【摘要】：為研究平頂山十礦下保護(hù)層開采是否達(dá)到釋放己_(16-17)煤層瓦斯的目的以及是否會誘發(fā)底板灰?guī)r承壓水突水問題,基于FLAC~(3D)數(shù)值模擬軟件,以十礦24130首采面為例,模擬采動條件下頂?shù)装鍑鷰r的變形破壞過程。結(jié)果顯示:開采下保護(hù)層所引起的頂板冒裂帶發(fā)育高度能夠達(dá)到己_(16-17)煤層,滿足釋放己組煤層瓦斯的裂隙要求;底板采動破壞深度最大為24.5 m,破壞裂隙會成為灰?guī)r承壓水進(jìn)入礦井的導(dǎo)水通道,突水系數(shù)超過臨界值。為確保24130首采面的安全生產(chǎn),設(shè)計并實施了水害綜合探查、疏水降壓、完善排水系統(tǒng)、安全帶壓開采等綜合防治水措施。該首采面成為平頂山礦區(qū)以開采下保護(hù)層釋放己組煤層瓦斯和成功防治灰?guī)r承壓水的示范性工作面。
【圖文】：

開挖斜長取160m，開挖沿走向推進(jìn)400m，模型高度依據(jù)礦區(qū)地層資料，在滿足開挖要求下，經(jīng)簡化，由寒武系灰?guī)r往上至二疊系砂巖，共361m。依據(jù)前人建模經(jīng)驗，鑒于本次下保護(hù)層開采屬于深部開采，為保證模擬正常進(jìn)行，模型長寬按模擬開挖范圍的5倍取值，故模型尺寸為800m×2000m×361m。整個模型依據(jù)鉆探孔資料，按照各地層巖性特征劃分，共設(shè)計18個模擬層，包括1個開采層(庚18煤層+泥巖層)，開采層之上有10個模擬層，之下有7個模擬層。將模擬模型做三維立體網(wǎng)格剖分，剖分后的網(wǎng)格單元共計77000個，節(jié)點83538個(圖1)。模擬模型前后和左右邊界采用零位移單約束條件，取u=0，v≠0，其中u為x方向位移，v為y方向位移;下邊界為全約束邊界，即u=v=0;上邊界為自由邊界。為加快軟件計算速度，在滿足模擬開采要求下，將距保護(hù)層工作面約104．4m以上直至地表的巖層等效為一個重塊，其壓力根據(jù)上覆巖層厚度和密度計算，重塊密度取實際巖層密度的平均值，計算得到模型頂部加載的均布荷載，為33MPa。平頂山礦區(qū)普遍分布有10～15m厚的本溪組鋁土泥巖隔水層，建模時，將承壓水水壓視為豎向均布荷載施加在隔水層底板上，施加在模型的豎向力為包括承壓水壓力在內(nèi)的豎向合力。本次模擬采用FLAC3D提供的Mohr-Coulomb塑性本構(gòu)關(guān)系和屈服準(zhǔn)則［15］，依據(jù)十礦歷年來巖體力學(xué)參數(shù)實測資料，確定模擬地層巖石物理力學(xué)參數(shù)，模擬地層平均厚度及巖石物理力學(xué)參數(shù)值如表1所示。表1模擬地層平均厚度及巖石物理力學(xué)參數(shù)Tab．1Averagethicknessofsimulationstrataandtheirandphysical-mechanicalparameters巖石名稱平均厚度/m密度/(kg·m－3)體積模量/GPa剪切模量/GPa抗拉強(qiáng)度/MPa黏結(jié)力/MPa內(nèi)摩擦角/(

有小幅擴(kuò)大(圖5)。為檢驗數(shù)值模擬結(jié)果，使用經(jīng)驗公式(1)、(2)計算采高2m時頂板冒落帶和冒裂帶發(fā)育高度［16］，Hm=100∑M4．7∑M+19±2．2，(1)Hf=20∑i酠+10，(2)式中:Hm為冒落帶高度;Hf為冒裂帶發(fā)育高度;∑M為累計采高。在覆巖為中硬巖和采高2m的開采條件下，冒落帶高度為4.8～9.2m，冒裂帶高度為38m。計算煤層底板破壞深度時用公式［16］CP=0．0085H+0．1665α+0．1079L－4．3579，，(3)式中:CP為底板破壞深度，m;L為工作面開采斜長，m;H為開采深度，m;α為煤層傾角，(°)。運用式(3)可得十礦24130首采面底板破壞深度為23m。綜合數(shù)值模擬和經(jīng)驗公式計算結(jié)果，十礦開采面位于己16-17煤層底板下方15m處的庚18煤層及泥巖中，煤層頂板冒裂帶發(fā)育范圍超過15m，產(chǎn)生釋放己組煤層瓦斯的裂隙通道。在煤層底板形成了最大深度24．5m的采動破壞帶，使阻擋寒武系灰?guī)r巖溶水進(jìn)入礦井的隔水層厚度由原來的65m削減到40．5m，為灰?guī)r承壓水通過采動破壞裂隙涌入礦井提供條件。4底板灰?guī)r突水危險性評價及水害防治評價采煤工作面煤底板承壓水突水危險性，突水系數(shù)法是常用方法，它是指煤底板單位厚度隔水層能夠承受的靜水壓力［16］，基本公式為19第6期潘國營:平頂山十礦下保護(hù)層開采圍巖破壞數(shù)值模擬及水害防治

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