特厚煤层开采顶板突水危险性预测及防治措施

2021-04-16王有建

中国矿业 2021年4期

王有建，涂敏

(安徽理工大学省部共建深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽淮南 232001)

0 引言

煤层经过回采后，上覆岩层出现变形、位移、破坏等现象，产生裂隙并形成“三带”破坏状态，对于上覆岩层中具有含水层的回采工作面来说，在开采过程中土层裂隙不断发育直至贯通至含水层形成导水通道，孔隙水易通过裂隙渗透到采空区进而造成安全事故，为此国内学者对顶板突水危险性预测进行了大量的研究。

靳德武等[1]通过对彬长矿区巨厚洛河组砂岩进行研究，将顶板含水层对开采影响划分为3个等级，分别为弱影响、中等影响、强影响，并通过注浆的方式实践于矿区典型矿井进行综放减水开采的工程中，取得了较好的实际效果；尹嘉帝等[2]针对潘二矿18111综采工作面裂隙发育高度，采用理论分析、相似模拟以及PFC数值模拟等多种方法，得到了裂隙发育角度呈现区域性分布的特点；曹祖宝等[3]针对黄陇煤田煤层突水问题，分析了不同覆岩组合采动破坏特征和覆岩导水裂隙与覆岩结构之间的相关关系，得出煤层的硬-硬-软-软型覆岩结构倒水层高度最大；郭文兵等[4]采用地面钻孔冲洗液漏失量法对芦沟煤矿32101工作面导水裂缝带高度进行了现场实测，并根据上覆岩层岩性及结构进行了理论分析计算，论证了芦沟煤矿在水库水体下采煤的可行性；李路等[5]通过数值模拟导水裂隙带发育高度，提出以导水裂隙带发育高度是否突破不同含水层进行分段，采用“大井法”和集水廊道法对采动过程中的涌水量进行分段分层预计，对涌水量的预计更接近实际；王晓振等[6]采用理论分析、现场探测等方法，得到特定关键层结构条件下，当工作面采高小于某一阀值时，导水裂隙带发育高度对采高变化不敏感，有效提高了水下煤炭采出率；杨达明等[7]利用井下钻孔分段注(放)液系统及钻孔电视等手段确定了工作面导水裂隙带高度，并采用数值模拟法分析了导水裂隙带的发育规律，对相似地质条件下保水开采具有重要的参考意义；马立强等[8]系统研究了岩层控制理论，有效地解决了浅埋煤层受采动影响上覆岩层导水裂隙带高度难以准确计算的难题；陈超等[9]针对巨厚煤层在综放开采条件下的煤矿工程实例，对采高和离层水突水的关系以及工作面推进速度与离层空间积水量的关联性进行了研究；还有学者采用理论分析、数值模拟、物理相似模拟以及通过现场实测等手段[10-15]，对多个矿区进行了裂隙发育高度的研究，保证了含水层下工作面的安全回采。

综上所述，我国学者通过不同的方法对回采工作面上覆岩层裂隙发育规律进行了分析研究，取得了丰厚的研究成果，对工作面突水危险性的防治起到了重要的指导作用。但关于特厚煤层开采覆岩裂隙发育规律以及采动影响下含水层渗流演变过程的相关研究较少。因此，本文在前人研究的基础上，以朱仙庄煤矿8105工作面为研究背景，采用经验公式、相似模拟实验以及数值模拟相结合的方法，对顶板突水危险性进行了评估，预先提出了防治措施并成功应用于8105回采工作面，保障了回采工作的安全进行。

1 工程地质概况

朱仙庄煤矿8105工作面煤层埋深约为420 m，平均煤层厚度为8.2 m，煤层倾角为12°～16°，平均为14°。煤层开采采用一次采全高综采技术，顶板采用全部垮落法管理，岩层柱状如图1所示。由经验公式[17]计算可得朱仙庄煤矿裂隙发育高度为69.26～71.26 m，但由于8煤层上方100.77 m处存在厚含水松散层，且上覆岩层地质条件复杂，因此煤层开采受到影响，为保证8105工作面安全回采，采用相似模拟试验进一步验证。

图1 岩层柱状图Fig.1 Rock column diagram

2 相似模拟试验

2.1 试验方案设计

结合朱仙庄煤矿8105工作面现场实际开采条件，试验方案的相关参数如下所述。

1) 容重相似比。由8105工作面岩层柱状图可知，研究区顶底板以粉砂岩为主，根据经验设计容重相似比为3∶5。

2) 几何相似比。安徽理工大学能源与安全学院试验大厅拥有3 m×0.3 m×2 m的平面相似模拟实验台，根据经验设计几何相似比为1∶100，搭建3 m×0.3 m×1.2 m物理相似模拟实验模型，模拟现场走向长为300 m，宽为30 m，高为120 m的煤岩层范围。

3) 应力相似比。根据模型几何相似比1∶100，模型高度1.2 m，模拟现场实际断面高度为120 m的煤层，模型上方上覆岩层高度为320 m，经计算取应力相似比为1∶150。

4) 时间相似比。由于模型和原型中重力加速度相等，取时间相似比为1∶10，即每2 h相当于现场20 h，采用分步开挖的方式代替工作面回采的过程，试验设计进度为5 cm/2 h(一天开挖60 cm)，模拟现场实际进度为4.2 m/d。

