高仰斗

(煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院，山西省太原市， 030001)

★ 煤炭科技·開拓與開采 ★

工作面底板采動(dòng)破壞深度研究

高仰斗

(煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院，山西省太原市， 030001)

以新元礦9203工作面實(shí)際開采情況為背景，采用應(yīng)變法現(xiàn)場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)煤層底板采動(dòng)破壞深度，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)煤層底板監(jiān)測(cè)鉆孔內(nèi)不同深度的應(yīng)變傳感器采集到的采動(dòng)中應(yīng)變變化規(guī)律，分析得出工作面底板采動(dòng)破壞深度在11.5～13.5 m之間，再利用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)模擬結(jié)果的應(yīng)力分布及塑性區(qū)范圍分析，結(jié)合煤層底板實(shí)際巖層組合情況，得出底板采動(dòng)破壞深度約為12.2 m，該值在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果范圍之內(nèi)，驗(yàn)證了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果的正確性。

工作面開采 煤層底板 采動(dòng)破壞 破壞深度 應(yīng)變法 數(shù)值模擬

工作面開采后，煤層底板巖層的原始應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生破壞，采空區(qū)周圍應(yīng)力集中，底板應(yīng)力作用使底板巖層產(chǎn)生各種裂隙，裂隙部分巖層將喪失隔水能力。在底板帶壓開采下，煤層底板破壞將減小隔水層厚度，進(jìn)而降低底板隔水能力，增加底板突水危險(xiǎn)性。因此，準(zhǔn)確測(cè)出工作面底板采動(dòng)破壞深度是承壓水上采煤的一個(gè)重要的安全問(wèn)題。

目前國(guó)內(nèi)監(jiān)測(cè)底板破壞深度的措施主要有壓水試驗(yàn)法、相似材料和數(shù)值模擬法、超聲波檢測(cè)法、應(yīng)變法等。從力學(xué)角度講，采動(dòng)過(guò)程是一個(gè)底板巖層應(yīng)力狀態(tài)不斷調(diào)整的過(guò)程，且伴有巖層變形、位移和破壞。因此，通過(guò)在工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)采動(dòng)中底板的應(yīng)力與應(yīng)變變化規(guī)律確定底板破壞深度是最有效的措施，而且采用應(yīng)變法監(jiān)測(cè)，投資費(fèi)用低且檢測(cè)便捷。

以往學(xué)者們利用不同的方式方法對(duì)煤層底板變形及破壞規(guī)律作了不同角度的研究，并取得了大量成果。但在工作面水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，承壓水條件開采下，底板采動(dòng)破壞規(guī)律方面的研究相對(duì)較少。為此，針對(duì)新元礦9203工作面特殊的地質(zhì)條件，利用應(yīng)變法現(xiàn)場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)煤層底板采動(dòng)過(guò)程中應(yīng)力與應(yīng)變變化規(guī)律，分析確定工作面底板采動(dòng)破壞深度，再通過(guò)與數(shù)值模擬分析得出的破壞深度值相互驗(yàn)證，為該區(qū)域安全開采提供重要的理論依據(jù)。

1 工作面基本概況

9203工作面位于井田二采區(qū)，開采9#煤層，采煤方法為綜放開采。二采區(qū)為軸向北東的向斜構(gòu)造，向北東傾伏，地層傾角2°～8°，采區(qū)內(nèi)有南北貫穿井田的F2逆斷層(落差2.2～3.6 m)。工作面東鄰已采的9201工作面，西鄰9205掘進(jìn)工作面，南距井田邊界20 m，北部為西翼采區(qū)回風(fēng)巷。工作面位于太原組9#煤層，煤層平均厚度5.12 m，煤層走向南北，傾向東，平均煤層傾角3°，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)理發(fā)育。9203工作面長(zhǎng)度150 m，可采走向長(zhǎng)度1250 m。9#煤層直接底為泥巖，基本底主要為細(xì)砂巖，細(xì)砂巖厚度4.2～12.6 m，其中夾雜著砂質(zhì)泥巖。工作面水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，采空區(qū)內(nèi)有積水存在，下距9#煤層底板45.2～68.5 m的含水層裂隙發(fā)育，正常涌水量為150 m3/h，單位涌水量為0.15 L/(s·m)。因此9#煤層開采過(guò)程中探清煤層底板采動(dòng)破壞深度，推算出有效隔水層厚度，成為評(píng)價(jià)9203工作面安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與分析

