特厚煤层综放开采覆岩破坏及煤柱安全性研究

特厚煤层综放开采覆岩破坏及煤柱安全性研究

随着大型矿部资源的逐渐枯死、国家战后的高产政策的实施，以及采矿许可门槛的提高，许多不符合安全和生态环境标准的矿山被关闭。针对闭坑矿井水害问题，黄炳香等研究较为特殊之处在于两矿相邻且以大断层为界，原始断层的导、含水性差。闭坑矿工作面已开采至断层处，采空区向边界断层充水，并且闭坑水压按井田含水层最大水位考虑，邻矿受闭坑矿井充水影响较大。为此以三河尖煤矿和姚桥煤矿西翼采区采矿、水文地质条件为基础，采用非线性三维数值计算软件FLAC1井面积总结1.1采水和采矿条件1.2围岩变形情况综合分析根据矿井的地质概况以及工作面开采过程中引起的围岩变形情况综合分析认为，两矿工作面开采的围岩破坏是否连通；三河尖矿采空区积水后渗流场是否与姚桥矿工作面破坏场连通。2数值模拟2.1工作面方案确定针对三河尖煤矿闭坑后，该矿7煤工作面与姚桥矿7煤工作面间隔煤柱的安全性问题。模拟两矿7号煤相邻两面开采引起的覆岩破坏情况为方案1；在采空区充水加压后渗流场与破坏场耦合云图的贯通情况为方案2。方案简介及具体步骤如下所述：1）方案1。根据钻孔的揭露情况，模拟三河尖矿7煤与相邻姚桥矿7煤工作面开采，并观察围岩塑性破坏区发育及贯通情况。三河尖煤矿7煤7409工作面推进方向基本垂直于井田边界沿剖面平行向右，其工作面长度为147m，推进160m，且一次性推进完毕；姚桥煤矿7煤1103工作面推进方向基本垂直于井田边界沿剖面平行向左，其工作面长度设置为120m，设计推进长度依次为100、150、200m。2）方案2。在确定导水断裂带发育到最高后，分别考虑不导水断层和导水断层2种情况下，对三河尖煤矿工作面采空区充水加压，而姚桥煤矿一侧由于矿井排水，则没有大范围积水，相对水位为“0”。三河尖煤矿最高充水水源为第四系松散层含水层，故井田最终平衡水位将与第四系松散层水位一致，经现场实测资料可知，本区内第四系松散含水层最高水位为+34m,7409工作面相对姚桥工作面采深为-929m，计算可得三河尖7409工作面闭坑后的水压为9.63MPa，由其渗流场与姚桥煤矿相应工作面破坏场的耦合云图论证煤柱的安全性。2.2模型划分单元分布基于FLAC模型长1000m，宽200m，高700m，整个模型共划分为168480个单元，共有183015个节点；并且使用接触面模拟F3模拟结果3.1岩石变形和破坏3.1.1工作面进入期的确定三河尖煤矿7煤7409工作面采空区对应姚桥煤矿7煤工作面的推进长度为100、150、200m，开切眼距F1）在姚桥煤矿7煤工作面推进过程中，对应垮落带和导水断裂带不断发育。垮落带高度随着工作面推进长度的增加，在工作面推进100m时，其垮落带高度基本上已经发育到最大高度。导水断裂带高度发育过程为，当工作面推进到100m时其值较小；当推进到150m时其值有较大程度的增加；当推进到200m时，破坏区域虽有所增大，但高度的变化不大，这时候可以基本确定导水断裂带发育到最大高度。经过测量得出河尖矿7煤充分采动时“两带”高度分别为36.17、79.53m，姚桥矿7煤分别为34.58、77.37m。2）在破坏高度发育到最大时，各个剖面的相对两面的塑性破坏区并没有贯通，故可以断定在三河尖煤矿7煤采空区未积水的情况下，两矿各自所留设的煤柱尺寸，可以满足姚桥煤矿7煤相应工作面的回采要求。3.1.2应力集中采空区姚桥煤矿7煤工作面推进200m时，选取剖面y=100上的竖直应力云图来分析两对应工作面煤柱留设尺寸的安全性。