阳煤二矿岩溶陷落柱防水保护煤柱宽度设计_李骏.pdf

江西煤炭科技2023年第1期摘要：为保障阳煤二矿1 5#煤层采煤工作面的安全生产，以3 1 3 0 1工作面为背景，采用理论计算分析其顶底板岩层破坏范围，确定顶底板涌水水源及其突水危险性，并通过数值模拟探究回采工作面回采影响下陷落柱围岩塑性破坏特征。结果表明：1 5#煤层工作面顶板水源为K2、K3、K4石灰岩含水层，顶板含水层不会威胁矿井的生产安全；采动影响下岩溶陷落柱围岩内出现渗漏区域，岩溶陷落柱防水保护煤柱宽度设计为6 5m，能够保证工作面安全生产。关键词：陷落柱；保护煤柱设计；奥灰承压水；带压开采；数值模拟中图分类号：TD8 2 2+.3文献标识码：A文章编号：1 0 0 6-2 5 7 2（2 0 2 3）0 1-0 1 3 1-0 4Study on Waterproof Protective Coal Pillar Width of Karst Subsided Column in Yangquan No.2 CollieryLi Jun(No.2 Colliery,New Energy Co.,Ltd.of Huayang New Material Technology Group.Yangquan,Shanxi 045008)Abstract:In order to ensure the safe production at 31301 coal mining face in No.15 coal seam of Yangquan No.2 Colliery,theauthor analyzes the strata failure range of the roof and floor by the theoretical calculation method to determine the water inrushwater source and water inrush risk and explores the plastic failure characteristics of the surrounding rock of the subsidencecolumn under the mining influence through numerical simulation,whose results show that the roof water source of No.15 coalseam mining face is K2、K3、K4limestone aquifers without threat to the production safety of the mine;and there is a leakage areain the surrounding rock of the karst collapsed column under the mining influence with 65m-wide waterproof protective coal pillarto ensure the safe production of the working face.Key words:subsided column;design of protective coal pillar;Ordovicianlimestone confined water;mining under pressure;numerical simulation阳煤二矿岩溶陷落柱防水保护煤柱宽度设计李 骏（山西华阳集团新能股份有限公司二矿，山西阳泉0 4 5 0 0 8）1工程概况阳泉煤业（集团）股份有限公司二矿（以下简称阳煤二矿）东距阳泉市约5k m。二矿井田范围内，可采和局部可采煤层有3#、6#、8#、9#、1 2#、1 3#、1 5#煤共七层煤，各煤层的厚度及间距如表1所示。