采區(qū)帶壓開采底板破壞規(guī)律分析及防突涌研究

馮 寧

（山西省長治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司，山西 長治 047100）

1 引言

山西省長治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司八采區(qū)主采煤層為3號煤。3號煤層最低底板標(biāo)高比井田內(nèi)奧灰水位高156.3m左右，加之井田內(nèi)巖溶發(fā)育段埋藏較深，溶蝕發(fā)育較好，在構(gòu)造部位極容易與其他含水層發(fā)生水力聯(lián)系。2018年4月20日，八采區(qū)3-7081工作面3號煤正常開采時遇到從井田西南角向中部延伸的F10正斷層，斷層走向北東，傾向北西，傾角75°，落差為20m。含水層與正斷層發(fā)生水力聯(lián)系，底板的裂縫發(fā)育明顯，底板巖層由于應(yīng)力的重新分布破壞嚴(yán)重，底板破斷失穩(wěn)危險性較大，易發(fā)生突涌現(xiàn)象。由于斷層影響，導(dǎo)致工作面正常回采變?yōu)閹洪_采。為保證工作面安全生產(chǎn)，避免突涌現(xiàn)象發(fā)生，采煤工作面暫停施工，對此工作面帶壓開采時底板應(yīng)力重新分布后的受力規(guī)律進(jìn)行研究，制定防突涌措施。

2 工程背景

經(jīng)坊煤礦八采區(qū)地形最高點為井田東部楊頭嶺，標(biāo)高+1044.5m，最低點位于西部大溝村西淘清河河谷，標(biāo)高+920m，相對高差124.5m。F10正斷層將采區(qū)分為兩部分，現(xiàn)開采的3-7081工作面位于斷層左翼部分，3-7081工作面所掘煤層為沁水煤田3#煤層，為二疊系下統(tǒng)山西組，煤層平均厚度6.25m，傾角1°～ 3°。

3 相似模擬試驗

本次相似模擬試驗以3-7081工作面所在的斷層左翼的煤巖層性質(zhì)建立模型，煤巖層分布柱狀如圖1所示。

3.1 相似模擬試驗材料及模型搭設(shè)

3.1.1 試驗材料

根據(jù)工程所處巖層情況及賦存條件對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正后選擇合理的試驗材料配比。試驗材料主要包括四種類型：骨料、膠結(jié)材料、隔水材料以及一定量的緩凝劑。骨料主要包括河砂、石子、水泥、滑石粉等，膠結(jié)材料用石膏和碳酸鈣，紅膠泥用做隔水材料，材料配制過程中摻入一定量的硼砂作為緩凝劑。相似模擬材料配比如表1所示。試驗前制作Φ50×100的試件進(jìn)行抗壓強度檢測，強度符合要求后進(jìn)行模型架體搭設(shè)。

圖1 煤巖層分布柱狀圖

3.1.2 相似模擬模型搭設(shè)

本次試驗采用外形尺寸為3m×2m×2m（長×寬×高）的固-流耦合試驗臺進(jìn)行模擬。此試驗臺可實現(xiàn)三維模擬，并且對不同含水層的變化規(guī)律進(jìn)行研究，軸向最大加載力為1200t，可由6個150t油缸實現(xiàn)。本次試驗分別模擬長度為60m、80m、100m的三個工作面，相似比設(shè)定為1:100。

3.2 試驗方案及結(jié)果分析

3.2.1 試驗方案設(shè)計

通過在煤層頂、底板埋設(shè)壓力及水壓傳感器對頂板和底板的應(yīng)力及水位變化規(guī)律進(jìn)行研究。壓力傳感器埋設(shè)在距離工作面底板10m、20m、30m三個不同深度的不同方位，每個深度埋設(shè)20個傳感器，共60個，對底板應(yīng)力的變化規(guī)律進(jìn)行研究。壓力傳感器的布置如圖2所示。通過在底板含水層預(yù)埋銅管，然后用軟管與銅管連接引出，測量軟管內(nèi)的水位變化即可測量底板水位的變化。含水層的水位可通過穩(wěn)壓裝置來保持。本次試驗選擇的時間相似比為Ct=1:10，采煤速度按平均每天推進(jìn)6.4m進(jìn)行模擬。

圖2 煤層底板壓力傳感器布置圖

3.2.2 相似模擬試驗結(jié)果分析

通過對3-7081工作面不同位置測點的應(yīng)力變化進(jìn)行整理、分析，得出帶壓開采工作面的變化規(guī)律。此處選擇有代表性的兩處測點2#和5#進(jìn)行分析，其中2#點和5#點分別距切眼20m、140m，到煤柱的距離分別為20m和50m。如圖3為2#、2′#、2″#（不同層位2#點編號）點應(yīng)力在開采過程的變化曲線，圖4為5#、5′#、5″#（不同層位5#點編號）點開采過程中應(yīng)力的變化曲線。