在此剖面位置上，两对应工作面垮落充分，采空区边缘应力集中明显，具有针对性。两矿对应工作面竖直应力等值线图如图4。1）三河尖姚桥两工作面采空区上部出现应力降低区域，覆岩应力主要由采空区围岩及周围煤柱承担，引起采空区四周竖直应力升高，出现应力集中现象。集中最大值位于煤柱距离采空区边缘约10～40m之间，压应力最大达到5.7MPa，该处应力集中区大致与对应采空区导水断裂带发育高度相一致，并且底板应力降低，也向煤柱内部转移，其应力集中区大致与底板破坏深度相一致。随着所处位置与采空区范围距离的增大，其应力集中程度逐步减弱。2）在邻近煤层顶板“0”等值线内的区域主要是拉应力区域，最大拉应力为1.2MPa当拉应力区域有微裂隙时，在裂隙的端部产生应力集中，顶板岩层中的拉应力集中系数变得更大，由于岩石抗拉强度很低，出现拉应力区时，该区域岩石极易垮落。因而，该区域与垮落带高度相对应。3）两矿对应工作面间隔煤柱上的应力集中主要出现在采空区边缘，相距较远的区域未出现应力集中现象；并且在间隔煤柱周围，除过在其上方较远处，受断层影响，出现应力突变外，其余区域没有出现以上应力异常情况；此外，在断层附近围岩受压应力，故在该区域岩体中不易生成裂隙而降低岩体稳定性和整体性。综上可知，两矿对应工作面间隔煤柱在应力上是安全的。3.2渗透场的变化3.2.1储层渗流场向非均一特征边界水压力变化规律通过采掘工程揭露表明，F1）从图5可以看出，工作面两端头围岩的渗流速度大于中部围岩的渗流速度，在距工作面两端头20m左右的工作面范围内的渗流速度大。靠近断层处，沿断层方向的渗流速度大于其余方向的渗流速度，且随着距工作面的距离逐渐增大，渗流速度逐渐减小。2）孔隙水压力由工作面向四周逐步扩散，并不断减小，在某个临界面变为0，将此临界面视为渗流场的临时边界。孔隙水压力变化曲线图如图7。从图7可以看出，随着模拟监测点与煤层顶板竖直方向上的距离不断增加，孔隙水压力逐渐减小，从60m开始孔隙水压力开始急剧下降，与导水断裂带的发育高度相符合。3）在围岩塑性破坏场与渗流场耦合的过程中，塑性破坏区渗透系数急剧变化，渗流场边缘为不连续状态，塑性破坏区对其产生导向作用。在扩散至断层时，有沿着断层向下移动的趋势，最大向下扩散距离为106m。4）三河尖煤矿工作面在渗流扩散过程中沿F3.2.2断层-水压力场由于F1）从图8可以看出，工作面两端头围岩的渗流速度大于中部围岩的渗流速度，在距工作面两端头20m左右的工作面范围内的渗流速度大。靠近断层处，沿断层方向出现了明显的渗流通道，且相比于不导水断层渗流速度更大。随着距工作面的距离逐渐增大，渗流速度逐渐减小。2）导水断层孔隙水压力场整体与断层的地质特征一致；沿着断层上下盘形成一定的渗流场。断层的横断面积非常大，在相同水力条件下，渗透区域远大于其它特殊的导水构造。3）孔隙水压力由断层向四周扩散，并不断减小，在某个临界面变为0；将此临界面视为渗流场的临时边界。沿断层最大向下扩散距离为322m。4）当渗流场靠近围岩塑性破坏场时，塑性破坏区渗透系数急剧变化，渗流场边缘为不连续状态，塑性破坏区对其产生导向作用。5）相对于不导水断层，渗流场沿断层面向下延伸，波及范围明显增大。但姚桥煤矿工作面塑性破坏场并未与三河尖矿工作面的渗流场贯通，说明三河尖煤矿工作面在充水加压的情况下，姚桥煤矿工作面充水量小，工作面可安全回采。4工作面剖面位置的确定1）三河尖矿7煤为36.17、79.53m，姚桥矿7煤开采“两带”高度为34.58、77.37m，两矿工作面开采的破坏区域均未出现重叠导通的现象，并且间距较大，满足对煤柱安全性的要求。2）