角约在6575之间，延伸长度6.50 km以上，落差范围为2035 m。断层破碎带的成分大多为泥岩、粉砂岩，还有少量煤块。F22断层临近W3220工作面范围内，倾向为W，断层上盘岩层主要是细砂岩和粉砂岩，下盘则是泥岩。1.2水文地质条件突水危险性分析通过分析W3220工作面附近钻孔资料发现，第四含水层底板标高为-211.85-229.25 m，含水层厚度为 1.8513.85 m，平均为 5.66 m。在古地形的影响下，含水层沉积厚度变化比较大，其中在低洼处沉积厚度最大，且颜色多而杂，以棕色为主，沉积岩石主要为石英角砾，呈次棱角状。为探究F22断层的富水性，在F22断层上进行4个钻孔试验。断层钻孔布置平面图如图1所示。其中286孔和Z3孔对F22 正断层进行抽水试验，Z1 孔和 Z2 孔分别对断层下盘的太灰含水层和上盘的32煤层基岩混合水进行抽水试验。测得 286孔最大单位涌水量为q=0.015 L/(sm)，渗透系数为 K=0.048 m/d。Z1孔最大 单 位 涌 水 量 为 q=0.029 L/(sm)，渗 透 系 数 K=0.091 m/d。Z2孔单位涌水量为q=0.002 L/(sm)，渗透系数K=0.013 m/d。Z3孔单位涌水量为q=0.003 L/(sm)，渗透系数K=0.005 m/d。再根据取水测试化验得出其水质类型分别为 HCO3-Ca 型、HCO3-CaNa 型、HCO3-CaMg 型和 SO4HCO3-CaNaMg 型。由单位涌水量以及渗透系数值可以认定F22断层富水性较弱。对煤矿进行地面瞬变电磁法勘探，发现F22正断层和W3220工作面两个地方的视电阻率值均是较高的，且无明显的低阻异常区，据此可认为F22断层以及W3220工作面富水性较弱。图1F22断层钻孔布置平面图由于顶、底板的变形，裂隙水会涌进工作面，但采取一定的排水措施，在工作面推进过程中不会发生重大水害事故。通过抽水实验，并根据 “三下”采煤规范 区分水体采动等级标准，确定工作面水体采动等级属于类水体。因此，W3220工作面在开采推进过程中应留设安全煤柱。原计划在W3220工作面留设58 m防水煤柱，此法虽能保证开采安全，却会使得压煤过多，造成煤炭资源浪费。因此，利用数值模拟技术开展合理防水煤柱留设研究，提高开采上限显得尤为重要。具体水文地质参数见表1。872023年6月四川轻化工大学学报（自然科学版）表1各孔水文地质参数孔号286Z1Z2Z3静止水位/m19.8231.5048.3033.65水位降深S/m30.7838.3025.2012.6045.0040.43渗透系数K/(m/d)0.0070.0480.0630.0910.0130.005涌水量Q/(m3/h)0.562.281.811.300.360.38单位涌水量q/(L/(sm)0.0050.0150.0200.0290.0020.0032数值模拟2.1模型参数及构造依据钱营孜煤矿W3220工作面和F22断层岩石特性及有关资料，确定模型参数。采用FLAC3D软件建立长 220 m、宽 140 m、高 120 m 的模型如图 2 所示。模型自上而下分为9层，各岩层按水平地层处理，断层带宽度为4 m，倾角为60o，落差为60 m。图2三维围岩模型图2.2模型运行及开挖方式工作面顶板标高为-260 m，上部岩层平均密度取2550 kg/m3，重力加速度取9.81 m/s2，通过计算获得上部岩层压应力为6.492 MPa。此次模拟采用摩尔-库伦模型，各岩层相关参数见表2。线束模型底部在X、Y、Z方向的位移和转动。工作面在距断层140 m处开挖，每次开挖22 m，最后一次开挖10 m。