趙旭峰,王德忠

(山西工程職業(yè)學(xué)院 采礦工程系,太原 030032)

我國煤礦水文地質(zhì)條件復(fù)雜,礦井水害事故較多,必須引起足夠重視。華北煤田是我國煤炭資源最為豐富的煤田之一,但經(jīng)過幾十年的長期開采,淺部煤炭資源逐漸枯竭,許多煤礦開始轉(zhuǎn)入下組煤的開采。下組煤多位于含水豐富的奧陶系承壓含水巖層上方,隨著煤層開采深度的逐步加大,采場底板破壞深度勢必危及有效隔水層的厚度,導(dǎo)致煤礦井下水害事故日趨頻發(fā),嚴(yán)重影響礦井正常生產(chǎn)及井下作業(yè)人員的安全[1-7]。

煤層回采導(dǎo)致底板巖層原始應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞,底板巖層應(yīng)力將重新分布,并在采煤工作面及采空區(qū)四周圍巖產(chǎn)生應(yīng)力集中,集中應(yīng)力傳遞于底板巖層,使得底板巖層受到壓縮-膨脹-再壓縮的循環(huán)過程,這些交變應(yīng)力的反復(fù)作用讓底板巖層各向裂隙不斷擴(kuò)展直至破壞隔水層的隔水能力。遭到破壞的底板巖層喪失了隔水能力,奧陶系承壓含水巖層將時(shí)刻威脅礦井的安全回采,因此礦井水害防治是煤礦高效安全生產(chǎn)的關(guān)鍵基礎(chǔ)之一。在此采用現(xiàn)場實(shí)測結(jié)合底板采動(dòng)巖層應(yīng)力分布特征,研究了綜采工作面采動(dòng)影響下的底板巖層破壞規(guī)律,并提出適用于該地區(qū)的底板破壞深度經(jīng)驗(yàn)公式,結(jié)合其他礦井突水因素可為煤礦安全開采提供可靠依據(jù)。

1 工作面概況

080102工作面位于井田內(nèi)-172 m水平一采區(qū)集中回風(fēng)下山南部,東部為080101采空區(qū),西部為實(shí)體煤層,南部礦界與天達(dá)煤業(yè)接壤。工作面走向?yàn)楸蹦?傾向?yàn)闁|西,走向長1 127～1 302 m,傾向長112～165 m。8#煤層俗稱七尺煤,位于太原組三段中部,上距7#煤層3.35～11.43 m,平均層間距8.31 m。該煤層賦存較穩(wěn)定,煤層結(jié)構(gòu)簡單,煤層厚度0.33～1.97 m,平均厚度1.12 m,平均傾角8°。直接頂大部分為泥巖和砂質(zhì)泥巖,局部為炭質(zhì)泥巖,底板主要為砂質(zhì)泥巖和中細(xì)砂巖。080102回采工作面采煤方法為綜合機(jī)械化采煤一次采全高。

2 工作面監(jiān)測鉆孔布置及參數(shù)設(shè)計(jì)

080102工作面底板采動(dòng)破壞深度實(shí)測系統(tǒng)由2個(gè)監(jiān)測鉆孔、8個(gè)應(yīng)變傳感器探頭以及應(yīng)變記錄儀構(gòu)成。測站測點(diǎn)布置在回采工作面軌道平巷,每個(gè)監(jiān)測鉆孔分別在底板不同深度布置4個(gè)應(yīng)變傳感器探頭用來感知底板巖層變形量，并將數(shù)據(jù)傳遞于應(yīng)變記錄儀。每個(gè)應(yīng)變傳感器探頭共有12個(gè)應(yīng)變片,進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)需要對(duì)12組監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量疊加并歸結(jié)為6個(gè)應(yīng)變通道。本次實(shí)測工作用時(shí)60 d,獲取數(shù)據(jù)4 232個(gè),通過對(duì)比2個(gè)監(jiān)測鉆孔監(jiān)測的底板巖層變形程度來確定其底板破壞深度范圍。080102工作面底板變形破壞深度的監(jiān)測鉆孔布置如圖1所示,監(jiān)測鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 080102工作面底板破壞范圍鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of boreholes within the floor failure of 080102 seam floor

圖1 080102工作面監(jiān)測鉆孔布置平面圖Fig.1 Schematic diagram of monitoring boreholes on 080102 working face

底板采動(dòng)變形觀測是利用2個(gè)監(jiān)測鉆孔分別在底板不同深度位置設(shè)置應(yīng)變傳感器探頭,通過應(yīng)變量的變化監(jiān)測該位置處巖層的變形情況。1#監(jiān)測鉆孔的4個(gè)探頭分別位于底板下垂深度3.2 m、7.1 m、11.3 m、16.4 m處,各個(gè)應(yīng)變傳感器探頭位置相對(duì)于鉆孔口距離回采煤壁分別超前了5.8 m、13.2 m、21.7 m、33.6 m；2#監(jiān)測鉆孔于底板下垂深度4.2 m、7.8 m、10.9 m、15.0 m位置處分別設(shè)置4個(gè)探頭,各個(gè)應(yīng)變傳感器探頭位置相對(duì)于鉆孔口距離回采煤壁分別超前了5.3 m、10.7 m、16.7 m、20.3 m。最后進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)處理時(shí)均按照應(yīng)變傳感器探頭距離回采工作面的實(shí)際距離進(jìn)行校正。