圖3 2#、2′#、2′# 點開采過程的應(yīng)力變化曲線

由圖3和圖4可看出，此條件下，原巖應(yīng)力為14MPa。當(dāng)工作面推進(jìn)到測點前后均為5m左右時，應(yīng)力值開始大于原巖應(yīng)力，當(dāng)推進(jìn)至距離測點大于5m時，應(yīng)力值又突然減小，此時底板已發(fā)生破壞，隨著頂板周期性垮落，應(yīng)力值也隨之發(fā)生周期性的增減。

對比圖3和圖4可看出，距離切眼近的2#點應(yīng)力值最大可達(dá)到19MPa，集中程度比較大，恢復(fù)程度比較低，距離切眼遠(yuǎn)的點應(yīng)力可逐漸恢復(fù)至原巖應(yīng)力。其原因為受頂板垮落影響，距離切眼較遠(yuǎn)處，頂板垮落嚴(yán)重，垮落后的巖石作用于底板上，有利于底板的穩(wěn)定。由此可見，距離煤柱20m處為底板力學(xué)特性最薄弱的區(qū)域，也是防突涌的關(guān)鍵區(qū)域，應(yīng)該引起足夠重視。

圖4 5#、5′#、5′# 點開采過程的應(yīng)力變化曲線

各層位5#點底板應(yīng)力隨時間變化曲線如圖5所示。由圖5可看出，底板應(yīng)力一直處于動態(tài)變化，距離煤層底板底面距離越大，波動的幅度越大。引起這種變化的原因是底板承壓水的影響，隨著開采工作的進(jìn)行，底板連續(xù)性受到采動影響，各含水層間水力傳動變化導(dǎo)致水壓發(fā)生持續(xù)變化，從而造成對底板應(yīng)力的波動。

圖5 底板應(yīng)力隨時間變化曲線

4 數(shù)值模擬

為進(jìn)一步研究底板含水層水壓大小以及隔水巖層對底板應(yīng)力的影響，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對底板的破壞規(guī)律進(jìn)行研究。模型建立基于庫倫-摩爾準(zhǔn)則，工作面各巖層的力學(xué)特性與上述相似模擬試驗中一致，上部邊界設(shè)定為自由邊界，下部邊界為固定邊界，按每次推進(jìn)6.4m計。

4.1 方案設(shè)計

由于工作面長度、煤層厚度、底板含水層水壓大小、隔水層厚度、隔水層力學(xué)特性等因素均可能導(dǎo)致底板發(fā)生塑性破壞，為簡化研究，本次數(shù)值模擬只研究水壓大小和隔水層厚度對底板的影響，所以共設(shè)置三種方案。三種方案的不變量為工作面長度，取150m，煤層厚度為6.25m（平均厚度）。方案一：水壓=1.2MPa，隔水層厚度=30m；方案二：水壓=0.5MPa，隔水層厚度30m；方案三：水壓=1.2MPa，隔水層厚度35m。

4.2 模擬結(jié)果分析

三種方案下，底板塑性區(qū)的分布與變化情況如圖6所示。

圖6 底板塑性變化情況

由圖6可知，工作面回采后，受采動影響，底板出現(xiàn)采動破壞帶、承壓水導(dǎo)升帶，且三種方案中破壞帶的深度均為10.3m左右，底板砂頁巖及部分泥巖已破斷。三種方案中承壓水導(dǎo)水帶深度分別為9.18m、7.65m、4.21m，其中方案一中導(dǎo)水帶深度最大，為9.18m。方案二減小了水壓，導(dǎo)升帶的破壞范圍減小，深度變化很小。方案三中保持水壓不變，增大隔水層的厚度，可極大減小底板的塑性破壞范圍。由此可見，隔水層的厚度對帶壓開采底板塑性破壞的影響要大于水壓的影響。

5 結(jié)論

（1）距離煤柱20m處為底板力學(xué)特性最薄弱的區(qū)域，也是防突涌的關(guān)鍵區(qū)域，應(yīng)該引起足夠重視，可視情況對底板進(jìn)行注水泥漿加固。

（2）隔水層對維持底板穩(wěn)定作用比較大，采動過程應(yīng)盡量不對隔水層造成破壞，減小含水層之間水力聯(lián)系，避免帶壓開采底板發(fā)生塑性破壞。為維持隔水層的穩(wěn)定，可通過注水泥漿和水玻璃對隔水層進(jìn)行加固。

（3）對于通過斷層等地質(zhì)構(gòu)造的工作面，可通過提前探放水措施以及直流電法和音頻電透視手段為主的綜合立體物理勘探對工作面底板完整性進(jìn)行提前預(yù)判，有異常情況及時采取措施，防止底板突涌事故的發(fā)生。