柳東明

（1.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順113122）

如何在承壓含水層上進(jìn)行煤層開采是許多礦井亟待解決的重大問題。目前，帶壓開采是承壓含水層上采煤的主要開采方法，然而要實(shí)現(xiàn)安全帶壓開采，關(guān)鍵在于煤層開采后采場底板的隔水能力[1]。而開采后底板的變形破壞特征及斷裂帶分布規(guī)律直接決定著開采后采場底板的隔水能力。因此，采動(dòng)條件下底板斷裂帶分布規(guī)律的研究是煤礦底板水害防治研究的關(guān)鍵。

利民礦16 煤的后期開采塊段位于具有承壓水的奧陶系灰?guī)r之上，且大部分工作面位于承壓水水位以下。目前，正在開采的1603 工作面為16 煤首采工作面，位于奧灰?guī)r承壓水水位以上，由于標(biāo)高低于1603 工作面的其他16 煤工作面將進(jìn)入到潛水位以下，開采將受到奧灰水的威脅，因此通過對1603工作面開采后底板破裂帶分布規(guī)律研究，為礦井承壓水上工作面的安全開采提供理論依據(jù)[2-7]。

1 工程概況

1603 工作面是16 采區(qū)的首采工作面，煤層埋深厚度274～307 m，平均300 m，工作面長度為240 m，工作面走向推進(jìn)長度為1 085 m。工作面上方為0903 采空區(qū)和0904 采空區(qū)，下部為未開采地段。上部存在未采可采煤9-2、10 號煤層。1603 工作面16煤厚5.3～7.6 m，平均6.37 m。煤層傾角平均7°，工作面采用大采高一次采全高綜合機(jī)械化回采工藝方式，采空區(qū)采用全部垮落法管理頂板。頂、底板均以砂質(zhì)泥巖為主。

2 底板破壞理論

2.1 底板破壞機(jī)理

在工作面的推進(jìn)過程中，采動(dòng)引起應(yīng)力的重新分布從而導(dǎo)致工作面底板發(fā)生破壞。破壞主要表現(xiàn)為3 種形式：離層導(dǎo)致的層向破壞、采空區(qū)周邊反向力作用導(dǎo)致的剪切破壞、水平拉力作用導(dǎo)致的垂向破壞[8-9]。隨著工作面的推進(jìn)，回采工作面底板的任一點(diǎn)都要經(jīng)歷采前超前支撐壓力而壓縮、采后懸頂減壓而膨脹，以及后期頂板垮落壓實(shí)再受壓的過程。由于支撐煤體與采空區(qū)的增壓和減壓以及巖體反向的剪切作用，沿采空區(qū)周邊形成剪切破壞帶。

2.2 工作面底板破壞深度

根據(jù)我國現(xiàn)場實(shí)測的底板斷裂帶數(shù)據(jù)，考慮與底板采動(dòng)斷裂帶深度密切相關(guān)的工作面斜長、采深、采厚和傾角等實(shí)測參數(shù)，采用回歸分析，《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》提供如下的統(tǒng)計(jì)公式[10-11]。

只考慮工作面斜長時(shí)，底板斷裂帶深度為：

式中：h1為底板采動(dòng)導(dǎo)水?dāng)嗔褞疃?，m；L 為壁式工作面斜長，m。

考慮采深、傾角和工作面斜長，底板斷裂帶深度為：

式中：H 為開采深度，m；α 為煤層傾角，（°）。

1603 工作面長度為240 m，平均傾角為7°，平均采深300 m。因此，按式（1）～式（3）計(jì)算的工作面開采后底板斷裂帶的最大深度分別為26.60、24.30 m、25.42 m，即根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出的底板斷裂帶深度最大值為24.30～26.60 m。

3 底板破裂帶分布規(guī)律

3.1 模型尺寸巖層物理力學(xué)參數(shù)