3 工作面監(jiān)測結(jié)果與分析

3.1 監(jiān)測結(jié)果

3.1.11#監(jiān)測鉆孔

1#監(jiān)測鉆孔監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線如圖2所示。從圖中可以看出,各應(yīng)變傳感器探頭初始讀數(shù)都為0。隨著工作面不斷推進(jìn),各個(gè)探頭的應(yīng)變量開始逐漸變化。當(dāng)工作面推進(jìn)一定距離后,應(yīng)變量突然加快,說明此時(shí)應(yīng)變傳感器探頭處于回采工作面煤層采動(dòng)超前支承壓力影響區(qū)范圍內(nèi),但是各個(gè)傳感器探頭應(yīng)變量突增時(shí)所對(duì)應(yīng)的距離回采工作面煤壁的位置有所差異。研究發(fā)現(xiàn)1#監(jiān)測鉆孔的4個(gè)應(yīng)變傳感器探頭分別在距離回采工作面煤壁64 m、58 m、42 m、39 m時(shí)應(yīng)變量開始大幅增加,并且由于受到回采工作面在推進(jìn)中周期來壓的影響,應(yīng)變傳感器探頭的應(yīng)變峰值峰谷也隨之出現(xiàn)周期性波動(dòng),說明回采工作面周期來壓的出現(xiàn),經(jīng)測算回采工作面平均周期來壓步距為8.5 m。此外,監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn),當(dāng)回采工作面推進(jìn)超過應(yīng)變傳感器探頭1和探頭2的水平位置后,應(yīng)變記錄儀開始監(jiān)測不到讀數(shù),說明此時(shí)兩個(gè)應(yīng)變傳感器探頭位置所在的底板巖層已經(jīng)完全破壞。相反,應(yīng)變傳感器探頭3和探頭4在工作面推過之后仍然可以監(jiān)測到讀數(shù)持續(xù)變化,說明這兩個(gè)應(yīng)變傳感器探頭所在巖層沒有發(fā)生破壞,而且隨著與工作面的距離增大,兩個(gè)應(yīng)變傳感器探頭讀數(shù)整體呈減小的趨勢。綜合考慮1#監(jiān)測鉆孔的4個(gè)應(yīng)變傳感器探頭的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以確定,080102工作面底板巖層采動(dòng)破壞深度處于7.1～11.3 m之間。

(a)傳感器探頭1(底板下垂深3.2 m)

(b)傳感器探頭2(底板下垂深7.1 m)

(c)傳感器探頭3(底板下垂深11.3 m)

(d)傳感器探頭4(底板下垂深16.4 m)圖2 1#監(jiān)測鉆孔各應(yīng)變傳感器探頭實(shí)測應(yīng)變?cè)隽壳€Fig.2 Measured strain curves of strain sensors around No.1 monitoring boreholes

3.1.2 2#監(jiān)測鉆孔

2#監(jiān)測鉆孔2個(gè)應(yīng)變傳感器探頭實(shí)測的應(yīng)變量變化曲線,如圖3所示,其監(jiān)測與分析過程與1#監(jiān)測鉆孔類似。1#和2#監(jiān)測鉆孔具有同樣的規(guī)律,因此2#監(jiān)測鉆孔僅需對(duì)傳感器探頭2和3進(jìn)行分析即可確定采動(dòng)底板巖層破壞深度范圍。2#監(jiān)測鉆孔的4個(gè)應(yīng)變傳感器探頭分別在距離回采工作面煤壁62 m、55 m、44 m、38 m時(shí)應(yīng)變量開始大幅增加,隨著回采工作面不斷循環(huán)推進(jìn),各個(gè)應(yīng)變傳感器探頭的應(yīng)變量變化呈周期性波動(dòng),監(jiān)測所得回采工作面的平均周期來壓步距為7.9 m。

(a)傳感器探頭2(底板下垂深8.1 m)

(b)傳感器探頭3(底板下垂深12.7 m)圖3 2#監(jiān)測鉆孔應(yīng)變傳感器探頭2和探頭3實(shí)測應(yīng)變?cè)隽壳€Fig.3 Measured strain curves of No.2 and No.3 strain sensor of No.2 monitoring borehole

由圖3中應(yīng)變傳感器探頭2和探頭3的監(jiān)測數(shù)據(jù)可知,080102回采工作面采動(dòng)底板巖層破壞深度范圍為8.1～12.7 m。

