带压开采下组煤底板采动破坏深度现场实测及模拟*

李先贵，李 凯

(1.霍州煤电集团有限责任公司，山西 霍州031400;2.中煤科工集团西安研究院，陕西 西安710054)

0 引言

团柏煤矿作为霍州矿区的主要生产矿井，但随着近些年来，开采深度向下延深，井田下组煤10#煤层开采除受顶板充水含水层K2灰岩的涌水之害外，还面临下伏区域巨厚强含水层奥灰的突水威胁，这种威胁是严重的，因为10#煤距奥灰很近，平均为36 m.因此，解放受奥灰水威胁的下组煤炭资源是当务之急。而带压开采10#煤层的关键性技术难题，是如何有效、准确的确定煤层底板采动破坏深度［1］。

目前国内外学者对华北煤田对底板采动破坏深度及规律的研究方法较多，如张金虎等运用FRFPA2D软件对神东矿区不同覆岩结构的短壁式开采进行模拟，分析比较不同覆岩性质及其组合对上覆岩层运动和破坏的影响，再现受采动影响岩体的破坏和移动规律［2］;张朋等人对比目前常用的采煤面底板岩层变形与破坏测试方法特点，将地电性动态测试运用到采煤面底板岩层破坏规律测试中，测取了不同时期地电参数变化特征分析底板破坏带发育规律及程度［3］;王贵虎、何廷峻结合朱庄煤矿3629工作面实例，利用理论分析、相似材料模拟研究方法探讨了高承压水体上底板变形规律，取得较好的实际应用效果［4］;李慎举根据辛置煤矿底板下三带现场测试成果，分析了开采煤层底板破坏带厚度阻水性变化以及破坏带时空特征，其结果为辛置煤矿带压开采评价提供了符合实际的评价依据［5］;刘洋根据城郊煤矿的开采实践，利用F-RFPA2D软件对煤层底板破坏深度进行数值模拟分析，动态再现煤层底板破坏过程，取得了不同矿山压力变化对底板破坏深度的影响规律［6］。以上学者从现场实测、数值计算、室内试验和理论分析等角度均取得了可喜的成就［2－10］。以上研究成果对霍州矿区团柏煤矿下组煤底板破坏深度及规律的研究起到参考和借鉴作用。

因此，文中结合团柏煤矿10#煤层现有的带压开采条件，选取下组煤10#煤的10115典型综采面作为本次研究的背景，采用压力试验手段对底板破坏深度及规律进行现场实测研究，并结合数值计算所得结果进行对比分析，从而为团柏煤矿下组煤向深部采区进行安全带压开采提供科学指导。

1 工作面地质条件概况

团柏煤矿10#煤层10115综采工作面位于下组煤400水平首采区右翼，该工作面走向长度1 660 m，倾向长度160 m，标高+429～+488 m，地面标高+705～+828 m，覆岩层厚度平均为308 m，煤层倾角 2°～6°(平均约4°)，煤层厚度为 1.67～2.88 m，底板承受水压力为 1.1 MPa，开采方法为走向长壁综采。煤层顶、底板情况见表1.

表1 10115工作面顶、底板岩性Tab.1 Roof and floor lithologic of No.10115 mining face

2 底板采动破坏现场实测研究

2.1 测试基本方法

本次对团柏煤矿10115工作面10#煤层底面以下不同深度的岩石段进行压水试验［9－10］，在采面到前和采面过后的采煤过程中，测取不同水压下的进(侵)水量。这样对每一个深度段都可获得:

1 )同一水压下进水量在回采过程中的变化;

2 )起始水压在采煤过程中的变化，包括变为零或接近零。采前测点与采面相距应大于80 m.

2.2 测试工程布置和实施

10115工作面底板破坏深度测试钻窝为南边10117工作面轨道巷中的一个临时水仓，距首采区轨道上山巷150 m，距停采线80 m.由钻窝向北边的10115工作面底板打斜孔。共施工5个孔，总工作量119 m，诸孔裸孔段始端与10#煤底面相距分别为:5，7，9.4，9.5，12 m，其中 1#，2#，4#等 3 个钻孔裸孔段长度为2 m，3#孔裸孔长度27 m，5#孔裸孔长37 m，钻孔裸段直径89 mm.测孔起始水压高时用井下供水管之水，其压力为1～2 MPa.起始水压低时，为便于操作和稳定水压，使用出水钻孔(5#孔)之水，其压力为0.11 MPa.如图1所示和见表2.

