劉新禮

(山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006)

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·專題綜述·

補(bǔ)者煤礦帶壓開采煤層底板突水可靠性分析

劉新禮

(山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006)

以補(bǔ)者煤礦帶壓開采工況為例，對(duì)煤層底板突水可靠性進(jìn)行了分析。由該礦2號(hào)煤樣隔水層厚度及細(xì)砂巖容重正態(tài)擬合情況得出該礦巖體物理力學(xué)指標(biāo)均接受正態(tài)分布，因此使用蒙特卡羅法計(jì)算該礦相應(yīng)的結(jié)構(gòu)失效概率、可靠度指標(biāo)，計(jì)算得到補(bǔ)者礦2煤標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)開采深度-230 m處的可靠系數(shù)約為1.70，底板失效概率為0.03～0.05，對(duì)應(yīng)的突水系數(shù)為0.06 MPa/m，這為該礦帶壓開采的工程設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，避免了單純閾值作為突水判據(jù)的不合理性。

帶壓開采；底板突水；突水系數(shù)

補(bǔ)者煤礦位于貴州省黔西南布依族苗族自治州普安縣，礦區(qū)與縣城距離約75 km，主要出露的地層為第四紀(jì)、二疊龍?jiān)唇M和三疊鳳縣組。其中，龍?jiān)唇M為含煤地層，多為粉砂巖、黏土巖，厚度約40 m. 第四紀(jì)多以黃色粉黏為主，夾雜卵石，厚度為3～8 m. 鳳縣組則多為裂隙灰?guī)r，為高承壓水地層，因此面臨帶壓開采的風(fēng)險(xiǎn)。

帶壓開采是深部采煤的重要工作方式，為了避免礦井突水，通常使用突水系數(shù)方法研究突水的不確定性。但有時(shí)突水安全系數(shù)足夠大，仍然會(huì)出現(xiàn)突水事故。面對(duì)這樣的問題，一般嘗試使用結(jié)構(gòu)可靠度理論來研究突水問題的可靠度。因此，借鑒地震作用下的結(jié)構(gòu)可靠度理論[1-3]，結(jié)合補(bǔ)者煤礦的工程實(shí)際，研究三疊鳳縣組的高承壓帶壓開采的突水問題，為普安煤礦的安全開采提供一個(gè)應(yīng)用范例。

1 補(bǔ)者煤礦2號(hào)煤底板突水可靠性分析

1.1 水文地質(zhì)概況

根據(jù)DZ1和DZ2兩個(gè)鉆孔的鳳縣組1～3抽水試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)本層為中低等含水層，其導(dǎo)水系數(shù)為0.046 L/(s·m)，水位為24.60 m左右。該礦區(qū)從2014年開始對(duì)底板水進(jìn)行排水施工，根據(jù)最新的觀測(cè)結(jié)果，鳳縣組水位已經(jīng)跌至-150.79 m深度處。因此在放水之后，如何計(jì)算2號(hào)煤底板的突水可靠性系數(shù)，對(duì)于補(bǔ)者煤礦的安全生產(chǎn)具有重要的意義。

1.2 補(bǔ)者煤礦2號(hào)煤底板突水可靠性

結(jié)構(gòu)可靠度是指工程結(jié)構(gòu)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)規(guī)定條件下，完成預(yù)定功能的概率。在承壓水作用下，煤礦保護(hù)層的失效模式主要是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的失效，即由于保護(hù)層本身厚度不足，巖層組合梁的力學(xué)強(qiáng)度不夠，或這兩種因素同時(shí)存在的結(jié)果。因此，使用超靜定梁推導(dǎo)的安全水壓力計(jì)算得到的巷道底板巖層厚度t作為可靠性分析的指標(biāo)，見式(1)[4]：

(1)

式中：

h—安全水壓值，Pa；

t—巷道底板巖層厚度，m；

L—巷道底板寬度，m；

K—巷道底板巖層的抗拉強(qiáng)度，Pa；

r—巷道底板巖層容重，kN/m3.

補(bǔ)者煤礦2號(hào)煤設(shè)計(jì)標(biāo)高為-230 m. 根據(jù)給出的實(shí)際承壓水位，認(rèn)為可靠度計(jì)算開采上限為-250 m、下限為-430 m. 分別計(jì)算2號(hào)煤隔水底板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的可靠度指標(biāo)以及失效概率。收集了25個(gè)2號(hào)煤的鉆孔樣本，樣本隔水層厚度及細(xì)砂巖容重的正態(tài)分布擬合情況見圖1. 假設(shè)各個(gè)參數(shù)的估計(jì)方法為最大似然法[5]. 補(bǔ)者煤礦2號(hào)煤樣本隔水層厚度、砂巖容重的正態(tài)擬合情況給出了不同厚度數(shù)據(jù)上的概率分布，見表1，表2.可以發(fā)現(xiàn)，所有的指標(biāo)都接受正態(tài)分布。值得指出的是，假設(shè)檢驗(yàn)的結(jié)果除了泥巖和粉砂巖比重之外都符合相關(guān)性檢驗(yàn)。

圖1 2號(hào)煤樣本隔水層厚度及細(xì)砂巖容重正態(tài)擬合曲線圖

隔水層厚度/m概率密度隔水層厚度/m概率密度5.03E+011.07E-026.13E+017.29E-025.13E+012.04E-026.24E+016.32E-025.20E+012.91E-026.29E+015.48E-025.28E+014.11E-026.37E+014.45E-025.35E+015.11E-026.46E+013.64E-025.64E+019.36E-026.78E+011.10E-025.77E+011.00E-016.84E+018.36E-035.90E+019.93E-026.90E+015.01E-035.99E+019.19E-026.98E+013.68E-036.06E+018.22E-027.00E+012.67E-03