3.1.31#監(jiān)測鉆孔和2#監(jiān)測鉆孔的監(jiān)測結(jié)果

如表2所示，由1#監(jiān)測鉆孔監(jiān)測結(jié)果得出080102工作面底板破壞深度范圍為7.1～11.3 m,由2#監(jiān)測鉆孔監(jiān)測結(jié)果得出工作面底板破壞深度范圍為8.1～12.7 m。綜合比較兩個(gè)監(jiān)測鉆孔的實(shí)測應(yīng)變?cè)隽壳€,可以確定采動(dòng)影響下080102工作面底板破壞深度范圍為8.1～11.3 m,平均周期來壓步距范圍為7.9～8.5 m。

表2 1#、2#監(jiān)測鉆孔監(jiān)測數(shù)據(jù)Table 2 Measured data of No.1 and No.2 monitoring borehole

3.2 結(jié)果分析

3.2.1工作面底板變形破壞與礦山壓力的關(guān)系

080102工作面液壓支架支護(hù)阻力觀測采用5臺(tái)礦用本安型數(shù)字壓力儀,依次分布于回采工作面第8#、27#、48#、65#、86#液壓支架。實(shí)時(shí)礦壓數(shù)據(jù)每5 min定期監(jiān)測一次,并通過紅外線數(shù)據(jù)采集器將實(shí)測數(shù)據(jù)傳輸于礦壓專用軟件再進(jìn)行處理。

080102工作面自開切眼向前平均推進(jìn)21.5 m時(shí),回采工作面頂板發(fā)生初次來壓,數(shù)字礦壓監(jiān)測儀記錄初次來壓步距為21 m。此后隨著回采工作面不斷向前循環(huán)推進(jìn),工作面周期來壓現(xiàn)象明顯。圖4為回采工作面第27#液壓支架支護(hù)阻力實(shí)測變化曲線,可以看出回采工作面周期來壓頻次為3 d左右,周期來壓步距為8.8 m,與前述1#、2#監(jiān)測鉆孔監(jiān)測的周期來壓平均步距8.2 m相差不大,而且周期來壓步距介于初次來壓步距的1/4～1/2之間,符合經(jīng)典礦壓理論預(yù)測范圍。這為確定煤礦井下回采工作面周期來壓步距提供了新的參考。

圖4 27#液壓支架支護(hù)阻力變化曲線Fig.4 Variation curve of supporting resistance on No.27 hydraulic support

3.2.2工作面采動(dòng)影響距離與底板垂深的關(guān)系

由表2可知,080102工作面采動(dòng)影響長度與各個(gè)應(yīng)變傳感器探頭距底板垂深的距離存在一定關(guān)聯(lián)性和規(guī)律性。當(dāng)應(yīng)變傳感器探頭距煤層底板的距離逐漸加大時(shí),工作面采動(dòng)影響距離隨之減小。通過對(duì)表2中8組數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合回歸分析,L代表采動(dòng)影響距離,h代表探頭距底板垂深,二者之間存在著函數(shù)關(guān)系L=-2.158h+70.72,相關(guān)系數(shù)R2=0.925 4,擬合效果良好,如圖5所示。

圖5 鉆孔采動(dòng)影響距離與探頭距底板垂深的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between the distance of mining-induced influence and vertical depth of sensors from floor

4 結(jié)論

1)運(yùn)用現(xiàn)場應(yīng)變實(shí)測系統(tǒng)的方法,在080102回采工作面軌道平巷設(shè)置觀測測點(diǎn),通過布置兩個(gè)監(jiān)測鉆孔和8個(gè)應(yīng)變傳感器探頭對(duì)采場底板破壞深度進(jìn)行監(jiān)測,確定了工作面采動(dòng)底板破壞深度范圍為8.1～11.3 m。

2)現(xiàn)場應(yīng)變實(shí)測系統(tǒng)監(jiān)測所得數(shù)據(jù)反映了不同深度的底板變形破壞與工作面采動(dòng)影響距離的關(guān)系。當(dāng)應(yīng)變探頭位置距離底板垂深增加時(shí),受工作面采動(dòng)超前集中應(yīng)力的影響程度總體呈現(xiàn)減小的趨勢。通過對(duì)8組數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合回歸分析,給出了兩者關(guān)系的函數(shù)表達(dá)式。

3)回采工作面液壓支架支護(hù)阻力觀測數(shù)據(jù)與現(xiàn)場應(yīng)變傳感器探頭應(yīng)變?cè)隽壳€相比較,都具有相似的周期性波動(dòng)特點(diǎn),應(yīng)變實(shí)測系統(tǒng)測得的回采工作面平均周期來壓步距為8.1 m,與數(shù)字壓力儀測得的周期來壓步距8.8 m相差不多;液壓支架數(shù)字壓力儀監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示初次來壓步距為21 m,而監(jiān)測鉆孔各探頭所測周期來壓步距正好介于初次來壓步距的1/4～1/2之間,符合經(jīng)典礦壓理論預(yù)測范圍。

4)現(xiàn)場應(yīng)變實(shí)測系統(tǒng)揭示了回采工作面采動(dòng)影響底板變形破壞規(guī)律,再結(jié)合礦井其他突水因素進(jìn)行分析,能夠?yàn)樵搮^(qū)域礦井煤炭資源安全高效開采提供可靠依據(jù)。