5) 试验参数及配比。按照上述相似常数及现场条件(顶底板岩层的厚度、岩性及强度等)换算成模型中的参数，并确定相应的配比。相似材料以细砂为骨料，以石灰和石膏为胶结物，经多次反复调整材料配比，获得各层相似材料的最佳配比表，见表1。

表1 岩石力学参数Table 1 Rock mechanical parameters

2.2 试验结果

工作面煤层进行初步开采，工作面推进至45 m时，如图2(a)所示，采空区上方出现直接顶岩层垮落，距采空区上方约3 m处出现长度为8.6 m、高度为0.1 m的裂隙；工作面推进至60 m时，如图2(b)所示，工作面出现初次来压，顶板两端裂隙呈现向上部扩展的趋势，与离层的水平裂隙贯通，形成了贯通的裂隙发育带，在采动影响下，采空区覆岩顶板出现垮落，覆岩破断角分别为34°和64°，随着工作面不断向前推进，直接顶岩层出现周期性的垮落破断，破断角为60°～70°；工作面推进至105 m时，覆岩顶板的垮落形态及裂隙发育特征如图2(c)所示，在采空区上方约35 m处出现长度为12.5 m、高度为0.1 m的裂隙；工作面推进至145 m时，如图2(d)所示，采空区上覆岩层出现大面积垮落，垮落带高度为55 m，垮落区域基本充满采空区，前期采空区产生的覆岩裂隙进一步被压实，竖向裂隙演化成阶梯状贯通裂缝，同时由于垮落岩层难以充满采空区，导致采空区上方出现较大距离的离层；工作面推进至190 m时，如图2(e)所示，此时采空区裂隙随着周期来压的不同程度被压实，岩层内裂隙发育至上部关键层的下方，关键层形成的岩梁结构有效遏制了裂隙的进一步发育，最终裂隙的发育高度为72 m。

2.3 实验结果分析

为更准确地描述采空区裂隙发育状态，采用数字散斑技术对顶板岩层表面进行取点分析，如图3所示。顶板不同位置的位移状态由活化垮落到结构稳定，在工作面初期开采阶段，受回采工作面采动影响的范围较小，顶板岩层位移量变化不明显，如图3(a)所示。经初次来压后，顶板岩层下沉量逐渐增大，随着工作面继续推进，工作面顶板出现周期性垮落，采空区进入活化状态，顶板下沉曲线呈锯齿状，如图3(b)所示。在此期间，由图3(c)所示，顶板垮落的岩块呈铰接结构向采空区方向回转，采空区原有岩块间裂隙被压实。工作面开采方向顶板端部处竖向裂隙呈阶梯状向上发育，在工作面开切眼处竖向裂隙向上发育至未垮落顶板端部，发育高度为25 m。受工作面采动影响，采空区上覆直接顶逐渐形成拱形结构，岩层内部裂隙出现活化状态，微小裂隙发育充分。随着工作面继续推进，覆岩顶板逐渐趋于稳定状态，在顶板上方形成稳定的承载结构，顶板下沉曲线进而转化为平底状态，如图3(c)所示。

3 数值模拟

由于在相似模拟实验中无法观测孔隙水实际渗流情况，为进一步分析采动影响下上部含水层孔隙水的渗流演化规律，根据朱仙庄煤矿8105回采工作面实际的工程地质条件，采用FLAC3D有限差分软件对工作面上覆岩层进行分析。模型长250 m，宽10 m，高140 m，煤层厚度为8.2 m，工作面距含水层距离为100 m，左右与底部均为固定边界条件，顶部采用自由面，自由面上方施加均布荷载，共计25 000个单元体，采用摩尔-库伦准则。

图2 采动裂隙发育过程Fig.2 Mining-induced fracture development process

图3 顶板下沉量Fig.3 Roof subsidence

随着工作面的推进，工作面顶底板出现塑性破坏，如图4(a)所示，顶板塑性区破坏呈拱形结构，与相似模拟结果基本一致；回采工作面推进80 m时，如图4(b)所示，工作面顶板的塑性区域进一步扩展，拱形状态进一步扩大；工作面推进120 m时，如图4(c)所示，在剪切、拉剪、拉破坏的共同作用下，使得塑性区范围进一步发育，采空区顶板较为破碎，裂隙处于活跃状态；当工作面推进190 m时，如图4(d)所示，回采工作完成，采空区顶板形成较为稳定的拱结构，此时顶板塑性区不再发育，覆岩内裂隙发育逐渐趋于稳定。

图4 塑性区发育范围Fig.4 Development range of plastic zone

受回采工作面的影响，含水层在自身重力和岩层间挤压的双重作用下，孔隙水发生了渗透现象。工作面推进30 m时，如图5(a)所示，此时回采工作面的回采活动对含水层的渗透影响较小，孔隙水压处于较为稳定的状态；工作面推进80 m时，如图5(b)所示，受采动活动的影响，含水层出现小范围的渗流现象，回采工作面前方含水层受采动影响的波动较小；工作面推进120 m时，如图5(c)所示，含水层受采动影响较为强烈，含水层水压渗透范围进一步扩展；工作面推进190 m时，如图5(d)所示，含水层水压渗透较为明显，隔水层部分区域被水侵蚀发生破坏，水压明显向下方运动扩展，但孔隙水未通过隔水层进入工作面采空区。综合分析相似模拟试验、经验公式及数值模拟的相关结果，此时裂隙发育最高处与含水层间的岩层高度为15 m左右。