義棠煤礦帶壓開采工作面底板擾動破壞帶發(fā)育規(guī)律研究

柳 晶,李根威

(呂梁學院 礦業(yè)工程系,山西 呂梁 033000)

煤礦水害是現(xiàn)階段我國煤礦開采過程中的主要危害之一。采掘過程中,底板破壞深度過大會導致承壓水涌入回采工作面,嚴重影響開采進度及工人的生命和財產安全。因此,研究帶壓保水開采引起的底板破壞深度十分重要。魏丹峰等[1]提出了“堵截法”和“疏導法”的保水開采方案,對煤礦安全生產和水資源保護具有重要意義。張玉軍等[2]針對鄂爾多斯盆地侏羅系煤田,提出了“先疏后采與邊采邊疏相結合”的疏控水技術。王厚柱等[3]對深部近距離煤層底板破壞規(guī)律進行了研究。邵良杉等[4]建立了一種PSO-ELM-Boosting模型，用于預測底板破壞深度。宋文成等[5]研究了沿傾向承壓水開采時底板的破壞情況。劉偉韜等[6]對深部礦井帶壓開采底板破壞情況進行了研究。孫卓越等[7]通過理論計算和數值模擬，對底板破壞深度進行了計算。趙劍[8]通過現(xiàn)場實測和FLAC3D數值模擬，對承壓開采的破壞深度進行了研究。張志巍等[9]研究了采動與隱伏斷層雙重作用下底板的破壞特征情況。王進尚等[10]利用高精度微震檢測技術對底板破壞深度進行了研究。在此,針對義棠100602工作面的實際情況,利用理論計算、FLAC3D數值模擬和現(xiàn)場實測確定工作面的破壞深度,為實際保水開采提供參考。

1 工程概況

井田內奧灰水水位標高為531.5～530.0 m,9號、10號煤層埋藏深度為350～500 m,煤層底板距奧灰系承壓水層約30 m,煤層底板奧灰水水壓為0～4.5 MPa,突水系數大于0.1 MPa/m,存在突水危險,威脅安全生產。100602工作面采用長壁式采煤法,工作面斜長140 m,推進882 m,采用一次采全高的采煤工藝,煤層平均厚度7.73 m,煤層傾角4°～7°,平均5°,工作面南部為不帶壓開采,北部均為帶壓開采。開采方向由東北向西南進行,開采初期對底板進行了注漿加固治理,依據現(xiàn)場提供的資料,工作面回采過程中未發(fā)現(xiàn)涌水情況。在100602工作面底板距離工作面開切眼185 m和195 m處打1#鉆孔和2#鉆孔,鉆孔深度分別為22.6 m和23.0 m,如圖1所示。在開始現(xiàn)場實測時,工作面距離1#鉆孔和2#鉆孔孔口分別為65 m和75 m。

圖1 100602工作面底板鉆孔柱狀圖

2 理論計算分析

基于底板破壞經驗公式,分別計算不同工作面和采高時的底板破壞深度。工作面斜長取70 m和140 m兩種,采高取4.4 m、5.4 m和7.7 m三種,分類對比開采方式對底板破壞深度的差異性。

第一種經驗公式是基于多因素分析計算不同采高h和工作面斜長L下的底板破壞深度[11]。

(1)

式中:h1為底板采動破壞深度,m;L為工作面斜長,m;h0為煤層埋深,取350 m。

第二種經驗公式是20世紀80年代研究人員根據開采工作面斜長進行單因素分析,總結出了計算底板破壞深度的經驗公式[12]。

h1=1.86+0.11L.

(2)

具體的計算結果如表1所示。從經驗公式和計算結果分析可知,工作面斜長與底板破壞深度呈正相關,與采高關系較為復雜,可能受多種因素影響,不能直觀表現(xiàn)出線性相關性。

表1 底板破壞深度計算結果

通過理論計算,綜合兩個經驗公式可確定,工作面斜長為70 m時,底板破壞深度范圍確定為9.56～11.61 m;工作面斜長為140 m時,底板破壞深度范圍確定為14.53～17.26 m。

3 數值模擬分析

3.1 模型建立

模擬軟件采用FLAC3D,基于兩個鉆孔對底板巖性的探測結果,賦予模型其他的地層參數,煤層傾角按照5°考慮。煤層開采厚度模型建立4.4 m、5.4 m、7.7 m三種,工作面斜長模擬建立70 m和140 m兩種。計算開始前各應力場處于平衡狀態(tài),之后在煤層底板施加4.5 MPa的承壓水水壓,然后按照不同方案對工作面進行開挖。為保證每次開挖模擬的真實性,將采空區(qū)垮落、冒落碎脹后對上覆巖層的支撐作用列入考慮范圍內。最終建立的模型尺寸為長×寬×高=250 m×130 m×95 m,三維模型如圖2所示。

