黃 歡，劉其聲，姬亞東

（1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，西安 710077；3.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點實驗室，西安 710077）

煤層底板破壞深度現(xiàn)場測試與數(shù)值模擬對比研究

黃 歡1，2，3，劉其聲2，3，姬亞東2，3

（1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，西安 710077；3.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點實驗室，西安 710077）

以鉆孔分段注水試驗的原理，設(shè)計CS-4、CS-5、CS-6共3個測試鉆孔，采用鉆孔雙端堵水設(shè)備對準格爾煤田黃玉川礦6上01工作面進行底板破壞深度測試，現(xiàn)場實測其破壞深度為34.9 m。同時，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，模擬工作面開采過程中的采動應(yīng)力分布規(guī)律、塑性區(qū)分布、底板巖層位移特征以及不同采寬條件下底板破壞深度。研究結(jié)果表明：數(shù)值模擬的底板破壞深度為36 m，與現(xiàn)場實測深度相吻合；底板破壞深度隨工作面采寬的增加而增大，當采寬達到250 m時，底板破壞深度增幅變得緩慢，據(jù)此認為大采寬工作面采礦擾動加劇了底板破壞程度。

底板破壞深度；注水試驗；數(shù)值模擬；大采寬

近年來，隨著煤層開采水平的向下延伸，許多礦井已開始開采下組煤，尤其是華北地區(qū)深受奧陶系灰?guī)r承壓含水層的威脅。而煤層底板采動破壞減小了底板隔水層厚度，使得底板阻水能力降低，增大了底板突水的危險性，嚴重影響著工作面的安全回采。因此，煤層底板破壞深度是承壓含水層上煤層開采安全性評價的關(guān)鍵指標，合理確定煤層底板破壞深度具有重要指導(dǎo)意義。

煤層底板破壞是由于在采動礦壓作用下，底板巖層至頂界面開始自上而下遭到破壞產(chǎn)生裂隙或裂隙擴展相互溝通而形成的。目前，科研人員基于底板突水機理的“下三帶”理論[1]、“關(guān)鍵層”理論[2]、“原位張裂與零位破壞”理論[3]等，已經(jīng)研究出多種針對煤層底板破壞深度的確定方法，主要有鉆孔雙端堵水測漏法[4]、觀測鉆孔鉆井液漏失量法[5]、理論計算法[6]、應(yīng)變測量法[7-8]、微震監(jiān)測技術(shù)法[9]、數(shù)值模擬法[10-11]、相似模擬法[12]等。如蔣勤明[13]采用現(xiàn)場鉆孔注水試驗法測定邢東礦大采深條件下底板破壞深度達到32.5～35 m；吳雙宏[14]利用ANSYS對多因素影響下的底板突水破壞進行數(shù)值模擬分析：隨著開采的進行，煤層底板采空區(qū)中部出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，開采區(qū)域兩側(cè)的底板巖體距離巖壁10～15 m是應(yīng)力峰值區(qū)，底板巖層內(nèi)部應(yīng)力分布隨著開采的進行而不斷變化，底板塑性區(qū)隨著開采向深部發(fā)展；張蕊、姜振泉、岳尊彩等[15]結(jié)合現(xiàn)場應(yīng)變測試和數(shù)值模擬相互驗證的方法，得出某礦大采深厚煤層開采下最大底板破壞深度為16 m。

準格爾煤田屬石炭-二疊系煤層，井田范圍內(nèi)大多數(shù)礦井承受著底板下伏奧陶系巖溶灰?guī)r含水層水壓，且距離黃河較近，與其有一定的水力聯(lián)系，嚴重影響著下組煤炭資源的安全回采。

本文以準格爾煤田黃玉川礦6上煤01綜采工作面為研究對象，結(jié)合鉆孔注水試驗法和FLAC3D數(shù)值模擬相互驗證的方法，研究煤層底板破壞規(guī)律，為礦井安全生產(chǎn)及底板防治水工作提供依據(jù)。

1 工作面地質(zhì)概況

礦井位于準格爾煤田中西部，主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組，目前主采4、6上煤，據(jù)鉆孔實際揭露顯示，6上煤底板至下伏奧灰含水層頂界面間隔水層平均厚度為75.2 m，6上煤底板承受奧灰水壓為0～4.49 MPa，屬于帶壓開采，受底板奧灰水突水威脅。