表2各岩层物理力学参数岩层粉砂岩1粉砂岩2粉砂岩3泥岩1泥岩2泥岩3细砂岩1细砂岩2细砂岩3中砂岩煤层F22断层体积模量/GPa1.531.071.231.481.161.802.261.152.071.521.301.31剪切模量/GPa1.400.700.811.210.981.461.561.011.681.490.720.71抗拉强度/MPa2.531.351.552.662.322.771.391.862.601.990.202.79粘聚力/MPa4.622.852.233.152.933.022.052.482.933.121.882.34内摩擦角/343232363337303333362825密度/(kg/m3)250025002500265026602700269025402670260014002600依据工作面和断层地质特征，运用FLAC3D数值模拟软件模拟煤层开挖，通过分析工作面推进时的围岩竖向应力、竖向位移及塑性破坏区变化情况，从而确定防水煤柱的合理宽度，为工作面的安全高效开采和防突水提供一定的理论依据和参考。3数值模拟结果分析3.1竖向应力变化分析不同开挖深度的工作面竖向应力云图如图3所示。由图 3 可看出，煤层开挖 22、44、66、88、110 m及 120 m 时对应的围岩最大拉应力分别为 0.153、0.195、0.249、0.300、0.321 MPa及0.313 MPa，最大压应 力 分 别 为 17.748、20.302、22.087、23.167、23.997 MPa及24.045 MPa。煤层开挖后，顶板下方的支撑力和底板上方的压应力也随之消失,顶、底板在应力作用下发生形变，围岩应力再次重分布并最终达到新的平衡状态。在拉应力的作用下，工作面顶、底板出现应力集中，工作面周围形成压力拱，应力分布为中间最高，两边相对较低、呈现椭圆形并向四周分布。随着开挖深度的加大，拉应力逐渐达到峰值 0.321 MPa，之后由于断层对应力的阻断作用，拉应力值逐渐下降（图4（a）；由于工作面两端88第36卷第3期李 庚，等：钱营孜煤矿W3220工作面开采安全可靠性研究受断层作用较小，围岩压应力一直保持上升态势（图4(b)）；应力集中区、压力拱和采空区也随开挖深度的增加而增大。在煤臂支撑力的作用下，上覆岩层竖向应力在工作面两端出现应力集中现象，因此在推进时，为防止两端围岩压垮工作面，必须采取必要的加固支护措施。当煤层推进较深时，应力集中区逐渐逼近断层，断层活化明显，煤柱宽度逐渐缩小，断层处应力逐渐增大并超过煤岩强度，工作面围岩破碎带与断层破碎区相接触，导水裂隙面突显，导水通道逐渐形成，透水现象愈发明显。(a)开挖22 m(b)开挖44 m(c)开挖66 m(d)开挖88 m(e)开挖110 m(f)开挖120 m图3围岩竖向应力云图(a)围岩竖向拉应力(b)围岩竖向压应力图4围岩竖向拉、压应力变化折线图892023年6月四川轻化工大学学报（自然科学版）3.2竖向位移变化分析不同开挖深度的工作面竖向位移云图如图5所示。由图 5 可看出，煤层开挖 22、44、66、88、110 m及 120 m 时对应的顶板最大位移分别是 8.2、14.0、20.6、26.9、36.3 cm及40.1 cm，底板最大位移分别为8.4、12.0、14.3、15.3、16.0 cm 及 16.1 cm。煤层开挖后，工作面顶、底板在应力作用下开始发生不同程度的变形，顶板在失去支撑力后开始变形下沉，底板向上突起，位移变化曲线均呈现出拱形分布；随着工作面的不断推进，竖向位移数值逐渐上升，留设煤柱宽度减小，上覆岩层竖向位移增大。对比图6中顶、底板的竖向位移可见，相较于顶板，底板向上位移较小，对于工作面影响较小。顶、底板的变形，使得砂岩裂隙水通过形变缝隙透水，工作面出现溃水现象，但通过分析Z1、Z3水文探测孔检测数据发现，从钻孔处到F22断层下盘的“一至四灰”没有发生漏水现象，地层太灰水不会大量渗透进工作面。因此若采取一定的排水措施，这种透水对于煤层的掘进无明显影响。若工作面顶板位移过大，变形量超过合理范围便会导致工作面