2.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

應(yīng)變法監(jiān)測(cè)是利用應(yīng)變傳感器進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)巖層變形程度來(lái)判斷煤層底板受采動(dòng)影響程度及破壞深度范圍。煤層底板巖石中裂隙在應(yīng)力場(chǎng)的作用下沿著結(jié)構(gòu)面移動(dòng)時(shí)，底板的采動(dòng)移動(dòng)程度或變形破壞程度可以利用鉆孔中的應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)值來(lái)反映。

在煤層開采過(guò)程中，當(dāng)?shù)装鍘r層未破壞時(shí)，傳感器受力均勻，測(cè)試數(shù)據(jù)變化相對(duì)穩(wěn)定，且隨著巖層變形程度同步變化。當(dāng)?shù)装鍘r層發(fā)生破壞時(shí)，傳感器記錄的數(shù)據(jù)會(huì)突然增大或者采集不到數(shù)據(jù)。對(duì)于回采工作面采集不到數(shù)據(jù)，一種情況是傳感器受采動(dòng)影響導(dǎo)致破壞，另一種是回采通過(guò)監(jiān)測(cè)位置時(shí)導(dǎo)線被截?cái)啵@時(shí)采集到的數(shù)據(jù)前后變化不大，數(shù)據(jù)顯示為突然消失。因此，可以根據(jù)工作面底板下方不同深度的應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)應(yīng)變變化情況來(lái)確定工作面底板巖層采動(dòng)破壞深度范圍。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用應(yīng)變法監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由監(jiān)測(cè)鉆孔(2個(gè))、應(yīng)變傳感器(6個(gè))及KBJ-12應(yīng)變記錄儀組成。監(jiān)測(cè)鉆孔布置在礦山壓力最大位置處，且應(yīng)采取專門的保護(hù)措施，防止鉆孔及導(dǎo)線在開采中受到損壞；應(yīng)變傳感器包含工作片(3組)、補(bǔ)償片及地線，每組工作片有4個(gè)應(yīng)變片，共具有12個(gè)應(yīng)變通道。應(yīng)變記錄儀是存儲(chǔ)應(yīng)變感應(yīng)信號(hào)的裝置，接收的信號(hào)數(shù)據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)換處理程序后再輸出。由于判斷巖層破壞深度只需考慮傳感器的水平和豎直方向的應(yīng)變量，在處理數(shù)據(jù)時(shí)，需對(duì)數(shù)據(jù)作矢量疊加處理，即將通道3和4、7和8、11和12上的應(yīng)變量分別疊加到通道1和2、5和6、9和10上。

2.2 監(jiān)測(cè)方案

根據(jù)礦山壓力分布規(guī)律和采煤理論，煤層底板最大破壞深度位于礦山壓力最大位置處，即回采工作面的下側(cè)巷道，9203工作面下側(cè)巷道為回風(fēng)巷。根據(jù)9203工作面現(xiàn)場(chǎng)開采情況及監(jiān)測(cè)測(cè)試需要，在回風(fēng)巷中施工A、B兩個(gè)監(jiān)測(cè)鉆孔，分別位于距離9203工作面開切眼320 m和560 m位置，每個(gè)鉆孔中安設(shè)3個(gè)應(yīng)變傳感器探頭。鉆孔A中傳感器探頭位于9#煤層底板下方9.2 m、11.5 m、16.4 m處，至上而下編號(hào)為A1、A2、A3；鉆孔B中傳感器探頭位于9#煤層底板下方10.8 m、13.5 m、17.6 m處，至上而下編號(hào)為B1、B2、B3。監(jiān)測(cè)鉆孔施工技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 監(jiān)測(cè)鉆孔施工技術(shù)參數(shù)

為防止監(jiān)測(cè)鉆孔及傳感器導(dǎo)線在煤層開采中受到損壞，在鉆孔孔口上方安置工字鋼梁和鋼蓋板，并在鉆孔側(cè)的巷道底部新掘一條用于埋設(shè)電纜護(hù)管的地溝。傳感器安設(shè)好后，用水泥砂漿將鉆孔封堵，使傳感器和鉆孔周邊巖層融為一體，利用巖石的極限應(yīng)變量來(lái)判別9#煤層底板采動(dòng)破壞情況。

