义棠煤矿带压开采工作面底板扰动破坏带发育规律研究

柳 晶,李根威

(吕梁学院 矿业工程系,山西 吕梁 033000)

煤矿水害是现阶段我国煤矿开采过程中的主要危害之一。采掘过程中,底板破坏深度过大会导致承压水涌入回采工作面,严重影响开采进度及工人的生命和财产安全。因此,研究带压保水开采引起的底板破坏深度十分重要。魏丹峰等[1]提出了“堵截法”和“疏导法”的保水开采方案,对煤矿安全生产和水资源保护具有重要意义。张玉军等[2]针对鄂尔多斯盆地侏罗系煤田,提出了“先疏后采与边采边疏相结合”的疏控水技术。王厚柱等[3]对深部近距离煤层底板破坏规律进行了研究。邵良杉等[4]建立了一种PSO-ELM-Boosting模型，用于预测底板破坏深度。宋文成等[5]研究了沿倾向承压水开采时底板的破坏情况。刘伟韬等[6]对深部矿井带压开采底板破坏情况进行了研究。孙卓越等[7]通过理论计算和数值模拟，对底板破坏深度进行了计算。赵剑[8]通过现场实测和FLAC3D数值模拟，对承压开采的破坏深度进行了研究。张志巍等[9]研究了采动与隐伏断层双重作用下底板的破坏特征情况。王进尚等[10]利用高精度微震检测技术对底板破坏深度进行了研究。在此,针对义棠100602工作面的实际情况,利用理论计算、FLAC3D数值模拟和现场实测确定工作面的破坏深度,为实际保水开采提供参考。

1 工程概况

井田内奥灰水水位标高为531.5～530.0 m,9号、10号煤层埋藏深度为350～500 m,煤层底板距奥灰系承压水层约30 m,煤层底板奥灰水水压为0～4.5 MPa,突水系数大于0.1 MPa/m,存在突水危险,威胁安全生产。100602工作面采用长壁式采煤法,工作面斜长140 m,推进882 m,采用一次采全高的采煤工艺,煤层平均厚度7.73 m,煤层倾角4°～7°,平均5°,工作面南部为不带压开采,北部均为带压开采。开采方向由东北向西南进行,开采初期对底板进行了注浆加固治理,依据现场提供的资料,工作面回采过程中未发现涌水情况。在100602工作面底板距离工作面开切眼185 m和195 m处打1#钻孔和2#钻孔,钻孔深度分别为22.6 m和23.0 m,如图1所示。在开始现场实测时,工作面距离1#钻孔和2#钻孔孔口分别为65 m和75 m。

图1 100602工作面底板钻孔柱状图

2 理论计算分析

基于底板破坏经验公式,分别计算不同工作面和采高时的底板破坏深度。工作面斜长取70 m和140 m两种,采高取4.4 m、5.4 m和7.7 m三种,分类对比开采方式对底板破坏深度的差异性。

第一种经验公式是基于多因素分析计算不同采高h和工作面斜长L下的底板破坏深度[11]。

(1)

式中:h1为底板采动破坏深度,m;L为工作面斜长,m;h0为煤层埋深,取350 m。

第二种经验公式是20世纪80年代研究人员根据开采工作面斜长进行单因素分析,总结出了计算底板破坏深度的经验公式[12]。

h1=1.86+0.11L.

(2)

具体的计算结果如表1所示。从经验公式和计算结果分析可知,工作面斜长与底板破坏深度呈正相关,与采高关系较为复杂,可能受多种因素影响,不能直观表现出线性相关性。

表1 底板破坏深度计算结果

通过理论计算,综合两个经验公式可确定,工作面斜长为70 m时,底板破坏深度范围确定为9.56～11.61 m;工作面斜长为140 m时,底板破坏深度范围确定为14.53～17.26 m。