现生产采区为：3#煤层1 5区；8#煤层1 3区；1 5#煤层6、7、8、9、1 0、1 1、1 2、1 3采区。1 5#煤1 1、1 2、1 3采区将进入带压开采区，工作面回采将受到底板突水的威胁，尤其是奥陶系灰岩岩溶裂隙水可能通过岩溶陷落柱或导水断层造成突水，中奥陶统灰岩含水层富水性较好，灰岩岩溶裂 隙水位+3 8 7.7+4 1 2.3 6m，1 5#煤底板最低标高+2 7 0m。阳煤二矿井田范围内共发现陷落柱1 3 6个，其中地表揭露2个，钻孔揭露1个，井下揭露1 3 3个。陷落柱到达3#煤层的5 7个，到达其它煤层的7 6个。陷落柱的影响表现在：一方面，成为导通上顶部水体和开采空间的天然通道；另一方面，成为导通底板水与开采空间的通道，造成底板突水。1 5#煤层1 1、1 2、1 3采区带压开采工作面范围内存在多个岩溶陷落柱，为保障矿井的安全高效生产，需展开相关研究。215#煤带压开采区域水文地质条件评价2.1顶板水害分析按照生产规划，期内1 5#煤采高6.3m。1 5#煤层冒落带高度计算1：H1 5#m=1 0 0 M2.1 M+1 6+2.2=2 3.7 5（1）1 5#煤层导水裂缝带高度计算：H1 5#li1=1 0 0 M1.2 M+2.0+8.9=7 4.8 0（2）所以导水裂隙带高度取较大值7 4.8 0m。K2灰岩为太原组主要含水层，平均厚5.2 6m，位于1 5#煤层之上2 0m左右，是开采1 5#煤的直接充水含水层。该含水层在矿区北部及东部有出露，在1 3 1江西煤炭科技2023年第1期含煤层段煤层号煤层厚度/m最小最大平均煤层间距/m最小最大平均稳定性煤层结构（夹石层数）煤层厚度稳定性可采指数可采性山西组P1s30 3.8 01.9 2较简单（1 2）较稳定0.8 5大部可采60 1.9 91.2 2简单不稳定0.5 1局部可采太原组C3t80 5.8 22.8 5较简单（1 4）稳定0.9 0大部可采90 5.4 02.7 6较简单（1 4）较稳定0.8 9大部可采1 20 2.5 11.3 8较简单（1 2）较稳定0.7 8大部可采1 30 1.3 00.8 6简单不稳定0.4 6局部可采1 55.3 0 8.9 06.8 3较简单（1 4）稳定1.0 0全部可采1 2.4 0 3 4.6 02 2.6 04.2 0 3 7.0 01 9.1 00 3 1.0 01 0.0 05 1.6 7 5 2.7 02 4.0 46.2 0 2 5.0 01 1.6 01 3.5 0 6 0.1 52 9.7 5表1可采煤层情况一览地表呈狭窄条带状分布。当埋藏于河床冲积层之下，或在矿区东部埋藏浅的地区，岩溶裂隙发育，富水性强，单位涌水量为9.3 8 1 0L/sm，渗透系数为6 0.8 9 1 7 1.4 0m/d；而在远离河床，埋藏较深的地段，富水性弱，单位涌水量仅为0.0 5 4 0.0 8 4L/sm，富水性差异明显。K3、K4灰岩属太原组含水层，岩溶裂隙发育程度次于K2灰岩，它们分别为1 3#和1 1#煤层的顶板，与1 5#煤层间距分别为3 0.6 1m和5 1.4 7m，是开采1 2#煤的直接充水含水层，单位涌水量为0.0 0 02 0.0 0 1L/sm，渗透系数为0.0 0 93 0.0 0 56m/d，矿化度为0.6 4 1g/L，富水性弱。根据计算，1 5#煤煤层顶板上覆K2、K3、K4三层灰岩含水层处在1 5#煤采动冒落带和裂缝带范围内，为1 5#煤层的直接充水含水层，随着顶板的垮落产生周期性来水。根据以往生产经验，巷道揭露最大涌水量2 3.8m3/h，回采工作面最大涌水量4 0.0m3/h，分析不会对1 5#煤层造成回采工作面涌水量剧增。2.2底板水害分析以隔水层最薄的1 5#煤为例，对隔水层岩性与结构、阻水能力、突水系数等进行分析，对1 5#煤开采的水文地质条件进行评价。钻孔揭露1 5#煤层至奥陶系灰岩顶面情况如表2所示。