老空区水体下薄煤层联合开采的安全性评价
摘 要 以现场实测结果为基础，利用反演分析和数值模拟计算手段对赵坡煤矿四采区下山部分距老空区水体下极限距离的16#、17#薄煤层联合开采的安全性进行了评价，并制定了相应的开采方案和技术措施，保证了生产的顺利进行。
关键词 老空区水体；薄煤层联合开采；安全性评价
中图分类号：TD823.89 文献标识码：A
文章编号：1005-2763(2000)03-0001-04
Evaluation of the Safety of Combined Mining of Thin Seams under Water Body in Mined Area
ZHANG Wen-quan，XIAO Hong-tian，ZHANG Hong-ri
(Shandong University of Science and Technology,Taian City,Shandong 271019,China）
KONG Ling-zhen，WANG Xu-cheng
（Zhaopo Coal Mine,Tengzhou,Shandong 277100,China)
Abstract On the basis of site actual measurements,the safety of the combined mining of 16# and 17# thin seams under water body in the 4th mining area of Zhaopo Coal Mine was evaluated by means of inversion analysis and numerical modeling.Some relevant mining scheme and technical measures were worked out so as to ensure smooth production.
Key Words Water body in mined area;Thin seams;Combined mining;Safety evaluation
赵坡煤矿是枣庄市的一个中型地方矿，目前开采煤层共有4层，分别为12#、14#、16#、17#煤层，煤层厚度均不大。四采区下山部分12#、14#煤层已回采完毕，老采空区内储存了大量的水(老空水)。其水体正下方是16#、17#煤层联合开采布置的一对工作面。初步估计16401工作面顶板至14#煤层底板的有效岩柱厚度与防水安全煤岩柱厚度极为接近，因此，上部老空区水体的存在对下部16#、17#煤层的开采将带来极大的威胁。若此煤不采，赵坡煤矿不仅浪费了极为有限的资源，而且导致严重的采掘失调，损失很大。为此，该矿与山东科技大学合作，对16#煤层所造成的覆岩导水裂隙带发育高度进行了现场探测，并进行了覆岩破坏数值模拟分析，据此反演分析了16#、17#煤层联合开采覆岩裂隙高度和12#、14#煤层联合开采对底板的采动破坏深度。对16#、17#煤层联合开采进行了安全性评价，制定了开采方案和相应的安全技术措施。
1 覆岩导水裂隙带探测
1.1 覆岩导水裂隙带高度预计
极限距离老空水下的矿层开采是否安全，关键在于覆岩导水裂隙带高度的准确确定。为了取得赵坡矿16#煤层开采覆岩导水裂隙带高度的实测资料，首先在了解欲实测工作面(已采)地质开采条件的基础上，进行采动覆岩导水裂隙带高度预计，然后制定出合理有效的观测方案及工程设计。
根据赵坡矿的地质采矿具体条件，我们选择了16#煤层16201工作面进行了覆岩导水裂隙带高度实测。16#煤层的平均厚度为1.23 mm，倾角平均8°，顶板岩层属于中硬类型。采用炮采，全部垮落法管理顶板。根据有关公式计算，其导水裂隙带高度为31.91 mm。
