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數值模擬結果與經驗公式計算結果的對比分析

2137西下工作面上方是2002年開采的1237西下老塘。在開采過程中,最大湧水量為1.6m3/min。目前,上水平12煤層鄭茜洞仍有少量滲水,分析1237以下老塘仍有積水。為防止上工作面老塘突水,防水煤柱設計時應考慮上工作面底板導水裂隙帶的深度和下工作面頂板導水裂隙帶的高度。

根據數值模擬結果,煤層最大冒落高度為35.1m;在開場的時候。1237工作面煤層及圍巖條件與2137相似,2137工作面最大底板深度約為15.2m;總計50.3m,遠離切眼,煤層冒落不發育,頂板最大導高為17.9m,與上工作面底板最大導深合計為33.1m。因此,無論是靠近開切眼還是遠離開切眼,60m的煤柱都足以形成安全的防水煤柱。

根據開灤礦區煤層頂板的物理力學性質,煤層頂板屬於中硬強度。根據《礦井水文地質規程》附錄7中最大冒落帶和導水裂隙帶高度的經驗公式,裂隙帶發育高度如下:

當煤層傾角為55° ~ 85°時,Hf=100hM。

煤層開采頂板導水裂隙帶高度預測的理論與方法

式中:h為小舞臺垂直高度;m為煤層厚度;Hf是導水裂隙帶的高度。

根據該公式,2137工作面導水裂隙帶最大高度為75.68m

根據經驗公式,2137西下回風巷垂直高度,距1237老半部60m,不足以作為安全防水煤柱。

2137西下工作面從2006年的1到2007年的12實現了安全開采,實踐證明60m防水煤是足夠安全的。這說明與經驗公式的計算結果相比,FLAC3D數值模型確定的頂板導水裂隙帶高度更符合實際。

開灤礦區急傾斜煤層開采實踐中,形成保水煤柱的經驗是:采壹層(30m左右),留兩層(60m左右)。數值模擬的結果從理論上支持了這壹經驗認識。

基於以上分析,得出以下結論:

在(1)采動影響下,冒落帶和破碎帶的形成過程可視為準連續介質條件下上覆巖層變形破壞、非連續介質條件下自重作用下冒落帶裂隙擴展、冒落帶壓實裂隙擴展三個階段。利用FLAC3D軟件進行模擬,將巖體視為大變形連續介質,可以實現冒落帶和破碎帶最終形狀的近似模擬。走向開挖15m後,冒落帶壓脹系數為1.3;30m走向開挖後,冒落帶壓脹系數為1.15。工作面頂板冒落區和導水裂隙帶在走向掘進15m後達到最大值,位於切眼處。

(2)在采動影響下,急傾斜煤層工作面圍巖由內向外產生壓縮變形區-膨脹區-壓縮區。內部受壓區可視為冒落帶;根據體積應變1×10-2的等值線,為導水裂隙帶的邊界;膨脹區的局部受壓區視為煤層潛在冒落區。30m走向開挖後,冒落帶達到最大高度10.4m,煤層潛在冒落區產生冒落。當其高度超過體積應變等值線1×10-2時,視為導水裂隙帶的最大高度。導水裂隙帶最大高度為35.1m。

(3)2137工作面頂煤冒落帶和1237工作面上部導水裂隙帶形成2137工作面上方的透水帶,總垂直高度為50.3m;遠離切眼,2137工作面頂板導水裂隙帶和上部1237工作面* *底板導水裂隙帶共同構成2137工作面上方的透水帶,總垂直高度為33.1m。為實現安全開采,在2137工作面設計了60m垂直防水煤柱,驗證了數值模擬計算結果的合理性。

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