从表1可知，1 5#煤至奥陶系灰岩顶面的泥岩、砂岩、灰岩交互沉积排列，泥岩是良好隔水层，泥岩占比越高，1 5#煤底板次生裂隙就越少，抗渗性就越好，奥陶系灰岩越不容易导升；泥岩的不利之处在于其强度低，在矿山压力作用下容易变形。砂岩强度较高，可视为刚性岩层，其优点是强度高，抵抗矿压破坏的能力强，缺点是岩石次生裂隙多，抗渗性较差。对于阳煤二矿，如果底板岩石的阻水能力按0.1M P a/m考虑，奥陶系灰岩岩溶裂隙水位按最高水位+4 1 2.3 6m考虑，1 5#煤底板最低标高+2 7 0m，则1 5#煤层承受奥陶系灰岩承压水的压力1.4 0M P a，需要有效保护层1 4m。底板破坏深度根据建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程 中对全国二十几个矿井的实测资料的回归分析所获得的公式计算，底板破坏深度经验公式2：Hd=0.0 0 85 H+0.1 6 65+0.1 0 79 L-4.3 5 79=1 9.3 8m（3）式中：H为采深，m；取7 0 0m；为煤层倾角，取5；L为工作面斜长，m；取1 7 0m；计算得1 5#煤层底板采动破坏深度为1 9.3 8m。根据阳煤二矿井田综合柱状图，阳煤二矿1 5#煤至奥陶系灰岩孔号岩性厚度/m1 5#煤底-奥陶系灰岩顶厚度/m百分比/%泥岩砂岩灰岩泥岩砂岩灰岩O2d-3 2 8.0 2 3 2.3煤0.4 6 0.7 24 6.1 5 3.2煤0.7O2d-4 3 7.2 6 1 2.8 1 4.4 35 4.56 8.4 2 3.58.1O2j-16 5.11 1.81.8 77 8.7 78 2.6 1 5.02.4O2j-44 4.4 3 2 0.106 4.5 36 8.9 3 1.10平均4 3.7 0 1 9.2 5 1.6 86 4.6 3 6 6.5 0 3 0.7 0 2.8 0表2钻孔揭露15#煤至奥陶系灰岩顶面情况汇总1 3 2江西煤炭科技2023年第1期顶板平均厚度6 4.6 3m，考虑1 9.3 8m的底板导水破坏带，在不计导升高度的情况下，有效保护层厚度为6 4.6 3m-1 9.3 8m=4 5.2 5m，井田有效保护层厚度大于临界保护层厚度，煤层底板水突然涌出的可能性小，1 5#煤层1 1、1 2、1 3采区可以进行带压开采。但是由于矿区内存在多个陷落柱，陷落柱将破坏底板的隔水能力，导致工作面存在底板突水的威胁性，仍需予以关注。3导水陷落柱防水煤柱留设宽度研究3.1防水煤柱理论计算分析根据煤矿防治水规定，采煤工作面邻近强含水区域时，其间煤柱的宽度不应小于2 0m，且不小于L3：L=0.5 KM3 PKp（4）式中：L为防水煤柱宽度；K为安全系数，一般为2 5；M为工作面采高，3 1 3 0 1工作面采高为6.2m；P为承压水水头压力，取1.4M P a；Kp为煤体的极限抗拉强度；实验室测得1 5#煤层抗拉强度为0.5 4M P a。通过上式可得，陷落柱附近回采工作面防水保护煤柱宽度应不小于4 7.6 2m，安全系数取5时，防水煤柱宽度为4 8m即可满足要求。3.2防水煤柱宽度模拟分析为掌握岩溶陷落柱在附近工作面采动影响下导水通道的发育情况，以合理设计导水陷落柱防水煤柱的宽度，以阳煤二矿1 5#煤层1 3采区3 1 3 0 1工作面为例，建立存在岩溶陷落柱的三维矿井模型。陷落柱水平切面上多为椭圆或近椭圆状，陷落柱模型采用平顶锥形，底圆和顶圆直径分别为3 0m、6 0m，高度为1 5 0m，陷落柱周边破碎带基本呈圆柱状，直径约9 0m；垂直方向贯通3#、8#、1 5#煤层，底部在奥陶系灰岩含水层。陷落柱采用接口软件R h i n o进行建模4，三维模型整体为六边形长方体，长、宽、高为7 0 0m、3 5 0m、4 7 5m，回采工作面沿模型宽度方向布置，倾斜长度为1 7 0m，工作面两侧距模型边界各为8 0m的实体煤，工作面开切眼距陷落柱中心3 0 0m，工作面对应层位陷落柱圆形切面直径为5 0m，建立的三维数值模型详细情况如图1所示。在工作面长度方向中部取竖直截面，得到工作面及