2.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

測(cè)試從工作面推進(jìn)到監(jiān)測(cè)鉆孔位置前方95 m開始，直到超過(guò)鉆孔位置25 m終止。根據(jù)礦井采煤進(jìn)度，本次監(jiān)測(cè)工作歷時(shí)25 d。應(yīng)變記錄儀的采集頻率為1次/min，本次監(jiān)測(cè)一共獲得有效數(shù)據(jù)6845組。其中A鉆孔中A1、A2傳感器和B鉆孔中B1傳感器在工作面推過(guò)監(jiān)測(cè)位置后沒(méi)有數(shù)據(jù)記錄，只有A鉆孔中A3傳感器和B鉆孔中B2、B3傳感器一直有數(shù)據(jù)記錄。從記錄數(shù)據(jù)分析已排除A1、A2、B1傳感器的導(dǎo)線被截?cái)嗟目赡埽荒苁鞘懿蓜?dòng)強(qiáng)烈擾動(dòng)，在監(jiān)測(cè)位置前方就被損壞，而A3、B2、B3傳感器在監(jiān)測(cè)位置前后應(yīng)變量變化相對(duì)穩(wěn)定。因此，可取A鉆孔中A2、A3傳感器和B鉆孔中B2傳感器記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其應(yīng)變?cè)隽孔兓€見(jiàn)圖1。

圖1 A2、A3、B2 傳感器應(yīng)變?cè)隽孔兓€

(1)當(dāng)工作面推進(jìn)到某一距離后，鉆孔中各測(cè)點(diǎn)受到礦壓影響顯示出不同程度應(yīng)變感應(yīng)，前期應(yīng)變幅度值相對(duì)較小，且應(yīng)變變化相對(duì)穩(wěn)定。當(dāng)工作面推進(jìn)到鄰近監(jiān)測(cè)位置時(shí)，A鉆孔中A2傳感器波動(dòng)較為強(qiáng)烈，波動(dòng)幅度較大，應(yīng)變?cè)隽壳€具有很大的離散性。在監(jiān)測(cè)位置前方約4 m，A2傳感器的數(shù)據(jù)記錄終止，說(shuō)明該測(cè)點(diǎn)位置的巖層受采動(dòng)礦壓的強(qiáng)烈擾動(dòng)，應(yīng)變傳感器損壞。與A3傳感器和B2傳感器作比較，整個(gè)采動(dòng)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，A3和B2傳感器波動(dòng)較為穩(wěn)定，波動(dòng)幅度相對(duì)較小，應(yīng)變?cè)隽壳€具有一定的規(guī)律性，這是由于應(yīng)變傳感器位置的巖層受到的采動(dòng)影響主要為彈性波，巖石不會(huì)出現(xiàn)較大幅度的塑性變形。

(2)從A2和A3傳感器記錄的應(yīng)變?cè)隽孔兓€可知，煤層底板受采動(dòng)礦壓影響的應(yīng)變值隨測(cè)點(diǎn)深度的增加而減小，即煤層底板深部受采動(dòng)影響較小，淺部受采動(dòng)影響較大。

(3) A3和B2傳感器采集的應(yīng)變值所反映的巖石彈性特征較明顯，而A2傳感器采集的應(yīng)變感應(yīng)顯現(xiàn)激烈，形成鮮明對(duì)比，可知，A3和B2傳感器位置沒(méi)受采動(dòng)擾動(dòng)影響破壞。A3和B2傳感器位于9#煤層底板下方16.4 m和13.5 m，均不受采動(dòng)擾動(dòng)破壞，說(shuō)明該處巖石在采動(dòng)過(guò)程中仍具有一定的承載力；A2 傳感器位于9#煤層底板下方11.5 m，受采動(dòng)擾動(dòng)破壞，說(shuō)明該處巖石在采動(dòng)過(guò)程中會(huì)喪失承載力。

綜上分析，可將9203工作面9#煤層底板采動(dòng)破壞深度確定在11.5～13.5 m之間。

3 數(shù)值模擬與分析

為了更好地研究9203工作面煤層底板采動(dòng)破壞深度及影響范圍，利用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)應(yīng)力分布及塑性區(qū)范圍來(lái)判斷煤層底板破壞深度。根據(jù)井下工作面實(shí)際開采情況，對(duì)工作面地質(zhì)條件、地質(zhì)構(gòu)造、巖性等初步分析，將9203回采工作面的模型尺寸定為420 m×320 m×160 m，9#煤層厚度為5m，煤層頂板厚70 m，底板厚85 m。模型兩側(cè)為自由邊界，下側(cè)邊界限制水平和垂直位移，上側(cè)施加180 m厚的補(bǔ)償載荷應(yīng)力。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采礦情況和鉆孔資料，將模型巖層劃分為粗粒砂巖、細(xì)粒砂巖、泥巖、煤層、中粒砂巖、灰?guī)r等6個(gè)巖組，其巖層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