為查清6上煤層回采后底板破壞發(fā)育深度，以6上煤01工作面作為試驗點，對工作面回采過程中及切眼位置底板裂隙發(fā)育情況進行測試，確定工作面底板破壞深度。工作面埋深約300 m，走向長2 480 m，傾向長250 m，煤層平均厚度為10 m，傾角為12°，采用一次采全高的綜合長壁采煤法。鉆場選定在6上01工作面輔運巷距離切眼90 m位置（圖1），設(shè)計CS-4、CS-5、CS-6共3個測試鉆孔，垂深均為40 m，測試區(qū)段分別為29～55 m、25～81 m、24～94 m。

圖1 測試鉆孔設(shè)計示意圖Figure1 A schematic diagram of test borehole configuration design

2 底板破壞深度現(xiàn)場測試

2.1 測試方法

現(xiàn)場鉆孔注水試驗就是通過鉆孔壓水，觀察水量變化來確定裂隙發(fā)育的方法。具體試驗過程為：首先在需要試驗的地段施工鉆孔；采用雙塞封孔器進行分段注水，給止水塞加壓膨脹，分離測試段，測試過程中止水塞壓力保持在2～3 MPa，確保止水塞安全有效；注水段以2 m為一段，對鉆孔設(shè)計測試區(qū)段依次進行分段測試；最后利用水泵進行壓水測試，流量觀測工作應(yīng)每隔5 min進行1次，當流量無持續(xù)增大趨勢，且3次流量讀數(shù)中最大值與最小值之差小于最終值的10%，或最大值與最小值之差小于1 L/min時，本階段試驗即可結(jié)束，取最終值作為計算值。采用現(xiàn)場鉆孔注水試驗法測定鉆孔各段的漏失流量，以此了解巖石的破壞松動情況，分析確定煤層底板的破壞深度。

2.2 測試結(jié)果分析

通過對比分析圖2中的CS4鉆孔距工作面不同距離的漏失量曲線，可以得出第一次測試時，工作面距離鉆孔44 m，此時鉆孔在垂深24.5～26 m出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，漏失流量最大為7.1 L/min，漏失量較大；鉆孔在垂深26～27.5 m，漏失量迅速增加，最大值為10.76 L/min；鉆孔在垂深32～33.4 m，漏失量為3.2L/min，說明此時巖層僅存在微裂隙。當工作面回采至距鉆場時，鉆孔垂深24.5～27.5 m漏失流量增大，最大值為24.14 L/min；工作面回采過鉆場后，鉆孔主要漏失段始終為垂深24.5～27.5 m和32～34.9 m。截止最后一次測試，工作面回采過鉆場距離73.8 m，鉆孔漏失位置沒有明顯變化，漏水量沒有較大變化，終止測試。因此據(jù)CS-4號鉆孔測試結(jié)果顯示，6上煤01工作面底板最大破壞深度為34.9 m。

CS-5號鉆孔漏失段主要在15.7～16.7 m和 32.9～33.8 m，最大漏失量達12.3 L/min，由于該孔在成孔時即存在孔底漏水現(xiàn)象，且漏水流量較大，根據(jù)礦井地質(zhì)資料顯示，該工作面范圍內(nèi)存在陷落柱，因此判斷圖中顯示的孔底位置漏水屬于鉆孔所處地層原有裂隙影響所至。CS6鉆孔在回采至工作面4.5m時，在垂深13.7～16.9 m漏水量顯著增大，在27.3 m時，最大值增大到64.48 L/min。因此根據(jù)CS-5號、CS-6號鉆孔測試結(jié)果顯示，6上煤01工作面底板最大破壞深度分別為33.8 m、27.3 m。

綜合分析以上三個鉆孔的測試數(shù)據(jù)可得：受工作面回采影響，煤層底板遭到破壞，6上煤01工作面底板最大破壞深度發(fā)生在CS-4號孔測試段，最大值為34.9 m；煤層底板破壞表現(xiàn)有明顯的超前與滯后特點，6上煤01工作面前方距離4.5 m時，工作面底板破壞程度已經(jīng)受回采影響較大，漏失范圍、漏失流量明顯增大。