1.2 观测工程布置
本次研究利用我们研制的新产品——前端泄漏式多回路注(放)水观测系统，根据现场条件采用了下斜孔，观测钻孔布置如图1所示。然后按微分方式分段注(放)水进行观测，根据注(放)水量判定采动冒裂带最大高度。
图1 井下观测钻孔布置图
1.3 现场观测资料分析
16201工作面观测试验孔微分方式注水漏失量观测结果见图2所示。
图2 钻孔漏失量观测结果
1.3.1 采前孔观测资料分析
采前孔(98-4#)钻进深度为40 m，实际观测深度为35 m，从分段注水漏失量观测结果来看，在4 m位置处漏失量较小，在10 m位置处漏失量相对较大，而21.5 m位置处漏失量则不大，说明底板岩石的原生裂隙比较发育。钻孔施工完成后，封闭在钻孔内部的水量没有明显减少，这说明即使该钻孔内部有小的裂隙存在，但这些裂隙并不具有连通性，仅仅是局部裂隙而已。
1.3.2 采后孔观测资料分析
进行了3个采后钻孔的观测。由于采用下斜孔，钻孔施工过程中，其钻进用水大量流失的位置即是下方裂隙带较大裂隙发育的位置(相当于简易水文观测法)。98-1#、98-2#、98-3#3个采后孔钻进用水量流失的位置分别为22.5，18.25，15.75 m。
根据采后3个钻孔的注水观测结果，与采前钻孔的观测结果相比，可以看出从孔口开始的2～6 m段，均有不同程度的漏失量，说明在这个位置的孔段上，12#煤层底板岩层的裂隙是由于巷道施工过程中形成的围岩松动圈导致了钻孔的浅部漏水。
在14～18 m段，98-2#孔有漏水点，但与下方22～24 m漏水段又有4 m岩柱的间距，而98-1#孔在17 m处有漏水点，98-3#、98-4#两孔则无漏水点，检验钻孔柱状，该段为15#煤层，一般原生裂隙发育，说明该段漏水点是15#煤层局部的原生裂隙而非采动导水裂隙。
98-1#(直孔)孔实际观测深度为20 m，反算16#煤层顶板覆岩高度是32 m，该孔除17 m处有因岩层原生裂隙发育的漏水点外，其余孔段均不漏水，这说明16#煤层顶板覆岩至少从32 m以上未破坏。98-3#(倾角6°)孔实际观测深度为29.5 m，除孔口2～6 m段有漏水外，只有29 m位置处(反算为16#煤层顶板覆岩高度是23 m)才有一比较小的漏失量，在整个钻孔的其它深度均没有漏水点。而29 m位置处岩层为中砂岩，岩层本身致密，对比采前孔此深度处并无因岩层原生裂隙发育的漏水，因而此处为采动裂隙，亦即从该孔测试结果表明16#煤层顶板覆岩采动导水裂隙带高度是23 m。而98-2#(倾角3°)孔实际观测深度为25 m，距孔口2～6 m段，钻孔亦有少量的漏水，再往钻孔深部一直到14 m之前，均没有漏水，从14～18 m段钻孔漏失量较大，22～24 m段也有一定的漏失量，在钻孔的其它孔段均没有漏水。14～18 m段钻孔漏水是因岩层原生裂隙发育，而22～24 m(反算为16#煤层顶板覆岩高度是27～30 m)段的漏水与14～18 m段不连续，同时22～24 m段岩层为粉砂岩，岩层本身也较致密，对比采前孔，此段并无因岩层原生裂隙发育的漏水，故此处为采动裂隙漏水。结合钻孔钻进时较大裂隙发育高度为22.5 m，并根据从该孔测试结果，分析出16201工作面顶板覆岩包括微小的导水裂隙在内的采动裂隙带最大高度为30 m。
2 联合开采的安全性评价
2.1 力学模型和力学参数的反演
由于现场岩层的复杂性，室内测得的岩石力学参数与实际值有一定的差距，如何准确选取计算用的力学参数，是计算成功的关键。为达到能正确地分析和预测现场的情况，我们首先对16201工作面上覆岩层结构进行了详细分析，确定了计算模型和计算网络，对该工作面上覆岩层的破坏情况反复进行了计算模拟，得到了16201工作面上覆岩层的点安全度和应力分析情况。图3为该面覆岩的点安全度分布情况。
