论芦岭煤矿810采区提高回采上限的可行性研究
目录
1 前言
2 第四系水文地质特征
3 基岩风化带的水理性质
4 垮落带和裂隙带的最大高度
5 对回采的几点建议
6 结论
关键词:模拟分析;垮落带;裂隙带;回采上限
1 前言
芦岭煤矿位于安徽省宿县东南部,隶属于淮北矿业集团,是一座开采年限悠久的老矿。地质构造为宿东向斜的南半部,含煤地层为石炭系二叠系,可采煤层7层,主采4层;可采总厚(平均)15.85m,煤层缓倾斜,一般倾角8°～20°,南部局部达60°,现煤矿生产水平为-210～-400 m。为延长矿井的服务年限,提高经济效益和资源回收率,本文以810采区作为芦岭煤矿实现安全回采的范例,进行了提高回采上限的可行性分析。810采区为井田西冀的一个孤立的短轴向斜盆地,轴向NW,轴部为二叠系,地层角度较平缓,煤层赋存条件较好,基岩面标高在-217.6～-232.6 m,上覆岩层厚度平均为11.5 m,均在风化带内,给安全开采带来了一定的难度。防水煤柱的合理留设主要与上覆水体的规模,水体下保护层岩性、渗透性大小,上覆岩层的岩石力学性质,开采方式,煤层本身的强度,煤层底板的力学性质等因素有关[1,2]。针对810采区特点,利用钻孔及地质资料、相似材料模拟和计算机数值模拟分析,从第四纪水文地质特征、基岩风化带水理性质和最大垮落带、最大裂隙带发育特征[3]三个方面探讨了该区提高回采上限的可行性,研究和实践证明,在回采上限提高后,在使防塌煤柱近似为零的情况下可以保证煤矿安全、快速地回采。
2 第四系水文地质特征
810试验区地面标高+24 m左右,第四系直接覆盖于含煤地层之上,松散层由四个含水层和三个隔水层组成。其中,一含、二含两个含水层远离煤层露头,基本上不与煤系发生水力联系;但三含与四含距离矿坑较近,在一定程度上由于局部三隔和四含的不稳定,构成了提高回采上限后矿井的主要充水水源,对矿井影响较大,需要根据三隔特性和四含的富水性来具体分析。
三隔分布及其隔水性从绘制的810采区的三隔厚度等值线图(见图1)可以看出,三隔厚度在12.29～97.28 m之间,平均在30～40 m之间,而且分布稳定,变化趋势为向西南和北西方向逐渐增厚。在补勘的第28线至7线间三隔较厚,大于30 m,首采面8102工作面三隔厚度在23.41 m(95-2孔)～70.3 m(KY根据补勘钻孔KY-1孔柱状示意图(见图2)所示,三隔厚度为70.3 m,以灰绿色砂质粘土、粘土及钙质粘土为主。其中细砂及砂质粘土层厚度为16.1 m,占三隔总厚的22.9%,纯粘土厚度为54.2m,占三隔总厚的77.1%。取该孔的三隔粘性土样进行测试,塑性指数在16～23之间,表明其塑性较强,隔水性良好。再对KY-1孔的三隔砂质粘土及粘土分别进行渗透试验,测得其渗透系数在10-4～10-5m/d数量级之间,同样表明其隔水性较好。
四含水赋存规律及其富水性通过对810采区13个钻孔所揭露的四含资料进行分析、对比,从而确定在810采区内,四含厚度在5.00～22.99 m之间,平均厚度为10.00 m左右。在首采面8102工作面及附近,厚度为6.11 m(95-2孔)～7.54 m(93-1孔)之间,总趋势是以8102首采面为中心,向东、南、西三个方向增厚。
该区四含主要由棕黄色砂砾层和粘土夹砾石组成,多角砾,为残积相沉积。通过对KY-1孔及井下四含放水孔的四含土样进行颗粒分析试验,可知其组成中粘粒占50%～60%,砂粒(包括粗、中、细、粉砂)占20%左右,颗粒级配中等——良好,不利于地下径流。四含水中阴离子主要为HCO-3, SO2-4,Cl-,其含量分别为1.89 g/L,0.39 g/L,0.39 g/L左右;阳离子主要是K++Na+,Mg2+,Ca2+,其含量分别为0.65 g/L,0.18 g/L,0.18 g/L左右。可见四含水质类型为重碳酸氯化钠镁型,这是在还原条件下形成的地下水水质类型,反映了一种较为封闭的环境,说明该区地下水的补给和径流条件不佳。