3 数值模拟分析

3.1 模型建立

模拟软件采用FLAC3D,基于两个钻孔对底板岩性的探测结果,赋予模型其他的地层参数,煤层倾角按照5°考虑。煤层开采厚度模型建立4.4 m、5.4 m、7.7 m三种,工作面斜长模拟建立70 m和140 m两种。计算开始前各应力场处于平衡状态,之后在煤层底板施加4.5 MPa的承压水水压,然后按照不同方案对工作面进行开挖。为保证每次开挖模拟的真实性,将采空区垮落、冒落碎胀后对上覆岩层的支撑作用列入考虑范围内。最终建立的模型尺寸为长×宽×高=250 m×130 m×95 m,三维模型如图2所示。

图2 三维数值模型

3.2 底板破坏特征分析

绘制在采动矿压和水压共同作用下,煤层底板采动破坏带深度的垂直应力云图和剪应力云图,如图3和图4所示。由于煤层底板奥灰水水压为0～4.5 MPa,为便于对比分析,定义底板垂直应力小于4.5 MPa时的区域为底板泄压范围。

图3 采动破坏带深度的垂直应力云图

对比图3(a)和图3(b)发现,采高为4.4 m的条件下,工作面斜长为70 m时,底板泄压区深度为17.3 m;工作面斜长为140 m时,底板泄压区深度降为9.6 m。这是由于随着工作面的增长,采空区两帮所受压力增大,顶板垮落时垮落范围增大,垮落高度也增加,冒落碎胀后施加给底板上的岩石重量增大,说明底板泄压区深度随工作面斜长增加而减小。从底板损伤屈服破坏机理方面分析,底板岩层屈服破坏主要由采场四周超前支承压力作用于底板上产生的剪切破坏引起，工作面斜长的增加也会导致剪切力增大,剪切破坏加剧,底板破坏更加严重,随着工作面的推进会对底板造成二次动压伤害。由此可知,工作面斜长增加导致底板发生塑性破坏屈服的范围增大,而底板垂直应力的泄压区深度有所减小,表明底板破坏深度与底板泄压区深度呈反比。分别对比图3(c)和图3(d)、图3(e)和图3(f)发现，其底板泄压区深度分别为16.9 m和8.3 m、16.2 m和8.4 m,也符合上述分析结果。采高对于底板泄压区的影响,分别对比图3(a)、3(c)、3(e)与图3(b)、3(d)、3(f),其底板泄压区深度分别为17.3 m、16.9 m、16.2 m与9.6 m、8.3 m、8.4 m,其最终结果表明,采高逐渐增大时底板泄压区深度无明显变化,说明采高对底板泄压区深度的影响较为微弱,即对底板破坏深度的影响较为微弱。从垂直应力云图发现,其在垂直方向的应力区范围与塑性区范围大抵相同,只是各区段应力大小分布和集中情况略有不同,分析原因可能是由于采高对底板浅层的破坏和应力重新分布造成的影响不同导致的。

工作面推进过程中沿煤层倾斜方向底板的剪应力云图如图4所示。工作面开始推进后,会在工作面两端形成泡状的剪应力区,这说明工作面两端由于受到采空区的超前应力影响形成了剪切应力区。

图4 采动破坏带深度的剪应力云图

对比图4(a)、图4(c)和图4(e),工作面斜长70 m时,当工作面采高从4.4 m提升到5.4 m再提升到7.7 m时,底板剪应力的范围有增大的趋势,剪应力最大值也增大;对比图4(b)、图4(d)和图4(f)，当工作面斜长为140 m时,该规律同样适用。这是由于开采高度增加,工作面两端所受超前支撑力增大,两帮受到的剪切力相应增大。工作面斜长增加时,采空区跨度增大,上覆岩层弯曲垮落,给两帮施加的力增大,故剪应力也呈增大趋势。由此可知,工作面作业生产时,如果采高较大或者工作面斜长较长则要做好巷道帮部的支护措施,避免发生剪切破坏,导致巷道失稳变形。