3 FLAC3D數(shù)值模擬

3.1 模型建立

在數(shù)值模擬過程中，通常用應(yīng)力區(qū)和塑性區(qū)作為底板破壞的依據(jù)，在FLAC3D中有4種巖體的狀態(tài)，即shear-n、shear-p、tension-n、tension-p，表現(xiàn)了模型單元所經(jīng)歷的狀態(tài)，以此來界定巖體的破裂范圍。模擬時，材料的力學(xué)性質(zhì)對模擬結(jié)果至關(guān)重要，對鉆孔所取巖心進行物理力學(xué)實驗測試，按Hoek-Brown經(jīng)驗公式，參照國內(nèi)外專家提出的各種巖體強度破壞參數(shù)折減方法[16]，結(jié)合礦井實際地質(zhì)情況，對實驗室所取得的物理力學(xué)參數(shù)進行折減修正，在參考2014年黃玉川煤礦回采巷道支護技術(shù)研究的基礎(chǔ)上[17]，得到能夠在數(shù)值模擬計算中直接應(yīng)用的參數(shù)（表1）。

圖2 距工作面不同距離鉆孔漏失量曲線Figure 2 Leakage curves of borehole with different distances apart from working face

依據(jù)工作面實際情況，將研究區(qū)分為砂質(zhì)泥巖、粗粒砂巖、含礫粗砂巖、中砂巖、粉砂巖、細粒砂巖、泥巖、煤共8個巖體類型，模型自上而下劃分出17個工程地質(zhì)單元。模型尺寸確定為800 m×500 m×240 m，即巖體走向X取值800 m，傾向Y取值500 m，鉛直方向Z取值240 m，共255 000個單元，267546個節(jié)點。開挖時，工作面寬250 m，兩邊各留125 m煤柱，工作面開挖600 m，兩邊各留100 m煤柱，開挖60步，每步10 m?？紤]到模型范圍，在模型頂部按覆巖厚度施加等效壓力4.5 MPa。垂直X軸、垂直Y軸和Z軸的下底界面均設(shè)置為位移邊界，頂界面設(shè)置為自由邊界，其中垂直界面、底界面設(shè)置為滾動界面。本次計算進行應(yīng)力場數(shù)值模擬時采用三維應(yīng)變，模型采用Mohr-Coulomb塑性本構(gòu)模型和Mohr-Coulomb屈服準則來判斷巖體的破壞。

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of strata

3.2 模擬分析與討論

3.2.1 垂向應(yīng)力特征分析

由圖1及各階段應(yīng)力分布情況可知：分析Y= 250 m沿走向方向的剖面，隨著開采的進行，采空區(qū)頂?shù)装鍛?yīng)力大幅度釋放，而在采空區(qū)兩側(cè)局部有應(yīng)力陡增且集中現(xiàn)象。初始階段應(yīng)力顯著變化區(qū)域主要集中在開采區(qū)附近，之后隨開采步的增加應(yīng)力變化區(qū)域逐漸擴大，這是由于開采過程中煤體釋放儲存的應(yīng)變能較緩慢，造成應(yīng)變能的積累而出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。整個開采過程中，采空區(qū)兩側(cè)最大壓應(yīng)力初始狀態(tài)約為7.45 MPa，隨開采步1～18步（開采長度沿走向方向180 m）的開采，該采空區(qū)兩側(cè)12～15 m的最大壓應(yīng)力緩慢增大至22 MPa左右，隨后基本上趨于平穩(wěn)。同時采空區(qū)頂?shù)装遄畲髩簯?yīng)力隨著回采范圍的擴大，其應(yīng)力釋放的效果顯著，使得此區(qū)域的最大壓應(yīng)力在開挖的同時由最初的7.45 MPa左右銳減至2.3 MPa以下，且自第18開采步后應(yīng)力分布趨于均勻。第18開采步后采空區(qū)頂?shù)装彘_始出現(xiàn)一定范圍的拉應(yīng)力，并且隨著開采步的增加拉應(yīng)力范圍不斷擴大；其中底板下最大拉應(yīng)力略小于1 MPa，超過了下伏巖體泥巖的抗拉強度，可以判斷底板下一定區(qū)域產(chǎn)生了拉裂破壞，這與計算所得張拉塑性屈服區(qū)的分布范圍較一致，具體表現(xiàn)為在底板以下約15 m范圍內(nèi)出現(xiàn)了拉應(yīng)力，從塑性屈服區(qū)分布圖上可看出，采空區(qū)底板附近約17 m范圍表現(xiàn)為張拉塑性屈服，兩者范圍在空間上較吻合。

