超千米采深煤层底板应力分布物理模拟研究

2023-05-19卢钢

煤炭与化工 2023年3期

卢钢

（1.河北煤炭科学研究院有限公司，河北邢台 054000；2.河北省矿井微震重点实验室，河北邢台 054000）

0 引言

随着我国煤炭行业的发展，煤矿开采不可避免的往深部进行，目前，中东部地区多数煤矿已进入深部开采。采掘打破原岩应力的平衡，煤层底板应力扰动区域存在微裂隙的扩张，对于含水层导升、构造活化等存在重要的相关关系。尤其在深部开采面临的高水压、高矿压、高地应力复杂地质环境，应力变化诱发突水事故威胁显著增大。因此，研究深部开采煤层底板应力扰动意义重大。

对于煤矿开采过程中底板应力分布特征问题，国内许多学者做了深入的研究。王路军[1]提出采动应力扰动因子表达式，得到了煤体在扰动和未扰动条件下应力场和变形场规律；王文林[2]模拟得出了复杂应力扰动下巷道围岩变形规律，巷道在邻面回采东亚影响下应力集中显著增强；任波[3]通过数值模拟和微震监测相结合的方法，研究了注浆前后破碎带的围岩应力分布差异，注浆后应力异常区减小，围岩稳定；刘毅[4]对浅部工作面超前支撑压力进行实测研究，得到其影响范围及峰值位置；郜慧强[5]通过数值模拟研究了工作面底板的垂直应力，包括实体煤及采空区。以上专家对采动应力进行了大量研究，但是对于大采深条件下底板应力分布特征，研究较少。本文以邢东矿超千米采深工作面为研究背景，采用室内物理模拟方法研究底板应力重分布影响范围及特点，为类似条件工作面的开采提供一定的科学依据。

1 工程背景

邢东矿2125 工作面标高-1 038—-1 136 m，地面标高+53—+55 m。开采煤层为2 号煤，煤厚3.7～4.6 m，倾角平均10°，向切眼方向煤厚和倾角逐渐增加。工作面内构造相对简单，总体呈单斜构造，底板标高在-1 050—-1 130 m，仅在运料巷靠近切眼部分存在NE 向向斜构造。

2 煤下包括野青灰岩含水层、伏青灰岩含水层、大青灰岩含水层以及奥陶系灰岩含水层。2 号煤底板距下伏的野青含水层为44 m，距下伏的伏青含水层为90 m，距下伏的大青含水层为135 m，距下伏的奥灰含水层为174 m。

为研究采动应力重分布影响范围及对各底板含水层的影响，在底板各含水层分别布置应力盒，监测采后应力变化。

2 模拟方案

2.1 模拟范围及相似比尺

根据邢东矿2125 工作面附近钻孔资料，确定此次模拟的垂向范围以及相似比尺。选定模拟的确切剖面，确定具体尺寸。实验室模型架尺寸（长度×高度×厚度）为502 cm×120 cm×22 cm。模拟开采煤层为2 号煤层，模型覆盖范围包括奥灰顶面到开采煤层，考虑实验条件，确定几何相似比尺、时间相似比尺分别为200、14.142。

2.2 边界条件

根据各岩层的密度结合容重相似常数，确定模型各岩层密度。由于模型顶界面为地表以下1 040.15 m 处岩层，需计算模型顶界面边界条件，即压强：

式中：h 为省去的模型顶界面到地表的高度，为5.2 m。

模型底界面以下为奥陶系灰岩含水层，需计算底界面承压水水压。以抽水观测孔水位数据为根据，绘制奥陶系灰岩等水位线图，以此为依据，确定临近工作面奥陶系灰岩水位线为+1.5 m，结合奥陶系灰岩顶面埋深，确定模拟范围底界面水压为+11.5 MPa。模型及底界面加载装置如图1 所示，模型顶界面加载装置如图2 所示。

图1 模型观测点及底界面加载装置Fig.1 Model observation point and bottom interface loading device

