許延春，羅亞麒，張書(shū)軍，張羅迅，郭文硯，范明宇

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京 100083；2.國(guó)家煤礦水害防治工程技術(shù)研究中心，北京 100083；3.河南焦煤能源有限公司 九里山礦，河南 焦作 454173)

我國(guó)華北型煤田主要為石炭二疊系煤田，回采工作面多受煤系地層基底巨厚奧陶系灰?guī)r強(qiáng)巖溶含水層的威脅，帶壓開(kāi)采成為實(shí)現(xiàn)承壓水上煤炭開(kāi)采的普遍方法[1-2]。工作面在回采過(guò)程中由于受到支承壓力作用，會(huì)造成底板巖體的損傷和破壞，使得底板隔水性減弱，增大了突水事故發(fā)生的可能性[3-4]。因此，正確認(rèn)識(shí)煤層開(kāi)采對(duì)底板的擾動(dòng)特征，對(duì)于煤礦防治水措施的制定以及實(shí)現(xiàn)礦井安全高效生產(chǎn)都是至關(guān)重要的。

通過(guò)預(yù)裂爆破進(jìn)行切頂卸壓能夠減小工作面初次來(lái)壓步距，改善巷道圍巖應(yīng)力狀況，降低應(yīng)力集中系數(shù)，因此被廣泛運(yùn)用于沖擊地壓改善、瓦斯突出防治、高應(yīng)力巷道維護(hù)等領(lǐng)域[5-7]，但是切頂卸壓對(duì)于底板破壞的影響卻鮮有研究。鑒于此，利用特制電極電纜對(duì)采取切頂卸壓措施的河南焦煤集團(tuán)九里山礦14141工作面進(jìn)行了底板鉆孔直流電法觀測(cè)，分析得到煤層開(kāi)采底板破壞參數(shù)，并將其與未考慮切頂影響的統(tǒng)計(jì)公式計(jì)算值和理論公式計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析。研究成果擴(kuò)展了對(duì)不同條件下煤層開(kāi)采底板破壞特征的認(rèn)識(shí)，為類(lèi)似工作面的水害防治工作提供更為科學(xué)的依據(jù)。

1 工程背景

1.1 工作面概況

河南焦煤集團(tuán)九里山礦14141工作面位于九里山礦一水平14采區(qū)西翼下部，所在區(qū)域地面標(biāo)高+90.47～+93.56m，煤層頂板標(biāo)高-181.98～-235.80m。工作面走向長(zhǎng)度約748m，傾斜長(zhǎng)度111m，開(kāi)采的二1煤層平均厚度6.9m，平均傾角9.5°。14141工作面直接底為平均厚度約1.0m的炭質(zhì)泥巖，老底為平均厚度約9.6m的粉砂巖，煤層底板綜合柱狀圖見(jiàn)圖1。底板直接充水含水層L8灰?guī)r含水層厚約7.5m，水壓在1.5MPa左右，底板隔水層厚度約21.5m，經(jīng)計(jì)算突水系數(shù)為0.07MPa/m，大于構(gòu)造塊段突水系數(shù)的臨界值0.06MPa/m。工作面采用傾斜分層走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化采煤法，頂分層沿煤層頂板回采，平均采高3.5m，架后人工鋪設(shè)金屬網(wǎng)假頂，采用全部垮落法處理采空區(qū)頂板。

圖1 14141工作面綜合柱狀

1.2 切頂卸壓工程概況

為了解決14141工作面頂板壓力問(wèn)題，減輕工作面初次來(lái)壓對(duì)作業(yè)人員和設(shè)備安全造成的影響，同時(shí)降低回采過(guò)程中運(yùn)輸巷的支承壓力，在14141工作面開(kāi)切眼以及運(yùn)輸巷頂板進(jìn)行深孔預(yù)裂爆破。

14141工作面爆破孔布置方式為：

(1)沿工作面開(kāi)切眼傾向向下10m處開(kāi)始布置1列爆破孔，列方向與巷道中線平行，設(shè)計(jì)爆破孔布置在14141工作面切眼架間間隔處，距煤壁1m，爆破孔直徑為50mm，孔間距1.5m；爆破孔深度為10m，爆破孔傾角為+90°，共設(shè)計(jì)施工48個(gè)孔，斷層前后5m范圍內(nèi)不布置預(yù)裂孔。

(2)沿運(yùn)輸巷走向向外布置1列爆破孔，列方向與巷道中線平行。如圖2所示，設(shè)計(jì)爆破孔布置在運(yùn)輸巷頂板距離下幫1.1m處，爆破孔直徑為50mm，孔間距1.8m，另在每2個(gè)爆破孔中間施工1個(gè)導(dǎo)向孔，導(dǎo)向孔直徑為50mm，孔間距1.8m；爆破孔深度為12m，爆破孔傾角為+90°。在工作面回采前，先在下安全口向外30m范圍施工預(yù)裂爆破孔，并進(jìn)行爆破；工作面回采過(guò)程中保持已預(yù)裂的爆破孔距離工作面下安全口25m，施工至工作面停產(chǎn)線位置結(jié)束，共施工416個(gè)爆破孔。