圖3 不同階段垂向應(yīng)力分布Figure 3 Different phases vertical stress distribution

圖3中的e圖為X=300 m的傾向方向切片垂向應(yīng)力分布，可以看出具有與走向切片垂向應(yīng)力相似的分布規(guī)律，區(qū)別在于由于煤層有近12°的傾角，在采空區(qū)兩側(cè)的垂向應(yīng)力分布上，傾向上的下行垂向應(yīng)力較上行垂向應(yīng)力集中，且下行最大垂向應(yīng)力為25 MPa，而上行最大垂向應(yīng)力為21 MPa，下行底板破壞深度也高于上行。

3.2.2 底板破壞深度分析

FLAC3D中的Mohr-Coulomb本構(gòu)模型為理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系，當巖體進入塑性應(yīng)變階段后，將會產(chǎn)生相應(yīng)的塑性變形，若應(yīng)力繼續(xù)保持，則塑性變形也將繼續(xù)發(fā)展，此狀態(tài)模型計算后判定為：剪切破壞（shear-n）或拉伸破壞（tension-n）等；若在巖體進入塑性變形后，加載的應(yīng)力變化為低于巖體發(fā)生塑性屈服的極限應(yīng)力，此時巖體仍能恢復(fù)為彈性狀態(tài)，只是之前產(chǎn)生的塑性變形保留了下來，此狀態(tài)模型計算后判定為：曾剪切破壞（shear-p）或曾拉伸破壞（tension-p）等。實際上，巖體在進入塑性屈服后，開始階段并未立即出現(xiàn)裂隙，可以近似地看成理想彈塑性狀態(tài)，但當塑性應(yīng)變發(fā)展到一定程度時，就會在巖體中形成潛在的破裂面，巖體達到破裂狀態(tài)。因此，應(yīng)該根據(jù)模型計算中力和位移的收斂情況、塑性區(qū)分布以及應(yīng)力位移變化來綜合考察巖體發(fā)生塑性屈服的程度，由此來確定煤層開采后的底板破壞深度。

圖4 不同開挖步距塑性區(qū)分布與位移云圖Figure 4 Plastic zone distribution and displacement nephogram of different excavation paces

現(xiàn)針對采空區(qū)及附近區(qū)域進行分析：由Y=250 m走向切片及X=280 m、700 m傾向切片的各階段塑性區(qū)分布情況可知（圖4），塑性區(qū)基本分布于采空區(qū)頂?shù)装逑戮?，?～5開采步塑性區(qū)分布較少，說明煤層開采初期，周圍巖體基本能夠保持穩(wěn)定，頂?shù)装鍘r體不會出現(xiàn)較嚴重的變形或破碎現(xiàn)象，而第18開采步以后，隨著開采的繼續(xù)推進，塑性區(qū)面積穩(wěn)步增加，垂向上基本不再繼續(xù)向下發(fā)展，說明底板下巖體開始產(chǎn)生穩(wěn)定的塑性變形區(qū)，巖體有失穩(wěn)傾向，此時走向上、傾向上塑性區(qū)分布最大發(fā)育深度約為36 m。底板破壞類型主要為剪切屈服，最大塑性區(qū)深度出現(xiàn)在采空區(qū)兩端的支撐煤壁下部，隨開采步的發(fā)展，最大塑性區(qū)在模型塑性區(qū)分布圖中狀態(tài)一直為“now”，即說明該區(qū)域一直處于塑性形變階段；結(jié)合巖體本身存在局部發(fā)育的節(jié)理、裂隙，在卸荷擾動的過程中很可能增多或擴展，在應(yīng)力作用下必會易于巖體中節(jié)理的進一步發(fā)育，最終形成貫通的破裂帶，與下部含水層溝通，造成突水事故。最后通過觀察這些區(qū)域的應(yīng)力分布情況，發(fā)現(xiàn)這些區(qū)域上基本都分布有拉應(yīng)力，區(qū)域的邊緣應(yīng)力及位移均有較大的突變，且計算時已經(jīng)不能達到平衡。位移表現(xiàn)為在采空區(qū)中央最大，向兩側(cè)逐漸減小，呈盆狀分布。圖4中可以看出在煤層底板附近，位移值達到最大，并隨著深度的增加，位移逐漸減小，說明離采空區(qū)越遠，巖層變形和破壞的程度越低；同時，在同一位置同一深度處，隨著工作面的推進位移值逐漸增大。底板位移值為負，說明煤層開采卸壓導(dǎo)致底板產(chǎn)生底鼓。