在10117工作面轨道巷钻窝内施工的5个钻孔中，1#，2#，4#孔为干孔，3#，5#孔涌水。3#孔在孔深39 m时遇细粒砂岩出水，水压0.07 MPa，流量0.2 m3/h，在孔深55 m(终孔)时遇石英砂岩出水，水压 0.102 MPa，流量 1.62 m3/h.5#孔在孔深29.5 m 时遇薄层灰岩出水，水压 0.09 MPa，流量0.5 m3/h，在孔深40 m左右遇细粒砂岩又出水，水压 0.11 MPa，流量 1.1 m3/h.

对涌水的3#，5#钻孔在采煤过程中对其涌水量和水压进行观测。其中3#孔在孔深30 m处用橡胶隔水器将孔阻隔成两段，下段观测流量和压力，上段(距煤层底面9.4 m)进行各孔不同采面距(与采煤面的距离)的压水试验。在采煤过程中，两孔流量和压力的变化不明显。

表2 10115工作面底板钻孔参数Tab.2 Floor drilling parameters of No.10115 mining face

2.3 测试结果分析

测试期间，对 1#，2#，3#，4#等 4 个孔进行了不同采面距不同水压的压水试验。测试过程从1月11日开始，起始观测采面距大于采前+150 m，于同年3月25日结束，历时74 d，到采煤至停采线(采后－80 m)停止测试，采面距测孔前为正，测孔后为负。

图1 测试钻孔布设立面图Fig.1 Test drilling layout elevation

2.3.1 定压进水量测试结果

1#，2#，4#三测孔在 0.8 MPa 定水压力下不同采面距的进水量结果，如图2所示，图中埋深h表示为钻孔测段与10#煤层底面的距离。

从图2分析可知

1 )测试的4#孔进水量的变化是典型的，在采面距达+20 m之前进水量是波动的。

2 )在采面距达+20 m之后，4#孔进水量因岩层裂隙收缩(采动附加压力为正，即增压)而处于减小状态，甚至为零。

3 )当采面到达测点后钻孔进水量因裂隙扩张(附加压力为负值，即减压)而明显增大，在采过6～20 m时可达到峰值，为前值的6倍以上。

4 )过了峰值(L＜－20 m)，钻孔进水量呈减小趋势，但很缓慢。

钻孔进水量的变化真实反映了底板岩层因矿压增减而导致裂隙收缩或扩张的过程。综合全部孔的变化趋势可得出如下结论

在采面距达到+140 m后，矿压对底板的扰动便显现出来，在采面接近测点时(如L＜+20 m)底板裂隙因增压而收缩，采过后因减压而扩张，这种扩张在采过20 m之内可达到峰值，因此，采面距为0～25 m的阶段是底板最薄弱的时期，此时期以后底板裂隙进入收缩的恢复阶段，但裂隙的闭合性又远远地低于原始状态。

图2 0.8 MPa水压下不同采面距的进水流量曲线Fig.2 Influent flow curve of different mining face distance under 0.8 MPa flow pressure

2.3.2 起始水压测试结果

测试期间，各个测试钻孔不同采面距起始水压变化曲线如图3所示。

1 )2#和4#测试孔起始水压(P始)变化较典型。

在采面临近测点之前，起始水压随采面距L的减小，采动附加压力的增加(使裂隙闭合)而变大，到L=+16～+6 m时达到峰值。此后因减压裂隙扩张而迅速减小，到L=－2.5～－25 m时，达最小值。L＜－25 m后，P始开始恢复(增大)，但趋势平缓(1#孔恢复较快)。总体说在恢复后，至少在恢复前期底板阻水抗压强度要明显小于原始的。

图3 各埋深钻孔不同采面距起始水压Fig.3 Initial pressure of different mining face distance in each drilling

2 )起始水压最小值

2#孔(距煤底h=7 m)为 0.001 MPa，视作零(无阻水能力);

3#孔(h=9.4 m)为 0.015 MPa，接近零(阻水能力接近无);

4#孔(h=12 m)为 0.11 MPa(略具阻水能力)。

3 )测段距煤层底面12 m的4#孔，其起始水压原始值平均为0.45 MPa，最小值为0.11，阻水能力后者为前者的24%.此说明，在矿压直接破坏带下存在矿压扰动带，在扰动带岩层的抗水压强度明显减弱。

4 )现场测试综合结果分析

由于煤层开采而引起的底板直接破坏深度为9.5 m，其下面的扰动带岩层抗水压强度明显减弱，因此，综合上述两方面的因素，本次现场测试所得到底板采动破坏深度实测结果应定为12 m.

