摘要:为研究特厚煤层底板灰岩水对煤层回采的影响,利用FLAC3D软件对煤层回采过程中底板破坏深度进行数值模拟研究,结果与原位动态监测得到的底板破坏深度22m基本吻合。运用层次分析法对底板破坏因素进行权重分析,获得底板突水危险性分区图。研究成果可为煤矿底板水害防治提供技术依据。
关键词:特厚煤层;破坏深度;危险性评价
0 引言
厚煤层综放开采因其回采效率快、经济效益高等特点,引起煤矿企业高度重视。国内学者在该方面也做了相当研究工作。张郑伟[1]通过现场实测数据以及建立力学模型,研究厚煤层开采底板损伤变形破坏规律;张俊杰[2]等通过建立分区变权模型,分析不同因素指标组合对权重变化的影响,以提升对底板突水脆弱性评价的精确预测;王高峰[3]提出特厚煤层一次采全高采动裂隙更明显,底板涌突水问题发生的可能性增大。杨本水[4]等利用显微镜结合孔间电法成像技术观测底板渗流演变规律。
对于特厚煤层综放开采技术多数学者集中于顶板冒落破坏以及冲击地压等相关方向的研究,对于底板破坏深度以及带压开采对底板涌突水的研究相对较少。本文以龙王沟煤矿为例,通过建立三维数值模型以及层次分析法对采动煤层底板破坏深度以及突水危险性进行评价。
1 研究区概况
行政区划属鄂尔多斯市准格尔旗薛家湾镇管辖的龙王沟煤矿,是一位于西黄家梁背斜西北翼的单斜构造,设计生产能力10Mt/a。本文以龙王沟6煤层首采面61601工作面为研究对象,煤厚18.8~28.8m,平均23.83m,埋深352~395m。钻孔揭露主采6号煤层底板岩性以泥岩、砂质泥岩为主,属软弱岩类。
2 煤层采动底板破坏深度模拟研究
2.1 模型建立
根据61601工作面实测地质条件,该工作面平均煤厚23.83m,煤层倾角0°~5.5°,以工作面附近3号和观8号钻孔地层信息为参照,得到岩石力学参数,建立三维立体模型,如图1所示。模型长宽高分别为800m*600m*520m,模型共417600个网格,434808个网格节点,其中6煤距奥灰距离为44.5m。
依据实际开采情况,设定四周和底部边界位移固定,设置所有的节点速度和应力为0;设计采面总长为400m,开挖步距为20m。
2.2 模拟结果分析
推进距离为20m时,采空区底板产生塑性破坏,随煤层回采继续向前推进,塑性破坏区面积持续增大;底板破坏深度在采空区中部位置破坏深度最大,推进距离达160m前,底板破坏区域呈对称式半椭圆形分布,且推进步距为160m时,底板塑性破坏至奥灰界面顶部。工作面继续向前推进,底板塑性破坏深度缓慢增加,回采距离至400m停止时,隔水层并未完全导通奥灰水,煤层底板塑性破坏演变如图2所示。
2.3 底板破坏深度动态监测
在61601辅运顺槽设计实际监测孔1个,布置2条测线于巷道中,每条16个电极,监测距离169m。对监测得到的钻孔视电阻率图和巷道电阻率剖面图等进行综合分析,得到采后高阻区底板破坏深度约22m。
3 底板突水危险性评价研究
利用充水含水层、地质构造、隔水层性能及矿压破坏所涵盖的11个因素对6煤底板突水指标进行分析。依据钻孔抽水试验资料,单位涌水量q值在0.0649~1.4807L/(s·m)间,富水性弱~强;渗透系数在0.0117~0.633067(m/d)之间;水压值为-0.03142~1.82995(Mpa)之间。构造复杂程度利用分形理论借助ArcGIS软件进行拟合;断层规模采用GIS中的克里金插值拟合而成。6煤到奥灰的隔水层厚度在33.7~56.85m之间变化;等效隔水层厚度为28.31~41.61m间;脆塑岩厚度比在0~1.08%之间。各影响因素专题图如图3所示。
(a)奥灰富水性专题图 (b)奥灰水渗透系数专题图 (c)奥灰水压专题图
(d)构造复杂程度专题图 (e)断层规模指数专题图 (f)隔水层厚度专题图
(g)等效隔水层厚度图 (h)脆塑岩厚度比专题图 (i)煤层厚度专题图
(j)煤层埋深专题图 (k)煤层底板破坏深度
利用层次分析法,通过对各影响因子之间相互比较确定诸因素的相对重要性,并邀请相关工作人员对各影响因子打分,得到各主控因素权重值如表1所示。
将各影响因素数值利用白化权函数计算得危险性隶属度关系,为得到危险性关联度矩阵采用了邓氏灰色关联理论进行计算,将其进行最优模型计算得危险性评价分区,如图4所示。
4 结论
通过建模对煤层回采底板破坏深度与现场实际布置动态监测孔所得数据基本吻合,说明利用flac模型对煤层采动分析有参考价值。并通过层次分析法对影响煤层底板突水因素进行权重分析,计算得到6煤层底板突水危险性评价分区图,为煤矿后期开采6煤层底板防治水提供一定的借鉴意义。
参考文献
[1]张郑伟.特厚煤层综放开采对底板变形损伤的影响研究[J].同煤科技,2021(03):7-10.
[2]张俊杰,刘守强,纪润清,曾一凡,刘祥宇.基于分区变权及AHP的煤层底板突水脆弱性评价[J].矿业科学学报,2020,5(02):131-139.
[3]王高峰.厚煤层综放开采底板水害探查技术[J].自动化应用,2020(09):136-137.
[4]杨本水,黄天缘,宣以琼,刘结高,程爱民,翟恩发.特厚煤层综放开采底板破坏及阻隔水性能分析[J].安徽建筑大学学报,2019,27(03):28-33.
作者简介:李延辉(1970年5月-),男,汉,山东省泰安市,2011年毕业于山东科技大学采矿工程,本科,工程師,现从事煤矿水文地质工作。