无煤柱切顶沿空留巷底板破坏规律

2022-12-08薛卫峰侯恩科王苏健

西安科技大学学报 2022年6期

薛卫峰，侯恩科，王苏健

（1.西安科技大学地质与环境学院，陕西西安 710054；2.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，陕西西安 710065；3.煤炭绿色安全高效开采国家地方联合工程研究中心，陕西西安 710065）

0 引言

煤层开采过程中，伴随应力场的规律性变化底板岩体经受了“压缩——膨胀——再压缩”的过程[1-2]，底板岩体不同部位产生剪切与拉张破坏，发育剪切垂直裂隙与层间裂隙，部分岩体丧失阻水隔水能力[3-5]。针对底板破坏规律的研究可以为揭示底板突水机理、评价底板突水危险性以及指导底板注浆、开展防治水工作提供科学依据[6-8]。

沿空留巷开采在节约煤炭资源、提高开采效率、保障开采安全方面有着积极作用，切顶卸压沿空留巷开采是沿空留巷开采的一种新型开采工艺[9-11]。沿空留巷开采技术在华北型煤田等存在底板水害影响的矿区推广，底板破坏规律的实测研究显得尤为重要。刘新民采用现场声波测试和数值模拟方法对巷旁充填柔模墙形式的沿空留巷开采煤层底板扰动破坏规律进行研究，认为巷旁充填沿空留巷开采底板破坏发育深度较常规开采工作面底板破坏发育深度减小[12]。许延春等采用钻孔直流电法测量回采过程中底板岩体视电阻率的变化特征得出采动影响下的底板破坏发育深度，实测相比常规开采，底板破坏发育深度减小15.1%[13]。李见波等基于相似模拟试验，研究切顶卸压与常规开采条件围岩应力场的变化规律和底板破坏发育深度值，认为切顶卸压在一定程度上能够减小底板破坏发育深度[14]。许延春等依据现场实测数据与数值模拟结果研究开切眼和有底抽巷的运输巷爆破切顶对底板破坏发育深度和矿山压力的影响，认为切顶能有效切断矿压传递途径，减小底板破裂危害[15]。薛卫峰等构建周期来压时采场底板力学计算模型，认为切顶沿空留巷开采底板破坏形态沿倾向方向与走向方向均为“勺形”[16]。研究进展对于研究切顶沿空留巷底板破坏特征，掌握底板破坏规律提供一定基础，但以往的研究实测数据偏少，依赖理论计算与物理模拟对比分析切顶作用对底板破坏发育的影响，与实际情况有较大出入。对于切顶留设巷道两侧底板破坏发育特征及规律，切顶作用对底板破坏发育的影响研究较少。以澄合矿区董东煤矿50107工作面为研究对象，利用孔间电阻率成像法结合钻孔窥视、压水试验对切顶沿空留巷底板破坏在倾向方向及垂向方向的发育规律进行研究，对比分析切顶留设巷道两侧底板破坏发育规律的异同，厘定切顶作用对底板破坏发育的影响范围。

1 区域地质背景

董东煤矿开采煤层为5号煤，50107工作面采高3.25 m，埋深约397 m，沿空留巷试验段长度224 m（图1）。在留巷段50107工作面侧巷帮顶部位置分别间隔50 cm呈一字线布设切顶钻孔，钻孔向工作面倾斜角度15°，垂深8 m。底板以石英砂岩、粉砂岩、石灰岩为主，含水层为K2石灰岩、奥陶系石灰岩，K2石灰岩含水层距底板约17 m，奥陶系石灰岩含水层距底板约36 m，因两含水层在局部存在导通，底板水害问题的实质为奥灰水带压开采问题，承压水压力值为0.7 MPa左右（图2）。

图1 工作面开采布置Fig.1 Mining layout of working face

图2 奥陶系石灰岩上覆底板岩性Fig.2 Lithology of overlying floor of Ordovician limestone

2 底板破坏发育探查方法

探查方法以孔间电阻率成像法为主，辅助钻孔窥视及压水试验验证。在50107，50109工作面采空区底板分别布设探查钻孔，两钻孔开孔位置分别靠近工作面间巷道各自巷帮底部，其中50107工作面侧钻孔为7#钻孔，50109工作面侧钻孔为9#钻孔（表1），钻孔采取全段取芯，并进行编录，采用钻孔窥视仪对2个钻孔分别进行全段窥视并进行压水试验。在50107，50109两工作面间巷道底板1 m深处提前埋设16道电极，电极距2 m，在7#钻孔、9#钻孔内分别布设24道电极，电极距2.5 m。以7#钻孔为坐标原点（0，0，0），与巷道平行指向采空区方向为+x方向，垂直于巷道指向50109工作面为+y方向，z轴垂向下，建立直角坐标系（图3）。

表1 探查钻孔方位参数

图3 钻孔及电极分布Fig.3 Borehole and electrode distribution

3 沿倾向方向底板破坏发育规律

孔间电阻率成像是在钻孔中按一定间距设置源点，采用并行电法采集模式，依次作为激发源点，在地下产生相应的稳定电流场，基于每个测量电极测得的电位值，重构电极测量区域内介质物理性质差异的图像，对探查区内地质条件精细解释。运用以上物探方法，孔内电极更加靠近异常体，分辨率更高[17-19]。采用集中式并行电法测试系统进行采集，采集数据通过反演之后主要集中在X轴30～55 m之间，Y轴-30～18 m之间，在底板下方8～10 m左右显现低阻异常，靠近巷道部位发育较深，在部分层位低阻异常沿垂向发育至底板以下15 m左右，为底板裂隙充水导致。部分层位低阻异常可能为受原生裂隙的影响。沿倾向方向巷道两侧不同距离底板破坏发育深度依据Z-X轴视电阻率断面判定，依据判定结果，Y轴-30～-5 m间，破坏发育深度为8～9 m，Y轴5～18 m间，破坏发育深度为8～10 m，原点破坏发育深度为11 m（图4）。