图3 16201面覆岩点安全度分布图
为便于分析，引入点安全度，对于完整岩体，点安全度定义为：
对于断层或破碎带，点安全度定义为：
式中，(x′，y′，z′)为断层的局部坐标。f，c为岩体的摩擦系数和内聚力，φ为内摩擦角。
对于屈服区，PSF=1.0，破坏区PSF＜1.0，工程上通常要求PSF＞1.2。因此我们将点安全度
的区域划定为煤层开采后覆岩破坏与危险的区域符合工程惯例，更符合煤矿安全生产的要求。分析点安全度分布情况，发现点安全度小于1.2的区域的最大高度为31 m，也就是说16201工作面上覆岩层最大破坏高度计算模拟结果为31 m。这与该区岩体实测的导水裂隙带发育最大高度数据比较吻合，所得力学参数与实测岩石力学参数也较为吻合。由此得到了分析此区的较为正确的力学模型和力学参数。
2.2 16#、17#煤层联合开采覆岩裂隙带高度分析
由于16#、17#两煤层间距不足6 m，因此16#、17#两煤层联合开采可看成一煤层开采。利用反分析得到的力学模型和力学参数，可计算分析预测16#、17#两煤层联合开采导水裂隙带的高度。图4为16#、17#两煤层联合开采的点安全度分布计算分析结果图。分析图4点安全度的分布情况，可以看出点安全度小于1.2区域最大高度为28.5 m。由此得到16#、17#两煤层联合开采的导水裂隙带最大高度为28.5 m。
图4 16#、17#煤层联合开采点安全度分布图
2.3 12#、14#煤层联合开采底板破坏深度分析
目前底板采动破坏带深度回归计算公式是由中厚及厚煤层分层开采的实测结果统计分析而来。对于类似赵坡矿这样的薄煤层开采条件下的资料，统计数据中所含不多，因而单纯用此统计数据计算出的底板采动破坏深度，准确度不便确定。从常规分析来说，薄煤层采出空间小，矿压作用也小，因而造成的底板采动破坏带深度较小。但具体减少的数值则不易确定。我们采用数值分析来解决此问题。16401工作面导水裂隙带的高度，是利用反分析得到的力学模型和力学参数，进行计算分析预测得到的。因而16401工作面上方，12#和14#两煤层联合开采的底板采动破坏带深度也可以利用此力学模型和力学参数来进行计算分析预测。分析点安全度的分布情况(见图5)，可以看出点安全度小于1.2的区域最大深度为9 m。由此可以认为12#和14#两煤层联合开采底板采动破坏带深度为9 m。这比公式预计结果小许多，加之，12#煤层底板为石灰岩，弹模大，强度高，因而抵抗断裂破坏作用较强，假使断裂破坏突破此灰岩层，其下14#煤层又属塑性很强的岩层，可较好吸收断裂能量，减缓其破坏力度。同时，14#煤层底板又含有遇水膨胀物质，也就是说，12#和14#两煤层联合开采底板采动破坏带深度有可能比数值模拟结果还要小一些。为安全起见，仍取其破坏深度为9 m。
图5 12#、14#煤层联合开采点安全度分布图2.4 16#、17#煤层联合开采安全性分析
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》中相关规定，结合赵坡矿的具体地质采矿条件，16401工作面覆岩属中硬岩层，其在12#、14#煤层老空区水下开采可作为松散层底部无粘土层的情况来处理，因此，其防水安全煤岩柱的保护层厚度应按下式计算：
式中：ΣM——采高；
n——分层层数。
代入相应数值，得到保护层厚度为：
Hb=6×1.2=7.2 m
考虑到16#、17#煤层联合开采的导水裂隙带最大高度为28.5 m，即HLi=28.5m，则防水安全煤岩柱的厚度为：HSH=HLi+Hb=28.5+7.2=35.7 m。