模型的傾向x、走向y 以及垂直高度Z 的選擇應(yīng)保證模擬能夠出現(xiàn)基本恒定的底板斷裂帶深度，因此將模型尺寸確定為x×y×z=400 m×300 m×200 m。工作面布置在沿x 方向80～320 m，沿y 方向70～230 m，沿z 方向63.8～100 m 的范圍。

模擬過程中，各巖層均采用摩爾-庫倫的力學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算。模擬中所用的各煤巖層的巖石力學(xué)參數(shù)，通過在1603 工作面進(jìn)行打鉆采取巖心，在實(shí)驗(yàn)室按規(guī)定測試所得。模型中各巖層的巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 模型中各巖層巖石力學(xué)參數(shù)Table 1 Rock mechanics parameters of every strata in model

3.2 工作面推進(jìn)時(shí)沿走向底板塑性區(qū)分布

3.2.1 工作面中部底板塑性區(qū)分布。

隨著工作面的推進(jìn)，工作面中部頂?shù)装逅苄詤^(qū)分布及變化情況如圖1。

圖1 隨推進(jìn)工作面中部底板沿走向塑性區(qū)分布Fig.1 Plastic zone distribution of floor on the middle of working face along the trend direction with advancing

由圖1（a）看出，當(dāng)工作推進(jìn)20 m 時(shí)，工作中部頂?shù)装瀹a(chǎn)生塑性破壞區(qū)域。在切眼處煤壁附近的底板巖層中產(chǎn)生了較大程度的塑性破壞，在煤壁以里10 m 以及切眼一側(cè)5 m 所對應(yīng)的底板斷裂帶深度最大，達(dá)到21.10 m。而在切眼5 m 以外向工作面方向，斷裂帶深度立刻減小為4.7 m。這是因?yàn)榘l(fā)生最大破壞深度的地方，剪應(yīng)力在該處產(chǎn)生集中，應(yīng)力值超過巖體的黏聚力從而使巖體產(chǎn)生剪切破壞，而在工作面前方的煤壁附近，剪應(yīng)力集中程度較小，且隨著工作面的推進(jìn)底板處于動(dòng)態(tài)變化的狀態(tài)，所以在產(chǎn)生較小的破壞。同理，考慮到剪應(yīng)力的分布形態(tài)，因此在該處出現(xiàn)斷層式的破壞帶深度差異是合理的。而由于工作面的推進(jìn)，煤壁前方的垂直應(yīng)力增大，從而導(dǎo)致了剪應(yīng)力值的不斷加大，所以在煤壁前方的破壞深度逐漸加大。

工作面推進(jìn)40 m 和60 m 時(shí)，切眼煤壁處的底板破壞帶深度不在增加，保持21.10 m，而工作面附近的底板巖體破壞深度保持逐漸增加的趨勢，但底板巖體的破壞形態(tài)基本保持不變。因?yàn)殡S著工作面的推進(jìn)，該處的垂直應(yīng)力及剪切應(yīng)力的最大值雖均在增大，但是此處剪切應(yīng)力的集中范圍并未發(fā)生明顯的變化，因此此處底板的破壞帶范圍亦不在增加。而在工作面前方，同樣由于工作的推進(jìn)，工作面前方煤壁的支撐應(yīng)力逐漸增大而導(dǎo)致剪應(yīng)力增大，從而使得產(chǎn)生破壞的深度逐漸增加。

當(dāng)工作推進(jìn)80～100 m 時(shí)，切眼煤壁處的底板破壞深度及形態(tài)不再改變，隨著工作面推進(jìn)采空區(qū)底板的破壞帶深度穩(wěn)定在16.18 m 基本不再增加。根據(jù)隨著工作面推進(jìn)底板剪應(yīng)力的分析結(jié)果可以看出，此時(shí)切眼處的剪應(yīng)力集中效應(yīng)不再明顯，而逐漸消失，但根據(jù)隨著工作面推進(jìn)工作面中部也沿走向垂直應(yīng)力的分布情況可以看到，此時(shí)工作面后方的采空區(qū)應(yīng)力逐漸恢復(fù)，垮落巖石能夠提供一定的支撐力，從而減小了工作面前后方煤壁附近的垂直應(yīng)力，此時(shí)垂直應(yīng)力增加速度降低。工作面前方煤壁附近底板內(nèi)的剪應(yīng)力也因此而基本趨于穩(wěn)定。