图2 模型顶界面加载装置Fig.2 Model top interface loading device

2.3 观测系统

应力通过埋设应力盒的方法测试，应力盒连接静态应力应变测试分析系统，实时接收应力数据。应力盒布置如图3 所示，压力盒的埋设及固定如图4 所示。

图3 模型应力盒布置示意Fig.3 The stress boxes layout of model

图4 压力盒的埋设及固定Fig.4 Embedding and fixing of the stress boxes

由于邢东矿2125 工作面停采线正前方是原2222 工作面采空区，实验模型沿2125 推进方向取剖面，在推进方向前方设置老采空区，研究采动对老采空区及保护煤柱底板的扰动。

开挖方法为全部垮落法。根据工作面采线记录，确定采线每天推进平均约1.43 m，结合模型相似常数，得到在模型尺度下，采线每天移动10 cm。工作面走向长度230 cm，需要23 d 全部采完。采煤过程中，随工作面推进距离的不同，观测记录模型底板岩层应力变化及裂隙演化过程。

3 实验结果分析

3.1 煤层底板应力数据分析

3.1.1 应力盒实验结果

首先分析临近2 煤底板铺设的应力盒数据，沿着2 煤底板从开切眼到老采空区中央选择7 个应力盒，编号分别为应力盒1～7，应力盒1 距开切眼55 cm。

此处应力为应力盒读取数据，都为变化值，应力初始值（原岩应力）设置为0，应力盒应力变化如图5～图10 所示。

图5 应力盒1 应力变化曲线Fig.5 The stress change curve of stress box 1

由图5 可知应力盒1 应力变化。在工作面推进到距此处25 cm 时，应力逐步显现；到达应力盒所在位置时，应力集中现象最明显，压应力达到最大值-0.12 MPa；工作面通过此位置后，该处发生离层，压应力迅速降低并转化为拉应力，在工作面距离开切眼50 cm 时，该位置拉应力达到最大值，为0.08 MPa；随着工作面继续推进，该位置顶底板接触，重新压实，拉应力降低并迅速转化为压应力，最终在120 cm 之后趋于稳定，恢复到接近原岩应力状态。

由图6 可知应力盒2 应力变化。在工作面推进到距此位置50 cm 时，应力逐步显现；到达应力盒所在位置时，应力集中现象最明显，压应力达到最大值-1.56 MPa；工作面通过此位置后，该处发生离层，压应力迅速降低并转化为拉应力，在工作面距离开切眼30 cm 时，该位置拉应力达到最大值，为0.54 MPa；随着工作面继续推进，该位置顶底板接触，重新压实，拉应力降低并迅速转化为压应力，最终在130 cm 趋于稳定。

图6 应力盒2 应力变化曲线Fig.6 The stress change curve of stress box 2

由图7 可知应力盒3 应力变化。在工作面推进到距此位置50 cm 时，应力逐步显现；到达应力盒所在位置时，应力集中现象最明显，压应力达到最大值-1.31 MPa；工作面通过此位置后，该处发生离层，压应力迅速降低并转化为拉应力，在工作面距离开切眼30 cm 时，该位置拉应力达到最大值，为0.32 MPa；随着工作面继续推进，该位置顶底板接触，重新压实，拉应力降低并迅速转化为压应力，在开采结束6 h 之后，煤柱垮落，诱使其进一步压实，恢复到原岩应力状态。

图7 应力盒3 应力变化曲线Fig.7 The stress change curve of stress box 3

由图8 可知应力盒4 应力变化。在工作面推进到距此位置50 cm 时，应力逐步显现；到达应力盒所在位置时，应力集中现象最明显，压应力达到最大值-1.02 MPa；工作面通过后，该处发生离层，压应力迅速降低并转化为拉应力，在工作面距离开切眼20 cm 时，该位置拉应力达到最大值，为0.34 MPa；随着工作面继续推进，该位置顶底板接触，重新压实，拉应力降低并迅速转化为压应力，在开采结束6 h 之后，煤柱垮落，诱使其进一步压实，后逐渐趋于稳定。煤柱垮落对该位置影响很大。