根据前面分析可知，12#和14#煤层联合开采底板采动破坏带深度约为9 m，因而16401工作面顶板至14#煤层底板的有效隔水岩柱厚度为16401工作面顶板至14#煤层底板的最小距离(45.5 m)减去12#和14#两煤层联合开采底板采动破坏带深度(9 m)，即有效隔水岩柱厚度为36.5 m。可见HSH小于有效隔水岩柱厚度。因此，16#、17#煤层联合开采从理论上讲是安全可行的，但已接近临界状态。并且，由于存在定位、测量误差等方面的因素，尤其是工作面内的小断层往往容易被忽视，但是许多事实证明小断层的切割并不一定不深，已有资料亦证实在断层带覆岩导水裂隙带发育高于正常区域，这就造成顶板有效隔水层的厚度大大减小。而16401工作面顶板至14#煤层底板的有效岩柱厚度减去防水安全岩柱厚度后，所余岩柱厚度较小，仅有0.8 m。因此，采动裂隙(尤其在断层附近)可能与上方老空水沟通，导致产生安全问题。但矿校双方技术人员经过仔细研究认为，本矿区煤层厚度无突变现象，小断层的切割并不太深。因此，采动裂隙一般不会与上方老空水沟通。即使沟通也是发生在覆岩破坏带上部的微小裂隙处，工作面涌水量必将增加，但不会危及人员生命安全。故本区开采时，工作面可按正常尺寸设计，但上下两煤层开采错开距离应比正常距离加大，同时在采取周密的防排水等安全措施后，方可进行开采。
3 结束语
井下钻孔钻进时以简易水文法测得的16201工作面顶板采动导水裂隙带最大裂高是22.5 m，利用山东科技大学特有的新技术——前端泄漏式多回路注(放)水系统，探测到的最大裂高是30 m。考虑12#、14#煤层联合开采所造成的底板破坏深度(9 m)，按裂高是22.5 m来分析，14#与16#煤层(间距45 m)之间仍有13.5 m的保护岩柱，16#煤层开采时不会出现上方老空水渗漏现象，而按裂高是30 m分析，14#与16#煤层之间已无保护岩柱，微小裂隙将与上方老空水沟通，16#煤层开采时将出现老空水渗漏现象，在断层附近还可能有老空水溃出的危险。实践证明正如上述分析。16#煤层16401工作面自切眼开始推进至40多米时，顶板仅有0.15 m3/min的涌水量。推进到90多米时，涌水量一直保持在0.15 m3/min左右，但此时该面下方17#煤层工作面刚推进6 m，由于受重复采动的影响，采动裂隙(尤其上部微小裂隙)高度增大，导致裂隙与上方老空水沟通，从17#煤层工作面切眼位置一小断层破碎带处涌出老空水，最大涌水量达1.5 m3/min。由于防排水等安全措施实施得力，此老空水涌出未危及人员安全，只是增加了排水费用，提高了吨煤成本。但随上方老空水的部分疏降(实际观察)，水压力减小，加之，顶板岩层回落压实，裂隙(尤其上部微小裂隙)闭合，渗透性降低，水量逐渐减少至0.1 m3/min，生产转入正常，这比购置大流量水泵，全部排空老空水，节约了近百万元。
由此表明，类似赵坡矿有效岩柱厚度较小，甚至达到极限的近距离老空水下的煤层开采，在采取正确的开采方案和周密的防排水等安全措施后是可以进行的，经济效益也十分明显。
山东省自然资助项目
张文泉，博士，副教授，主要从事采矿技术研究．
张文泉（山东科技大学，山东 泰安 271019）
肖洪天（山东科技大学，山东 泰安 271019）
张红日（山东科技大学，山东 泰安 271019）
孔令珍（赵坡煤矿，山东 滕州 277100）
王绪成（赵坡煤矿，山东 滕州 277100）
参考文献
1，北皂煤矿，山东矿院特采所.北皂煤矿煤
2，开采覆岩冒裂带高度观测研究报告，1993.2杨林德.岩土工程问题的反演理论与工程实践.北京：科学出版社，1996.
3，黄荣撙.水力压裂裂缝的起裂和扩展.石油勘探与开发，1981(5).
