平顶山十矿下保护层开采围岩破坏数值模拟及水害防治

发布时间：2020-02-13 13:43

【摘要】：为研究平顶山十矿下保护层开采是否达到释放己_(16-17)煤层瓦斯的目的以及是否会诱发底板灰岩承压水突水问题,基于FLAC~(3D)数值模拟软件,以十矿24130首采面为例,模拟采动条件下顶底板围岩的变形破坏过程。结果显示:开采下保护层所引起的顶板冒裂带发育高度能够达到己_(16-17)煤层,满足释放己组煤层瓦斯的裂隙要求;底板采动破坏深度最大为24.5 m,破坏裂隙会成为灰岩承压水进入矿井的导水通道,突水系数超过临界值。为确保24130首采面的安全生产,设计并实施了水害综合探查、疏水降压、完善排水系统、安全带压开采等综合防治水措施。该首采面成为平顶山矿区以开采下保护层释放己组煤层瓦斯和成功防治灰岩承压水的示范性工作面。
【图文】：

开挖斜长取160m，开挖沿走向推进400m，模型高度依据矿区地层资料，在满足开挖要求下，经简化，由寒武系灰岩往上至二叠系砂岩，共361m。依据前人建模经验，鉴于本次下保护层开采属于深部开采，为保证模拟正常进行，模型长宽按模拟开挖范围的5倍取值，故模型尺寸为800m×2000m×361m。整个模型依据钻探孔资料，按照各地层岩性特征划分，共设计18个模拟层，包括1个开采层(庚18煤层+泥岩层)，开采层之上有10个模拟层，之下有7个模拟层。将模拟模型做三维立体网格剖分，剖分后的网格单元共计77000个，节点83538个(图1)。模拟模型前后和左右边界采用零位移单约束条件，取u=0，v≠0，其中u为x方向位移，v为y方向位移;下边界为全约束边界，即u=v=0;上边界为自由边界。为加快软件计算速度，在满足模拟开采要求下，将距保护层工作面约104．4m以上直至地表的岩层等效为一个重块，其压力根据上覆岩层厚度和密度计算，重块密度取实际岩层密度的平均值，计算得到模型顶部加载的均布荷载，为33MPa。平顶山矿区普遍分布有10～15m厚的本溪组铝土泥岩隔水层，建模时，将承压水水压视为竖向均布荷载施加在隔水层底板上，施加在模型的竖向力为包括承压水压力在内的竖向合力。本次模拟采用FLAC3D提供的Mohr-Coulomb塑性本构关系和屈服准则［15］，依据十矿历年来岩体力学参数实测资料，确定模拟地层岩石物理力学参数，模拟地层平均厚度及岩石物理力学参数值如表1所示。表1模拟地层平均厚度及岩石物理力学参数Tab．1Averagethicknessofsimulationstrataandtheirandphysical-mechanicalparameters岩石名称平均厚度/m密度/(kg·m－3)体积模量/GPa剪切模量/GPa抗拉强度/MPa黏结力/MPa内摩擦角/(

有小幅扩大(图5)。为检验数值模拟结果，使用经验公式(1)、(2)计算采高2m时顶板冒落带和冒裂带发育高度［16］，Hm=100∑M4．7∑M+19±2．2，(1)Hf=20∑i酠+10，(2)式中:Hm为冒落带高度;Hf为冒裂带发育高度;∑M为累计采高。在覆岩为中硬岩和采高2m的开采条件下，冒落带高度为4.8～9.2m，冒裂带高度为38m。计算煤层底板破坏深度时用公式［16］CP=0．0085H+0．1665α+0．1079L－4．3579，，(3)式中:CP为底板破坏深度，m;L为工作面开采斜长，m;H为开采深度，m;α为煤层倾角，(°)。运用式(3)可得十矿24130首采面底板破坏深度为23m。综合数值模拟和经验公式计算结果，十矿开采面位于己16-17煤层底板下方15m处的庚18煤层及泥岩中，煤层顶板冒裂带发育范围超过15m，产生释放己组煤层瓦斯的裂隙通道。在煤层底板形成了最大深度24．5m的采动破坏带，使阻挡寒武系灰岩岩溶水进入矿井的隔水层厚度由原来的65m削减到40．5m，为灰岩承压水通过采动破坏裂隙涌入矿井提供条件。4底板灰岩突水危险性评价及水害防治评价采煤工作面煤底板承压水突水危险性，突水系数法是常用方法，它是指煤底板单位厚度隔水层能够承受的静水压力［16］，基本公式为19第6期潘国营:平顶山十矿下保护层开采围岩破坏数值模拟及水害防治

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