在整个井田范围内,根据抽水试验资料,计算出四含渗透系数K=0.002 4～0.033 m/d,利用KY-1孔对四含土样进行室内渗透试验(空隙比e=0.5),得出K=0.001 3～0.001 6 m/d,由此可见,四含渗透性较弱,径流不畅[4]。从各含水层水力联系上来说,三隔平均厚度为30～40 m,多为隔水性能良好的粘性土,能有效地阻隔了三含及其以上含水层对四含的补给,所以三含与四含以水平径流为主,在本区以外三隔不发育处有垂直水力联系*。但区内四含渗透性差,导水性不强,四含径流速度较慢。较长一段时间内对矿坑充水没有大的影响。此外,四含下伏地层为煤系,对四含无逆向补给的可能。根据全井田四个钻孔的抽水试验资料,四含单位涌水量q=0.003 64～0.004 05 L/(s•m),主井施工中揭露该含水层时基本无水,超前钻孔涌水量为q=5～7 m3/h,风井揭露时涌水量为2.32 m3/h。因而,根据现有资料,810采区为弱——极弱含水层,局部富水性微弱。
3 基岩风化带的水理性质
810采区范围内,8煤覆岩厚度为3.12～17.86 m,平均厚度10 m左右,其中风化带厚度为3.44～17.86 m,平均厚度6～8 m。为了进一步了解810采区覆岩及其风化带岩石的含、隔水性和再生隔水能力,取KY-1孔土样做岩石的浸水试验(见表1)。 试验结果表明,处于基岩风化带的岩石多趋泥化,能够充分抑制采动垮落裂隙带发展高度、裂隙发育程度及连通、渗透性,具有良好的隔水性和再生隔水能力。综观全区风化带岩石特征,其组合特征形式有以下三种:①.全砂型:遇水崩解,而且速度较块;②砂泥型:崩解成若干小碎块,局部泥化;③全泥型:一般沿层理裂开,遇水立即泥化。
4 垮落带和裂隙带的最大高度
为了了解放顶煤开采条件下覆岩的变形破坏特征,通过不同放采比下计算机数值模拟和试验室相似材料试验并结合“三带”的钻孔资料,综合分析得出了该区采放高度与最大垮落带和最大裂隙带的关系(见表2)。针对放顶煤开采条件下,超薄覆岩及厚松散层的抵抗拉力学性状,数值模拟采用岩体力学弹塑性有限元法与无拉力分析原理相耦合的方法,并结合岩石的全应力——应变曲线,采用Druker—Prager塑性准则和无拉力分析相结合的形式。此外,计算所需要的岩体物理力学参数利用裂隙统计结果、ROD值、损伤力学理论及波速测试资料等多种方法进行修正。试验室相似材料试验按照几何相似、运动相似、边界条件相似、对应的物理量成比例的原则进行,其结论与数值模拟结论基本一致。根据表2中采放高度与最大冒高和最大裂高的位置关系并结合基岩风化带、第四系水文地质情况来看,采放高度取2 m、4 m、6 m时均在理论分析安全范围的高度之内。但当采放高度达到7 m时,其裂高已达到四含中部,这就有可能使四含水或导通三含水威胁矿井,故为了安全起见,并在尽量提高资源回收率的基础上,建议采用采2 m、放4m的采放高度为最佳选择方式。
5 对回采的几点建议
(1)该采区冒高与裂高是一致的,很有可能在回采过程中有砂、泥涌入形成密度流,故在回采过程中应加强水情、砂情等严密检测,出现砂泥流及时进行封堵;(2)回采时应严格控制采放比,最大采放高度不应大于6 m,以使裂高不超过四含底界;(3)回采推进速度要快,至少是正常速度的1.5倍,这样使砂、泥的涌入滞后于工作面的位置,以至即使有砂、泥的涌入也不影响工作面的推进。
6 结论
通过上面的理论分析和有关计算数据,并结合8102工作面实际回采的信息反馈来看,按采2 m,放4 m的要求,实现了提高回采上限使防塌煤柱近似为零后的安全、合理开采。目前8102工作面正进行回采并无四含水害的发生,取得了可观的经济效益,这说明该面放顶煤提高开采上限使防塌煤柱近似为零的实践是可行的,这对于与该采区有相似地质条件的其它采区或其它矿井都具有一定的参考价值和指导意义。
摘 要:根据810采区钻孔及地质资料、相似材料模拟和计算机数值模拟分析,系统分析了该区第四纪水文地质特征、基岩风化带工程地质特征和最大垮落带、最大裂隙带发育特征。并在此基础上结合生产实践,实现了近似使该区防塌煤柱缩小为零后的安全、合理回采,提高了资源回收率,解放了大量的煤炭呆滞储量,从而延长了矿井的服务年限,获得了可观的经济效益。