圖2 14141工作面運(yùn)輸巷預(yù)裂爆破孔布置

2 底板破壞深度實(shí)測(cè)研究

2.1 底板鉆孔直流電法觀測(cè)原理

礦井直流電法又稱(chēng)礦井電阻率法，該方法根據(jù)各類(lèi)巖石或礦體的導(dǎo)電性差異，通過(guò)觀測(cè)和分析巷道周?chē)斯し€(wěn)定電流場(chǎng)的空間分布規(guī)律，求取巖體的視電阻率，從而達(dá)到了解巷道周?chē)鷰r層中的導(dǎo)水和含水構(gòu)造的目的[8-10]。本次觀測(cè)在工作面底板鉆孔中預(yù)埋設(shè)均勻分布有若干電極的特制電纜，采用對(duì)稱(chēng)四極電極布置的觀測(cè)方式，即供電電極A，B和測(cè)量電極M，N對(duì)稱(chēng)地排列在測(cè)點(diǎn)O的兩邊。通過(guò)將鉆孔內(nèi)不同位置電極與直流電法儀連接，始終保持供電電極極距(AB)和測(cè)量電極極距(MN)不變，依次觀測(cè)沿鉆孔方向以不同測(cè)點(diǎn)O為中心一定體積范圍內(nèi)介質(zhì)的視電阻率，從而得到沿整個(gè)鉆孔一定測(cè)量范圍內(nèi)巖體的視電阻率。通過(guò)回采過(guò)程中的間斷性重復(fù)測(cè)量以及視電阻率與巖體內(nèi)部采動(dòng)裂隙變化及其是否充水的關(guān)系，得到底板受采動(dòng)影響的情況。

2.2 測(cè)站布置及觀測(cè)方案設(shè)計(jì)

測(cè)站布置及觀測(cè)按照如下原則與步驟：首先選擇適合觀測(cè)的工作面位置區(qū)域；然后預(yù)計(jì)工作面底板最大破壞深度，確定鉆孔參數(shù)，并在鉆孔施工完畢后埋設(shè)電極電纜；最后，在工作面開(kāi)采過(guò)程中間斷性重復(fù)采集底板巖層視電阻率數(shù)據(jù)，并結(jié)合鉆孔與工作面的空間位置關(guān)系，確定底板破壞參數(shù)。

為了得到開(kāi)采過(guò)程中底板的最大破壞深度，測(cè)站布置在距14141工作面開(kāi)切眼170m處的運(yùn)輸巷上幫，工作面測(cè)站位置見(jiàn)圖3。從測(cè)站向開(kāi)切眼方向的煤體內(nèi)施工底板觀測(cè)ZK1鉆孔，鉆孔傾角-17°，方位角239°，鉆孔長(zhǎng)度90m，孔徑98mm，鉆孔參數(shù)如圖4所示。為防止底煤段塌孔，在ZK1鉆孔前20m安裝φ108mm鐵質(zhì)套管。鉆孔內(nèi)埋設(shè)1根電極電纜，電纜前端加工有40個(gè)銅環(huán)電極，電極間距為2m。將所有電纜送入鉆孔中后(共計(jì)埋入電纜長(zhǎng)度78m)，采用高壓注漿封孔，以確保電極與周?chē)鷰r層接觸良好，也避免鉆孔成為人為導(dǎo)水通道。

圖3 14141工作面測(cè)站布置

圖4 ZK1鉆孔參數(shù)示意

為針對(duì)性解決對(duì)稱(chēng)四極電剖面法測(cè)量數(shù)據(jù)的多解性問(wèn)題，每次觀測(cè)分別得到一倍極距(AB/2=3m，MN/2=1m)、二倍極距(AB/2=6m，MN/2=2m)和三倍極距(AB/2=9m，MN/2=3m)條件下底板巖層的視電阻率，根據(jù)視電阻率異常點(diǎn)的空間分布情況并結(jié)合理論破壞形態(tài)，最終確定底板破壞深度的唯一解。

2.3 電法觀測(cè)成果分析

2.3.1 視電阻率觀測(cè)結(jié)果

電極電纜安裝完成后共計(jì)進(jìn)行了6次觀測(cè)，各次觀測(cè)工作面與測(cè)站的水平距離D分別為150m(背景值)，48m，36m，32m，26m和20m。由于前20m鐵質(zhì)套管對(duì)直流電法測(cè)量產(chǎn)生影響，因此此段數(shù)據(jù)不予以考慮。各次觀測(cè)一倍極距、二倍極距、三倍極距條件下底板巖層視電阻率沿電極電纜的變化情況，如圖5所示。

圖5 ZK1鉆孔底板巖層視電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)