圖2 三維數值模型

3.2 底板破壞特征分析

繪制在采動礦壓和水壓共同作用下,煤層底板采動破壞帶深度的垂直應力云圖和剪應力云圖,如圖3和圖4所示。由于煤層底板奧灰水水壓為0～4.5 MPa,為便于對比分析,定義底板垂直應力小于4.5 MPa時的區(qū)域為底板泄壓范圍。

圖3 采動破壞帶深度的垂直應力云圖

對比圖3(a)和圖3(b)發(fā)現(xiàn),采高為4.4 m的條件下,工作面斜長為70 m時,底板泄壓區(qū)深度為17.3 m;工作面斜長為140 m時,底板泄壓區(qū)深度降為9.6 m。這是由于隨著工作面的增長,采空區(qū)兩幫所受壓力增大,頂板垮落時垮落范圍增大,垮落高度也增加,冒落碎脹后施加給底板上的巖石重量增大,說明底板泄壓區(qū)深度隨工作面斜長增加而減小。從底板損傷屈服破壞機理方面分析,底板巖層屈服破壞主要由采場四周超前支承壓力作用于底板上產生的剪切破壞引起，工作面斜長的增加也會導致剪切力增大,剪切破壞加劇,底板破壞更加嚴重,隨著工作面的推進會對底板造成二次動壓傷害。由此可知,工作面斜長增加導致底板發(fā)生塑性破壞屈服的范圍增大,而底板垂直應力的泄壓區(qū)深度有所減小,表明底板破壞深度與底板泄壓區(qū)深度呈反比。分別對比圖3(c)和圖3(d)、圖3(e)和圖3(f)發(fā)現(xiàn)，其底板泄壓區(qū)深度分別為16.9 m和8.3 m、16.2 m和8.4 m,也符合上述分析結果。采高對于底板泄壓區(qū)的影響,分別對比圖3(a)、3(c)、3(e)與圖3(b)、3(d)、3(f),其底板泄壓區(qū)深度分別為17.3 m、16.9 m、16.2 m與9.6 m、8.3 m、8.4 m,其最終結果表明,采高逐漸增大時底板泄壓區(qū)深度無明顯變化,說明采高對底板泄壓區(qū)深度的影響較為微弱,即對底板破壞深度的影響較為微弱。從垂直應力云圖發(fā)現(xiàn),其在垂直方向的應力區(qū)范圍與塑性區(qū)范圍大抵相同,只是各區(qū)段應力大小分布和集中情況略有不同,分析原因可能是由于采高對底板淺層的破壞和應力重新分布造成的影響不同導致的。

工作面推進過程中沿煤層傾斜方向底板的剪應力云圖如圖4所示。工作面開始推進后,會在工作面兩端形成泡狀的剪應力區(qū),這說明工作面兩端由于受到采空區(qū)的超前應力影響形成了剪切應力區(qū)。

圖4 采動破壞帶深度的剪應力云圖

對比圖4(a)、圖4(c)和圖4(e),工作面斜長70 m時,當工作面采高從4.4 m提升到5.4 m再提升到7.7 m時,底板剪應力的范圍有增大的趨勢,剪應力最大值也增大;對比圖4(b)、圖4(d)和圖4(f)，當工作面斜長為140 m時,該規(guī)律同樣適用。這是由于開采高度增加,工作面兩端所受超前支撐力增大,兩幫受到的剪切力相應增大。工作面斜長增加時,采空區(qū)跨度增大,上覆巖層彎曲垮落,給兩幫施加的力增大,故剪應力也呈增大趨勢。由此可知,工作面作業(yè)生產時,如果采高較大或者工作面斜長較長則要做好巷道幫部的支護措施,避免發(fā)生剪切破壞,導致巷道失穩(wěn)變形。

綜合數值模擬的垂直應力云圖和剪應力云圖分析可知,采高不會對底板破壞深度造成直接影響,加強巷道支護措施即可保證安全施工，而工作面斜長增長會直接對底板破壞深度造成影響,且呈正相關。由垂直應力云圖分析可知,工作面斜長為70 m時,底板破壞深度范圍為8.3～9.6 m,工作面斜長為140 m時,底板破壞深度范圍為16.2～17.3 m。這一模擬結果與理論計算結果基本一致。