不同開挖步距的應(yīng)力特征、塑性區(qū)分布及位移變化，具有相似的變化規(guī)律，數(shù)值模擬說明了底板破壞深度最大為36 m，與現(xiàn)場試驗測試的底板破壞深度相差不大，表明了所建FLAC3D模型的合理性。

3.2.3 不同采寬下底板破壞深度分析

在FLAC3D模型中，分別設(shè)置工作面采寬為100m、150 m、200 m、250 m、300 m、350 m，模擬不同采寬條件下的底板破壞深度（圖5），為合理布設(shè)工作面及安全生產(chǎn)提供依據(jù)。

圖5 不同采寬工作面的底板破壞深度Figure 5 Coal floor failure depths of different cut width working faces

從圖5可以看出，煤層底板破壞深度隨著工作面采寬的增加而呈增長趨勢，當工作面采寬達到一定范圍時，底板破壞深度的增幅變得緩慢，尤其是當采寬達到250 m后，底板破壞深度的增幅明顯變小。因此大采寬工作面加劇了煤層底板破壞程度。

4 結(jié)論

(1)煤層開采后，在礦壓擾動影響下底板發(fā)生破壞。通過井下鉆孔注水試驗法，對比分析離工作面不同距離不同底板深度測試段的漏失量，得出底板最大破壞深度為34.9 m，且底板破壞表現(xiàn)有明顯的超前與滯后特點。FLAC3D數(shù)值模擬底板破壞深度為36 m，與現(xiàn)場實測結(jié)果較吻合，說明FLAC3D對于開采煤層底板防突水能力的模擬評價非常有效，能夠為類似工作面的底板破壞深度提供預(yù)測。

(2)工作面開挖至180 m時，應(yīng)力分布特征、塑性區(qū)范圍、位移變化均趨于穩(wěn)定。采空區(qū)兩側(cè)應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，最大壓應(yīng)力為22 MPa，此后塑性區(qū)橫向范圍隨工作面推進而擴大，縱向范圍不再增加。

(3)不同采寬工作面的底板破壞深度，隨著采寬增加而增長，當采寬達到250 m后，底板破壞深度的增幅變得緩慢。因此大采寬工作面采礦擾動加劇了煤層底板破壞程度。

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Comparative Study of Coal Floor Failure Depth On-site Test and Numerical Simulation

Huang Huan1,2,3,Liu Qisheng2,3and Ji Yadong2,3
(1.China Coal Research Institute,Beijing 100013;2.Xi'an Research Institute,China Coal Technology&Engineering Group Corp,Xi' an,Shaanxi 710077;3.Shaanxi Key Laboratory of Coalmine Water Hazard Prevention and Control Technology,Xi'an,Shaanxi 710077)

On the basis of borehole sectional water injection test principle,designed CS-4,CS-5 and CS-6 three boreholes,using bore?hole double ended water plugging equipment carried out coal floor failure depth test for coal 6U No.01 working face in Huangyuchuan coalmine,Jungar coalfield;the site measured failure depth is 34.9m.Meanwhile,using FLAC3Dnumerical simulation software,simulat?ed working face mining stress distribution pattern,plastic zone distribution,floor rock displacement features and floor failure depth un?der different cut widths during mining process.The result has shown that the floor failure depth is 36m from numerical simulation,kept accord with site measured.Floor failure depth increasing with increasing of working face cut width;until the width increased to 250m the increasing amplitude will be lowered.So that the working face large cut width will intensify floor failure extent.

coal floor failure depth;water injection test;numerical simulation;large cut width

TU745

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.12.09

1674-1803(2016)12-0049-06

“十二五”國家科技支撐計劃課題(2012BAK04B04)；國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金(41402220)；陜西省自然基金項目(2011JQ5015)

黃歡（1988—），男，碩士，主要從事礦井水文地質(zhì)工作。

2016-06-27

責任編輯：樊小舟