在工作面中心正下方建立0-xyz坐標(biāo)系，xy表示水平面，z軸表示垂深。整個(gè)模型共劃分為76440個(gè)節(jié)點(diǎn)和69650個(gè)單元。為使模型與現(xiàn)場(chǎng)開采一致，F(xiàn)LAC3D軟件模擬過(guò)程設(shè)置分步開挖，沿采煤走向分步進(jìn)行，單次推進(jìn)長(zhǎng)度為8 m，模擬了工作面推進(jìn)過(guò)程中底板受力情況。采動(dòng)下有效應(yīng)力分布見(jiàn)圖2，底板塑形區(qū)范圍見(jiàn)圖3。

表2 模型巖層物理力學(xué)參數(shù)

圖2 采動(dòng)下有效應(yīng)力分布

圖2(a)顯示，煤層開采后，在工作面兩側(cè)及煤壁前方0～15 m，應(yīng)力逐漸增大至45 MPa(圖中等值線)；在前方15～40 m，應(yīng)力逐漸減小至25 MPa。這是由于煤層開采中煤壁來(lái)不及釋放煤體中儲(chǔ)存的應(yīng)變能，造成煤壁前方應(yīng)力集中。圖2(b)顯示，垂直方向上，在工作面兩側(cè)煤壁下方12 m處應(yīng)力出現(xiàn)峰值，最大值約42 MPa；隨后應(yīng)力逐漸減小。說(shuō)明煤壁下方12 m深后隨著煤層底板深度的增加，應(yīng)力集中程度降低，對(duì)采空區(qū)的卸壓程度也降低。

圖3顯示，隨著回采工作面的推進(jìn)，煤層底板的巖層破壞區(qū)增大。巖層塑性區(qū)類型主要為剪切壓力，在采空區(qū)兩端的煤壁下方位置塑性區(qū)(灰色部分)最大。當(dāng)工作面推進(jìn)到100 m位置時(shí)，塑性區(qū)深度約為12.2 m，達(dá)到最大值，此后的塑性區(qū)隨著工作面的推進(jìn)在此范圍附近作微小變化。

綜上所述，結(jié)合煤層底板實(shí)際巖層組合及強(qiáng)度情況，可推斷出該煤層底板采動(dòng)破壞深度約為12.2 m。

圖3 塑形區(qū)范圍

4 結(jié)論

(1)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)兩個(gè)監(jiān)測(cè)鉆孔內(nèi)不同深度的應(yīng)變傳感器采集到采動(dòng)過(guò)程中應(yīng)變變化情況，確定工作面煤層底板采動(dòng)破壞深度在11.5～13.5 m之間。

(2)數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的應(yīng)力分布及塑性區(qū)范圍分析，得出煤層底板采動(dòng)破壞深度約為12.2 m。該值在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果范圍之內(nèi)。

(3)通過(guò)對(duì)9203工作面煤層底板采動(dòng)破壞深度的監(jiān)測(cè)分析和數(shù)值模擬研究，結(jié)合該區(qū)其他突水影響因數(shù)進(jìn)行綜合分析，評(píng)價(jià)出該區(qū)煤層開采中不存在突水危險(xiǎn)，為礦井制定井下防治水技術(shù)措施提供了重要的技術(shù)依據(jù)。

[1] 段宏飛,姜振泉,張蕊等.楊村煤礦綜采條件下薄煤層底板破壞深度的實(shí)測(cè)與模擬研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2011(S1)

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(責(zé)任編輯 張毅玲)

Study on mining fracture depth of working face floor

Gao Yangdou

(Taiyuan Design Research Institute for Coal Industry, Taiyuan, Shanxi 030001, China)

Taking actual mining condition of 9203 working face of Xinyuan Coal Mine as background, strain method was used for field monitoring mining fracture depth of seam floor, strain change law of mining process collected by strain sensors in different positions of monitoring hole in seam floor was obtained, which showed that the mining fracture depth of face floor was 11.5-13.5 m; then using numerical simulation software FLAC 3D to analyze stress distribution and plastic zone range, and combining with rock stratum group situation, the mining fracture depth of face floor was determined as 12.2 m, which was within the range of field monitoring results and verified the field monitoring results.

working face mining, seam floor, mining fracture, fracture depth, strain method, numerical simulation

高仰斗.工作面底板采動(dòng)破壞深度研究[J].中國(guó)煤炭，2017,43(2):59-62，72. Gao Yangdou. Study on mining fracture depth of working face floor [J].China Coal，2017，43(2): 59-62，72.

TD322.1

A

高仰斗(1964- )，男，山西芮城人，高級(jí)工程師，現(xiàn)主要從事采礦工程礦井設(shè)計(jì)工作。