4 現(xiàn)場實測分析

4.1 實測方法及探頭布置

測試采用的探頭是由12個應變片制成的空心包體,每個探頭都有12個應變片,即12個測試通道。測試采用微震檢測法,其原理是巖石在應力作用下發(fā)生破壞時產生微震并發(fā)出聲波以釋放能量,能量的變化與巖體失穩(wěn)變化同時發(fā)生,通過測試能量的變化從而表征其失穩(wěn)狀況，評價巖體是否發(fā)生失穩(wěn)破壞并確定發(fā)生破裂的位置。

100602工作面實際開采狀況為工作面斜長140 m,平均機采高度為5.4 m,在開始布置檢測鉆孔前工作面距開切眼135 m。檢測鉆孔布置于100602工作面回風順槽內,共布置2個檢測鉆孔,1#鉆孔距離開切眼185 m,2#鉆孔距離開切眼195 m。每個鉆孔以不同傾角和方位角沿工作面煤壁下隅角布置,每個鉆孔內設6個應變探頭,每個探頭有12個通道。實驗器材為KX-81型空心包體式三軸應力計、KBJ-12型應變儀和數據處理軟件。檢測鉆孔中的每個探頭編號為1-1號至1-6號和2-1號至2-6號,鉆孔及探頭的具體布置方式如圖5所示。檢測時間從工作面距1號檢測孔孔口65 m處開始,直至工作面推過1號檢測孔孔口70 m處,每天檢測1次數據,測試期限為3個月。

圖5 鉆孔及探頭布置圖

4.2 數據分析

由于采動影響會引起檢測探頭應變片感應數值的變化,通過應變片感應數值變化計算出每天的增量,該應變片的最大感應幅度ε為4×10-3。由于探測應變片靈敏度很高,可認為超過此值時應變片已發(fā)生破壞,即底板巖層由于擾動影響發(fā)生變形,產生強烈的塑性變形和位移而導致探頭破壞,即巖石發(fā)生破壞,底板破壞深度已到達此處。當應變片感應幅度未超過此值時,認為巖石發(fā)生彈性變形,巖石和應變片均能回到原來的狀態(tài)或繼續(xù)保持受壓狀態(tài),即巖石未發(fā)生破壞,底板破壞深度未達到此處。由于數據繁多,下面取破壞深度附近的2個探頭所測數據進行分析說明。小于這2個探頭垂深的其他探頭經分析均已發(fā)生損壞,即底板破壞深度超過此處。大于這2個探頭垂深的探頭經分析只發(fā)生彈性變形,且能回到原來的狀態(tài)或繼續(xù)保持受壓狀態(tài),證明底板破壞深度未到達此處。這2個檢測探頭附加應變曲線如圖6所示。

(a)2-4號檢測探頭(垂深17.10 m)

安裝成功一周內測試數據穩(wěn)定,無高度離散現(xiàn)象或超最大應變現(xiàn)象,說明所有探頭及其應變片均工作正常,可以繼續(xù)實時監(jiān)測數據。在距離工作面前方較遠處,數據變化相對平穩(wěn),當工作面推進至鉆孔上方時,應變探頭數據出現(xiàn)較為明顯的躍升或下沉,不同埋深位置的探頭應變呈現(xiàn)不同大小的波動，隨著埋深的增加波動范圍逐漸變小。測孔位置對采動地壓顯示出明顯的超前感和滯后感。當工作面與孔口的距離較遠時,數據相對穩(wěn)定,僅出現(xiàn)略微波動,推斷是由工作面前加固維護巷道時,人工引起的擾動而導致數據出現(xiàn)略微波動。

分析2-4號探頭(圖6(a)),發(fā)現(xiàn)工作面距探頭上方30 m左右的所有通道的應變數值均增大,并隨著工作面的推進持續(xù)上漲。在工作面推過探頭上方10～20 m時附加應變ε值達到最大值(4×10-3),說明應變片已經被破壞,造成這種情況的主要原因是工作面推過探頭上方10 m左右時,恰處于采空區(qū)頂板垮落、碎脹、壓實的階段,故對底板壓力作用大,造成的破壞更強烈。隨著工作面的繼續(xù)推進,所有通道應變片的數值下降后不再發(fā)生變化,工作面推進不會對其造成影響,再次說明所有通道均已破壞,即底板破壞深度到達此處,破壞深度超過17.10 m。