此后，隨著工作面進(jìn)一步推進(jìn)，底板巖體的破裂帶形態(tài)已經(jīng)穩(wěn)定，工作面附近底板的巖體最大破壞深度保持為17.82 m，切眼處底板破壞帶最大深度保持在21.10 m，其位置在距離切眼煤壁5～10 m 的范圍內(nèi)。切眼處以及工作面附近的底板破壞帶深度及形態(tài)不再隨著工作面的推進(jìn)而增加或改變。根據(jù)垂直應(yīng)力的分析結(jié)果，當(dāng)推進(jìn)到160 m 之后，工作面前方煤壁內(nèi)的最大垂直應(yīng)力較之前有所下降，而后方采空區(qū)的垮落巖石提供了一部分支撐力，因此，此后隨著推進(jìn)，工作面前方的垂直應(yīng)力逐漸減小并趨于一個(gè)穩(wěn)定的值，不會由于應(yīng)力的增大而對工作面底板巖體造成進(jìn)一步的破壞。

將以上模擬分析得到的底板斷裂帶最大深度21.10 m 與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算所得的底板最大破壞深度范圍24.30～26.60 m 相比，模擬的最大深度值小于經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算所得。由于統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式是根據(jù)全國異性較大的工作面開采后造成的底板斷裂帶深度統(tǒng)計(jì)回歸而得，且出于安全方面的考慮，其值一般情況下偏大。由此看來，模擬所得的斷裂帶最大深度偏小是合理的。

通過以上分析可以得出，數(shù)值模擬與理論分析均保持了較高的一致性和統(tǒng)一性，可見模擬的結(jié)果是可靠的。

3.2.2 工作面不同位置處底板破壞情況

由于工作面上下端頭所處的埋深不同，由于傾角的原因可能導(dǎo)致底板的破壞深度不同。通過在推進(jìn)160 m 時(shí)工作面不同位置進(jìn)行剖面，研究工作面不同位置的底板變形破壞規(guī)律，推進(jìn)160 m 時(shí)工作面上、下端頭沿走向底板塑性區(qū)分布圖如圖2。

圖2 推進(jìn)160 m 時(shí)工作面上、下端頭沿走向底板塑性區(qū)分布圖Fig.2 Plastic zone distribution graph of floor along the trend direction on different positions of working face as it has advanced 160 m

根據(jù)圖1（b）和圖2 進(jìn)行對比分析可得：工作面開采后采場底板的最大破壞深度均產(chǎn)生在開切眼后方煤壁附近下方的底板巖體中，破壞帶的分布形態(tài)基本相同，最大破壞帶深度均為21.10 m。

從切眼處開始推進(jìn)到60 m 的位置時(shí)，工作面不同位置底板的破壞帶深度隨著推進(jìn)呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，在推進(jìn)60 m 之后，底板的斷裂帶深度達(dá)到最大值。在工作面上端頭處，該最大值為16.18 m，而下端頭處該最大值為17.82 m，可見工作上端頭處的破壞深度要小于下端頭處。而在工作面的中部，正常推進(jìn)期間底板破壞的最大值達(dá)到17.82 m。

3.3 沿傾向開切眼處底板破裂情況

工作面推進(jìn)時(shí)開切眼處沿傾向底板塑性區(qū)分布如圖3。

圖3 工作面推進(jìn)沿傾向底板破裂情況Fig.3 Fractured state of floor along the tends direction as advancing