3 底板采动破坏数值模拟分析

本次运用F-RFPA2D分析系统模拟整个采场开挖［11－18］，对底板隔水岩层破坏过程进行模拟计算分析。

3.1 数值模型的建立

根据团柏煤矿10115工作面水文地质条件，简化后的耦合数学模型长度为220 m，高为130 m.根据现场钻孔采样进行试样的物理及力学性质实验，将模型简化为14层岩层结构体进行分析。计算参数见表3.

文中算例划分的单元数为220×130=28 600个单元(如图4所示)，并在模型的顶部施加相当于250 m厚的覆岩质量。

模型顶部施加6.0 MPa的垂直应力，模型计算每步开挖4 m，开挖30步，共开挖120 m，左右两边煤柱宽度留设50 m.

表3 数值模型岩石物理力学性质参数Tab.3 Physical-mechanical parameters of rock in the numerical model

图4 数值模拟力学计算模型图Fig.4 Mechanical calculation model of numerical simulation

3.2 模拟结果分析

从数值模拟结果(图5)分析可知，煤层底板岩层破坏演进过程大致可以分为以下几个阶段

1 )当采煤工作面推进至16 m时(图5(a))，引起了采空区围岩应力重新分布，此时破坏深度大约在5m位置;

2 )图5(b)是当采面推至24 m附近时，在前方支撑煤壁处(开切眼)应力集中程度降低，而采空区中部的底板随这开挖，底板岩层破坏的深度向下有了一定程度上的发育。此时，煤层底板出现较为明显的底板破坏深度达到了8 m左右。

3 )图5(c)为采面推至40 m时煤层顶(底)板破坏状况，该计算步为老顶发生初次来压现象，底板破坏的区域沿这采面的推进方向而发生同步地扩展，此时底板破坏深度继续向深部发育，底板破坏的范围主要集中于采空区的中部和后部。此煤层底板出现明显的破坏深度增加到10 m左右。

4 )图5(d)是采面推至56 m时煤层顶(底)板破坏状况，该计算步的老顶发生了第一次周期性的来压，底板破坏的范围随着采面继续向前推进而发生不断前移，由于此刻的支承压力仍为降低，底板破坏深度没有停止向下发展。在第一次周期来压中，煤层底板采动破坏深度值达到11 m.

5 )图5(e)是采面推至72 m时煤层顶底板的破坏形态，此计算步是老顶板第二次周期来压的形成阶段。由图可知，上覆已垮落的岩层与底板发生了接触现象，前部底板破坏有所增加但增加幅度不大。由模拟计算结果可知，整个底板破碎的程度略有所增加，明的显破坏深度约为12 m.

6 )图5(f)是采面推至84 m时煤层顶(底)板破坏状况，该步是老顶第三次周期来压阶段。在经过2个周期来压后，底板岩层的出现较明显的破坏深度并没有向下发展仅在横向发展，基本稳定在12 m左右。

图5 底板采动破坏演化规律图Fig.5 Evolution chart of floor damage

4 结论

以带压开采团柏煤矿10#煤层10115综采工作面作为研究对象，在现场开展了压水试验，取得了第一手实测资料，并采用数值计算技术对煤层底板破坏深度发育规律进行了模拟分析，该结果与现场实测数据基本吻合，从而为团柏煤矿下组煤的安全开采提供了可靠保障。

1 )根据对10115工作面煤层底面以下不同深度的岩石段开展的压水试验实测，综合了5个底板钻孔的定压进水量和起始水压变化的监测结果，得出了煤层开采而引起的底板直接破坏深度为9.5 m，而底板采动最大破坏深度实测值为12 m左右;

2 )通过数值模拟结果分析可得，老顶板初次来压步距为40 m，周期来压步距在12～16 m;煤层底板采动破坏深度随着工作面不断向前推进而向下延伸，但当工作面推进至56 m后，底板采动破坏深度延伸增加的趋势有所减慢，当工作面推进至84 m时，底板采动破坏深度不再继续增加，此时达到最大值12 m，该结果与现场压水试验实测结果基本吻合;

3 )通过现场实测及数值计算结果对比可知，团柏煤矿10#煤层底板采动破坏深度最大值应取为12 m，该结论可为团柏煤矿下组煤带压开采工作面提供可靠的参考依据。

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