综合数值模拟的垂直应力云图和剪应力云图分析可知,采高不会对底板破坏深度造成直接影响,加强巷道支护措施即可保证安全施工，而工作面斜长增长会直接对底板破坏深度造成影响,且呈正相关。由垂直应力云图分析可知,工作面斜长为70 m时,底板破坏深度范围为8.3～9.6 m,工作面斜长为140 m时,底板破坏深度范围为16.2～17.3 m。这一模拟结果与理论计算结果基本一致。

4 现场实测分析

4.1 实测方法及探头布置

测试采用的探头是由12个应变片制成的空心包体,每个探头都有12个应变片,即12个测试通道。测试采用微震检测法,其原理是岩石在应力作用下发生破坏时产生微震并发出声波以释放能量,能量的变化与岩体失稳变化同时发生,通过测试能量的变化从而表征其失稳状况，评价岩体是否发生失稳破坏并确定发生破裂的位置。

100602工作面实际开采状况为工作面斜长140 m,平均机采高度为5.4 m,在开始布置检测钻孔前工作面距开切眼135 m。检测钻孔布置于100602工作面回风顺槽内,共布置2个检测钻孔,1#钻孔距离开切眼185 m,2#钻孔距离开切眼195 m。每个钻孔以不同倾角和方位角沿工作面煤壁下隅角布置,每个钻孔内设6个应变探头,每个探头有12个通道。实验器材为KX-81型空心包体式三轴应力计、KBJ-12型应变仪和数据处理软件。检测钻孔中的每个探头编号为1-1号至1-6号和2-1号至2-6号,钻孔及探头的具体布置方式如图5所示。检测时间从工作面距1号检测孔孔口65 m处开始,直至工作面推过1号检测孔孔口70 m处,每天检测1次数据,测试期限为3个月。

图5 钻孔及探头布置图

4.2 数据分析

由于采动影响会引起检测探头应变片感应数值的变化,通过应变片感应数值变化计算出每天的增量,该应变片的最大感应幅度ε为4×10-3。由于探测应变片灵敏度很高,可认为超过此值时应变片已发生破坏,即底板岩层由于扰动影响发生变形,产生强烈的塑性变形和位移而导致探头破坏,即岩石发生破坏,底板破坏深度已到达此处。当应变片感应幅度未超过此值时,认为岩石发生弹性变形,岩石和应变片均能回到原来的状态或继续保持受压状态,即岩石未发生破坏,底板破坏深度未达到此处。由于数据繁多,下面取破坏深度附近的2个探头所测数据进行分析说明。小于这2个探头垂深的其他探头经分析均已发生损坏,即底板破坏深度超过此处。大于这2个探头垂深的探头经分析只发生弹性变形,且能回到原来的状态或继续保持受压状态,证明底板破坏深度未到达此处。这2个检测探头附加应变曲线如图6所示。

(a)2-4号检测探头(垂深17.10 m)

安装成功一周内测试数据稳定,无高度离散现象或超最大应变现象,说明所有探头及其应变片均工作正常,可以继续实时监测数据。在距离工作面前方较远处,数据变化相对平稳,当工作面推进至钻孔上方时,应变探头数据出现较为明显的跃升或下沉,不同埋深位置的探头应变呈现不同大小的波动，随着埋深的增加波动范围逐渐变小。测孔位置对采动地压显示出明显的超前感和滞后感。当工作面与孔口的距离较远时,数据相对稳定,仅出现略微波动,推断是由工作面前加固维护巷道时,人工引起的扰动而导致数据出现略微波动。

分析2-4号探头(图6(a)),发现工作面距探头上方30 m左右的所有通道的应变数值均增大,并随着工作面的推进持续上涨。在工作面推过探头上方10～20 m时附加应变ε值达到最大值(4×10-3),说明应变片已经被破坏,造成这种情况的主要原因是工作面推过探头上方10 m左右时,恰处于采空区顶板垮落、碎胀、压实的阶段,故对底板压力作用大,造成的破坏更强烈。随着工作面的继续推进,所有通道应变片的数值下降后不再发生变化,工作面推进不会对其造成影响,再次说明所有通道均已破坏,即底板破坏深度到达此处,破坏深度超过17.10 m。