根據(jù)圖3 可以看出，在切眼附近的傾斜剖面上，當(dāng)工作面推進(jìn)20 m 時(shí)，底板呈現(xiàn)出層狀破壞，即每一處表面都產(chǎn)生較小破壞區(qū)。但在兩巷道下方的底板巖體中破壞深度最大，其中回風(fēng)巷位置最大破壞深度為7.98 m，運(yùn)輸巷位置最大破壞深度為9.62 m。當(dāng)工作面推進(jìn)40 m 時(shí)，切眼處仍然保持兩巷道下方破壞帶深度最大，中間區(qū)域破壞深度一致且較小的形態(tài)，但回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷的最大破壞深度分別為9.62 m和11.26 m。當(dāng)工作面的推進(jìn)80 m 時(shí)，回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷底板的破壞深度并無增大，但切眼處中部的底板破壞帶深度增加。當(dāng)推進(jìn)100 m 時(shí)，工作面中部底板的破壞深度出現(xiàn)明顯的增大，從中間到兩側(cè)呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，到工作面兩端頭處的底板再次達(dá)到最大，此后隨著工作面的推進(jìn)，無論是采空區(qū)中部，還是兩端頭，其最大值均不在增加。底板的破壞帶最終在傾斜方向上呈現(xiàn)出類似“倒馬鞍”的形狀，即兩端頭破壞深度較大，從端頭向采空區(qū)中部破壞深度先迅速減小再逐漸增大，直到采空區(qū)中部重新達(dá)到較大的破壞深度14.54 m。

3.4 底板不同深度處破裂情況

為了對采空區(qū)底板下某處的變形破壞情況進(jìn)行分析，平行于煤層對某一深度處的巖體進(jìn)行剖面，底板下距煤層某處的塑性區(qū)分布如圖4。

圖4 推進(jìn)160 m 時(shí)底板不同深度處塑性區(qū)分布Fig.4 Plastic zone distribution at different depths of floor when the working face has advanced 160 m

由圖4 可以看出，當(dāng)工作面推進(jìn)160 m 時(shí)，在采空區(qū)底板下2 m 處的巖體基本上都處于塑性破壞區(qū)。這是由于開采形成采空區(qū)自由面，淺部的底板巖體在采空區(qū)周邊煤巖體內(nèi)反向應(yīng)力作用下發(fā)生大范圍底鼓造成的。在底板下6～10 m 范圍內(nèi)，從開切眼位置到60 m 的范圍內(nèi)，底板基本沒有出現(xiàn)破壞，這與圖1 分析的結(jié)果保持一致。此段范圍內(nèi)，底板破壞處于逐漸增加的過程，其破壞深度較小。而圖4（b），在底板以下15 m 距離切眼60 m 以外的范圍，底板依然產(chǎn)生破壞。在底板下20 m 的范圍內(nèi)，只有在開切眼附近的底板巖體中產(chǎn)生塑性破壞，而在22 m 時(shí)底板內(nèi)不再有塑性區(qū)破壞，由此可以得出底板的破壞帶最大深度為21.10 m，其位置在開切眼附近的底板巖層中。

4 結(jié) 論

1）采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出1603 工作面底板斷裂帶的最大深度為24.30～26.60 m。

2）沿走向方向上，1603 工作面在切眼處煤壁前方5 m 及后方10 m 范圍內(nèi)的底板產(chǎn)生最大破壞深度為21.10 m；隨著工作面推進(jìn)，底板破壞深度從4.7 m 開始逐漸增大到17.82 m，并最終保持穩(wěn)定。沿傾向方向上，底板斷裂帶呈現(xiàn)“倒馬鞍”型，在工作面下端頭處的底板產(chǎn)生最大破壞深度21.10 m，位置在距端頭煤壁10 m 范圍內(nèi)的底板下方。對比理論計(jì)算以及數(shù)值模擬分析所得的底板斷裂帶結(jié)果，兩者相互吻合。