分析1-5號探頭(圖6(b)),隨著工作面臨近1-5號探頭垂直上方,在20 m左右時數據就開始出現(xiàn)波動,且幅度逐漸變大。檢測探頭通道應變最大達到1.769 ×10-3,未超過應變片的最大感應幅度(4×10-3),且隨著工作面繼續(xù)推進,工作面超過檢測探頭上方40 m左右時,所有通道數據均逐漸變緩且回歸穩(wěn)定,后續(xù)只有微小波動出現(xiàn)。說明在這個過程中,隨著工作面推進,底板在17.58 m深處受壓發(fā)生變形,之后數據波動表明巖體彈性勢能不斷釋放和積聚導致發(fā)生彈性變形,之后數據回歸穩(wěn)定說明巖體能回到原來的狀態(tài),未發(fā)生塑性破壞,即底板破壞深度未到達此處。還可以發(fā)現(xiàn)1-5號探頭的附加應變在工作面推過且回歸穩(wěn)定后略大于安裝之前的數據,說明底板部分壓實,底板巖體處于較之前壓力更大的應力平衡狀態(tài)。

圖7為檢測探頭的附加應力曲線，σ1、σ2、σ3為三向主應力。距底板越近的探頭受到的采動附加應力增量值越大,由于數據較多,未能全部列出。分析曲線整體變化趨勢發(fā)現(xiàn),附加應力增量值的變化規(guī)律與應變增量變化規(guī)律一致。σ1為與垂直應力方向接近的主應力,隨著工作面的不斷推進,附加應力增量值的減小，表明其受到了擠壓作用;附加應力增量值的增加,表明此方向巖體膨脹,受到了拉應力作用。隨著深度的增加底板附加應力的增量值規(guī)律變化趨向一致,且應力增量幅度整體逐漸減小。其中,2-4號探頭在工作面推進到距2-4號探頭垂直上方30 m處時出現(xiàn)應力擾動,之后偶有略微回彈現(xiàn)象；隨著工作面推過探頭上方10 m后應力劇烈波動,發(fā)生分流,附加應力趨于平緩不能回到初始狀態(tài)(證明彈性在之前已大部分損失),說明巖石產生塑性變形。探頭應力波動范圍為-2.5～+20.0 MPa,差值22.5 MPa。結合底板鉆孔圖說明2-4號探頭處在砂巖、泥巖互層中,砂巖、泥巖互層的切應力為17.234 MPa,可以確定2-4號探頭處已破壞,底板破壞深度超過此處(底板垂深17.10 m)。

(a)2-4號檢測探頭(垂深17.10 m)

1-5號探頭也是在工作面推進到距離1-5號探頭垂直上方30 m處時出現(xiàn)應力擾動,并不斷有應力回彈現(xiàn)象,此后工作面臨近和過后都出現(xiàn)劇烈波動,但后期仍能回到初始應力附近,證明巖石發(fā)生彈性變形且并未被破壞。探頭應力波動范圍為-1.0～+4.0 MPa,差值為5 MPa,結合底板鉆孔圖說明1-5號探頭處在泥巖中,泥巖的切應力為7.002 MPa,可以確定探頭未發(fā)生破壞,底板破壞深度未到達此處(底板垂深17.58 m)。分析結果與附加應變實測曲線一致。綜合各探頭附加應變和附加應力曲線數據,可以判斷100602工作面底板破壞深度應介于2-4號檢測探頭和1-5號檢測探頭之間,即底板破壞深度范圍為17.10～17.58 m。

5 結論

1)依據經驗公式計算發(fā)現(xiàn),采高對底板破壞深度無直接影響,工作面斜長為70 m時,底板破壞深度范圍確定為9.56～11.61 m,工作面斜長為140 m時,底板破壞深度范圍確定為14.53～17.26 m。

2)數值模擬結果表明，采高對底板破壞深度影響不大,但采高越大對采空區(qū)兩幫施加的應力越大,且會對沿空留巷側造成較大剪應力,故需依據實際幫體強度合理確定采高;工作面會對底板破壞程度直接造成影響,且呈正相關關系。模擬確定工作面斜長70 m時，底板破壞深度范圍為8.3～9.6 m,工作面斜長為140 m時,底板破壞深度范圍為16.2～17.3 m。

3)結合理論計算分析、數值模擬和現(xiàn)場實測,確定義棠煤礦100602工作面底板的破壞深度應為17.10～17.58 m。