表2 2號(hào)煤樣本細(xì)砂巖容重正態(tài)擬合情況表

由于補(bǔ)者煤礦所有的巖體物理力學(xué)指標(biāo)都接受正態(tài)分布，因此可以引入可靠度評(píng)價(jià)函數(shù)做出帶壓開采安全性分析，采用一般的荷載-抗力模式：

(2)

其中，β為可靠性指標(biāo)。通過Matlab2012a軟件使用蒙特卡羅法計(jì)算得到補(bǔ)者煤礦相應(yīng)的結(jié)構(gòu)失效概率、可靠度指標(biāo)，見圖2. 為了研究帶壓開采的可靠程度，需要給出工程的結(jié)構(gòu)可靠性指標(biāo)；同時(shí)從風(fēng)險(xiǎn)耐受能力的考量上，研究帶壓開采能夠接受的風(fēng)險(xiǎn)。由圖2可以清晰地發(fā)現(xiàn)，隨著突水系數(shù)上升，可靠性線性降低，而失效概率則出現(xiàn)指數(shù)增大的趨勢(shì)。按照可靠性指標(biāo)和失效概率的不同階段，將趨勢(shì)劃分為3部分：1) 失效概率低位，從10E-5增大到了1E-2左右，而對(duì)應(yīng)的突水系數(shù)為0.04～0.05 MPa/m，此時(shí)的可靠度從5.0降低到了2.1左右。2) 失效概率增加段，從1E-2增大到了8E-2左右，而對(duì)應(yīng)的突水系數(shù)為0.05～0.06 MPa/m，此時(shí)的可靠度從2.1降低到了1.3左右。3) 失效概率激增段，從8E-2增大到了16E-2左右，而對(duì)應(yīng)的突水系數(shù)為0.06～0.08 MPa/m，此時(shí)的可靠度從1.3降低到了0.9左右。

因此，根據(jù)《礦井水文地質(zhì)規(guī)程》，同時(shí)考慮黔西南礦區(qū)實(shí)際情況，將底板臨界突水系數(shù)取0. 06 MPa/m. 由圖2的失效概率曲線可以計(jì)算得到，補(bǔ)者礦2號(hào)煤的底板失效概率為0.03～0.05. 根據(jù)規(guī)程，由圖2中可靠系數(shù)曲線，可以得到補(bǔ)者礦2號(hào)煤標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)開采深度-230 m處的可靠系數(shù)約為1.70，對(duì)應(yīng)的突水系數(shù)為0.06 MPa/m.

圖2 補(bǔ)者煤礦相應(yīng)的結(jié)構(gòu)失效概率、可靠度指標(biāo)曲線圖

2 結(jié) 論

本文開展了補(bǔ)者煤礦帶壓開采工況下煤層底板突水可靠性分析，使用突水穩(wěn)定性的蒙特卡羅可靠性分析開展了工作，使得評(píng)價(jià)結(jié)果更加接近實(shí)際情況。全文使用了普安補(bǔ)者煤礦帶壓開采工況的數(shù)據(jù)給出了詳細(xì)的應(yīng)用案例，可以為我國煤礦突水的安全性評(píng)價(jià)提供重要的參考。最終計(jì)算得到補(bǔ)者礦2號(hào)煤標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)開采深度-230 m處的可靠系數(shù)約為1.70，對(duì)應(yīng)的突水系數(shù)為0. 06 MPa/m，這為煤礦帶壓開采的工程設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，避免了單純閾值作為突水判據(jù)的不合理性。

[1] 孟慶筱，王太松.二維有限元基巖水平向地震動(dòng)模擬方法及檢驗(yàn)[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2014(4):9-16，20.

[2] 王潤紅,郭聯(lián)宏,朱文勝,等.突水系數(shù)法在華晟榮煤礦水上帶壓開采安全評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].煤礦安全,2012(10):135-138.

[3] 韓青林.煤礦帶壓開采技術(shù)體系分析[J].硅谷,2013(18):48，78.

[4] 田坤云,劉志源,唐現(xiàn)奇,等.新密西區(qū)煤礦群帶壓開采條件下水災(zāi)害綜合治理[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014(1):17-22.

[5] 許海濤,吳新慶,丁順華.許廠煤礦11603工作面帶壓開采安全性評(píng)價(jià)[J].中國煤炭,2015(9):41-44，68.

Reliability Analysis on Floor Water Inrush of Mining Coal Seam with Pressure in Buzhe Coal mine

LIU Xinli

The reliability of coal seam floor water inrush is analyzed. Based on the normal fitting of water thickness and tiny sandstone density of No.2 coal sample in the coal mine, it is concluded that the physical and mechanical indexes of the rock are subjected to the Normal Distribution, and the Monte Carlo method is used to calculate the corresponding structural failure probability of the No.2 coal seam under the surface in the coal mine. The reliability index is calculated to be 1.70, the failure probability of the floor is 0.03～0.05, and the corresponding water inrush coefficient is 0.06 MPa/m, it provides a basis for engineering design of mining with underground water pressure, also for avoiding the irrationality of simply observing the threshold as the criterion of water inrush.

Mining under pressure; Floor water inrush; Water burst coefficient

2017-03-28

劉新禮(1986—)，男，山西懷仁人，2015年畢業(yè)于太原理工大學(xué)，工程碩士，助理工程師，主要從事煤炭安全管理工作

(E-mail)147377358@qq.com

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