分析1-5号探头(图6(b)),随着工作面临近1-5号探头垂直上方,在20 m左右时数据就开始出现波动,且幅度逐渐变大。检测探头通道应变最大达到1.769 ×10-3,未超过应变片的最大感应幅度(4×10-3),且随着工作面继续推进,工作面超过检测探头上方40 m左右时,所有通道数据均逐渐变缓且回归稳定,后续只有微小波动出现。说明在这个过程中,随着工作面推进,底板在17.58 m深处受压发生变形,之后数据波动表明岩体弹性势能不断释放和积聚导致发生弹性变形,之后数据回归稳定说明岩体能回到原来的状态,未发生塑性破坏,即底板破坏深度未到达此处。还可以发现1-5号探头的附加应变在工作面推过且回归稳定后略大于安装之前的数据,说明底板部分压实,底板岩体处于较之前压力更大的应力平衡状态。

图7为检测探头的附加应力曲线，σ1、σ2、σ3为三向主应力。距底板越近的探头受到的采动附加应力增量值越大,由于数据较多,未能全部列出。分析曲线整体变化趋势发现,附加应力增量值的变化规律与应变增量变化规律一致。σ1为与垂直应力方向接近的主应力,随着工作面的不断推进,附加应力增量值的减小，表明其受到了挤压作用;附加应力增量值的增加,表明此方向岩体膨胀,受到了拉应力作用。随着深度的增加底板附加应力的增量值规律变化趋向一致,且应力增量幅度整体逐渐减小。其中,2-4号探头在工作面推进到距2-4号探头垂直上方30 m处时出现应力扰动,之后偶有略微回弹现象；随着工作面推过探头上方10 m后应力剧烈波动,发生分流,附加应力趋于平缓不能回到初始状态(证明弹性在之前已大部分损失),说明岩石产生塑性变形。探头应力波动范围为-2.5～+20.0 MPa,差值22.5 MPa。结合底板钻孔图说明2-4号探头处在砂岩、泥岩互层中,砂岩、泥岩互层的切应力为17.234 MPa,可以确定2-4号探头处已破坏,底板破坏深度超过此处(底板垂深17.10 m)。

(a)2-4号检测探头(垂深17.10 m)

1-5号探头也是在工作面推进到距离1-5号探头垂直上方30 m处时出现应力扰动,并不断有应力回弹现象,此后工作面临近和过后都出现剧烈波动,但后期仍能回到初始应力附近,证明岩石发生弹性变形且并未被破坏。探头应力波动范围为-1.0～+4.0 MPa,差值为5 MPa,结合底板钻孔图说明1-5号探头处在泥岩中,泥岩的切应力为7.002 MPa,可以确定探头未发生破坏,底板破坏深度未到达此处(底板垂深17.58 m)。分析结果与附加应变实测曲线一致。综合各探头附加应变和附加应力曲线数据,可以判断100602工作面底板破坏深度应介于2-4号检测探头和1-5号检测探头之间,即底板破坏深度范围为17.10～17.58 m。

5 结论

1)依据经验公式计算发现,采高对底板破坏深度无直接影响,工作面斜长为70 m时,底板破坏深度范围确定为9.56～11.61 m,工作面斜长为140 m时,底板破坏深度范围确定为14.53～17.26 m。

2)数值模拟结果表明，采高对底板破坏深度影响不大,但采高越大对采空区两帮施加的应力越大,且会对沿空留巷侧造成较大剪应力,故需依据实际帮体强度合理确定采高;工作面会对底板破坏程度直接造成影响,且呈正相关关系。模拟确定工作面斜长70 m时，底板破坏深度范围为8.3～9.6 m,工作面斜长为140 m时,底板破坏深度范围为16.2～17.3 m。

3)结合理论计算分析、数值模拟和现场实测,确定义棠煤矿100602工作面底板的破坏深度应为17.10～17.58 m。