图4 Z-X轴视电阻率断面Fig.4 Z-X apparent resistivity section

以50107，50109工作面间巷道中线与ZK7钻孔开孔位置沿倾向方向延伸线两线相交点为坐标原点，对电阻率成像法沿倾向方向探查底板破坏发育深度结果进行统计，依据Z-X轴视电阻率断面破坏发育深度结果绘制底板破坏发育深度变化图（图5），沿倾向方向距离坐标原点距离偏向50107工作面为负，偏向50109工作面为正。50107工作面侧最大破坏发育深度在距离坐标原点-2 m处，即巷道边部紧邻50107采空区切顶线处，在-7 m处底板破坏发育深度由11 m下降为9 m，减小的趋势非常显著，随后自-12 m处开始，底板破坏发育深度变化规律表现一致，均没有显著起伏，稳定在8 m左右。50109工作面侧最大破坏发育深度在巷道边部50109采空区侧，距离原点3 m处破坏发育深度为10 m，8 m处破坏发育深度为9.5 m，直到13 m处底板破坏发育深度逐渐保持在8 m左右（表2）。

图5 巷道两侧底板破坏深度变化规律Fig.5 Change rule of floor failure depth on both sides of roadway

表2 沿倾向底板破坏发育深度

3.1 巷道两侧底板破坏发育规律的相同点

切顶侧与未切顶侧最大破坏发育深度均发生在巷道的边缘，破坏发育深度均呈现由巷道边缘向工作面中部逐渐变小直至稳定的变化规律，最大破坏发育深度沿倾向方向的发育范围较小，均在距巷道边缘5 m范围之内，两侧工作面最终趋于稳定的破坏深度均为8 m。

3.2 巷道两侧底板破坏发育规律的不同点

切顶侧底板破坏发育最大深度位于巷道边缘切顶线附近，为11 m，未切顶侧底板破坏发育最大深度位于巷道边缘1 m处，为10 m，切顶侧大于未切顶侧，但当两侧破坏发育深度自最大处分别向各自一侧较小处转变过程中，切顶侧转变的较快，下降幅度也最为显著，降幅在2 m左右，未切顶侧在转变过程中，下降幅度较为缓慢，降幅在0.5 m左右。切顶侧底板破坏发育深度变化幅度大，最大差值3 m，未切顶侧底板破坏发育深度变化幅度较小，最大差值2 m。排除巷道本身对底板破坏发育深度的影响，切顶侧最大破坏发育深度为9 m，未切顶侧为9.5 m，切顶侧较未切顶侧减小幅度在0.5 m。

切顶沿空留巷开采是在巷道靠近回采工作面一侧对顶板进行切缝卸压，在一定程度上阻断巷道两侧工作面顶板的应力传递[20-22]，促使巷道及切顶侧工作面适当范围内的采动压力进一步减弱，采空区的重新压实限制了底板垂向移动的自由空间，很好地抑制了底板破坏深度的进一步发育。在近切顶线附近产生的底板破坏发育深度的增大，除因巷道自由空间的存在对底板变形破坏没有加以约束外，还与切顶线附近挡矸支柱支承压力的增大有关。

4 沿垂直方向底板破坏发育规律

工作面回采推进过程中煤层底板各处都要经过压缩、膨胀和再压缩作用的过程。底板岩层从压缩状态转为膨胀状态过程中，会产生底鼓，出现顺岩层层理的断裂。在支承压力的作用下，从工作面煤壁到采空区一定距离和一定深度范围内的底板中出现水平拉应力[23]；在压缩区和膨胀区分界处的底板中出现剪应力。拉应力和剪应力使底板出现一系列垂直于层面的断裂。垂直断裂与顺层断裂交叉，形成底板破坏带[24]。在不同岩性间的层间裂隙局部发育，裂隙性质为采动裂隙与原生裂隙，囿于钻孔倾角仅为22°，钻孔轨迹为近水平状态，对于沿层间发育的裂隙揭露均不完整，且部分裂隙与垂直裂隙相交。采动裂隙发育至垂深8.5 m，在平面上距巷道边缘距离为16.7 m，岩芯完整段由此垂深向下延伸至10.9 m，石英砂岩中裂隙发育，压水试验显示底板压水流量在8.7 m以上位置波动浮度较大，至19.8 m压水流量均维持在较小的范围内且保持稳定，由此可知裂隙形式均为非贯通裂隙，各裂隙间连通性较差。根据裂隙发育的形态，裂隙边缘较为光滑，属于采前底板的原生裂隙（图6,图7）。

图6 垂直方向底板破坏发育特征Fig.6 Characteristics of floor failure in vertical direction

图7 ZK7钻孔压水试验结果Fig.7 Result of ZK7 borehole water pressure test

5 切顶作用对底板破坏发育的影响范围

对50107工作面侧相应层位底板破坏发育深度进行了验证，在距巷道边缘钻孔原点距离16.7 m处底板破坏发育深度为8.7 m，与孔间电阻率成像法在距离原点距离17 m处视电阻率断面结果（破坏发育深度8.5 m）基本吻合。沿倾向方向破坏发育深度线与底板破坏曲线的交点分别在切顶侧采空区离切顶线15～20 m处，未切顶侧等破坏发育深度线与底板破坏曲线的交点在未切顶侧采空区离切顶线8～13 m处，切顶作用对底板破坏发育的影响范围，包含了巷道正下方及巷道两侧15 m范围以内底板。基于两工作面均处在无煤柱影响的开采背景，底板破坏发育所显现的不同破坏特征均受控于切顶作用（图8）。