由一倍極距觀測(cè)結(jié)果(圖5(a))可知，在工作面推進(jìn)過(guò)程中，20號(hào)測(cè)點(diǎn)前的視電阻率測(cè)值相比背景值顯著減小，分析是由采動(dòng)引起的淺部巖體裂隙充水以及超前支承壓力對(duì)較深部巖體的壓實(shí)作用所致。此外，淺部12～17號(hào)測(cè)段巖體視電阻率測(cè)值存在明顯波動(dòng)，最大波動(dòng)幅度達(dá)12Ω·m，表明此區(qū)域底板巖體經(jīng)歷了壓實(shí)狀態(tài)與卸壓膨脹狀態(tài)，其內(nèi)部裂隙產(chǎn)生不同程度的閉合與張開(kāi)，且裂隙充水后視電阻率進(jìn)一步降低。當(dāng)工作面由距離測(cè)站26m推進(jìn)至距離測(cè)站20m時(shí)，之前保持不變的16號(hào)測(cè)點(diǎn)視電阻率有所降低，表明巖體因由超前支承壓力影響區(qū)進(jìn)入卸壓膨脹段而發(fā)生破壞且裂隙充水，因此判定16號(hào)測(cè)點(diǎn)不是破壞區(qū)域的最深點(diǎn)；17號(hào)測(cè)點(diǎn)的視電阻率在工作面推進(jìn)過(guò)程中始終不發(fā)生改變，表明此處巖體處在底板破壞范圍邊界或下方。因此，當(dāng)工作面距離測(cè)站20～26m時(shí)，底板破壞達(dá)到最深的17號(hào)測(cè)點(diǎn)處。

二倍、三倍極距觀測(cè)值的變化情況如圖5(b)，5(c)所示。由于所測(cè)的巖體柱體積增大，數(shù)據(jù)敏感度較一倍極距有所降低。由視電阻率的變化規(guī)律可知，最大破壞深度出現(xiàn)在二倍極距18號(hào)測(cè)點(diǎn)位置以及三倍極距19號(hào)測(cè)點(diǎn)位置。但受套管影響，淺部觀測(cè)數(shù)據(jù)失效，因此無(wú)法確定破壞帶淺部邊界。

2.3.2 底板破壞深度地質(zhì)點(diǎn)空間定位

由于底板巖體破壞時(shí)其視電阻率會(huì)發(fā)生異常波動(dòng)，因此可以根據(jù)這些異常波動(dòng)點(diǎn)在不同極距條件下的空間分布來(lái)確定倒馬鞍形底板破壞區(qū)域的大致范圍。如圖6所示，觀測(cè)所得的視電阻率值在垂向方向上相對(duì)電極電纜的空間位置可能出現(xiàn)兩種情況，即觀測(cè)值反映電極電纜上方測(cè)點(diǎn)(編號(hào)首字母為A)或下方測(cè)點(diǎn)(編號(hào)首字母為B)的導(dǎo)電特性。測(cè)點(diǎn)名稱(chēng)中的首位數(shù)字表示觀測(cè)極距，后兩位數(shù)字表示測(cè)點(diǎn)編號(hào)。

圖6 地質(zhì)點(diǎn)空間分布及最大破壞深度示意

若觀測(cè)值反映的是電極電纜上方巖體視電阻率，底板破壞區(qū)域邊界輪廓如圖6中實(shí)線曲線所示，則曲線以上巖體均處于底板破壞帶內(nèi)。破壞帶范圍由淺部到深部逐漸減小，由觀測(cè)數(shù)據(jù)得到的破壞區(qū)域符合倒馬鞍形形態(tài)特征，結(jié)合測(cè)點(diǎn)空間位置確定底板最大破壞深度位于一倍極距17號(hào)測(cè)點(diǎn)(A117)位置；若觀測(cè)值反映的是電極電纜下方巖層視電阻率，底板破壞區(qū)域邊界輪廓如圖6中虛線曲線所示，則曲線以下部分均處于底板破壞帶內(nèi)。由于破壞帶范圍由淺部到深部逐漸擴(kuò)大，由觀測(cè)數(shù)據(jù)得到的破壞區(qū)域形態(tài)與理論馬鞍形破壞形態(tài)相矛盾，因此將這種情況排除。

綜合以上分析，底板破壞帶最深點(diǎn)位于一倍極距17號(hào)測(cè)點(diǎn)位置，最大破壞深度為9.8m，此時(shí)工作面距離測(cè)站20～24m，因此最大破壞深度點(diǎn)與工作面的水平距離為4.1～10.3m。

3 切頂卸壓影響分析

3.1 底板破壞參數(shù)計(jì)算

3.1.1 統(tǒng)計(jì)公式法[11]

在僅考慮工作面長(zhǎng)度以及綜合考慮工作面長(zhǎng)度、開(kāi)采深度及煤層傾角的情況下，分別由式(1)和式(2)計(jì)算14141工作面煤層采動(dòng)底板破壞深度h1。

h1=0.7007+0.1079L

(1)

h1=0.0085H+0.1665α+0.1079L-4.3579

(2)

式中，L為工作面斜長(zhǎng)，取110m；α為煤層傾角，取9.5°；H為開(kāi)采深度，取300m。

將各參數(shù)值代入式(1)和式(2)，得到用統(tǒng)計(jì)公式法計(jì)算的底板破壞深度分別為12.6m和11.6m。

3.1.2 理論公式法[12]

根據(jù)塑性力學(xué)理論，得到最大破壞深度hmax及其與工作面的水平距離lmax的計(jì)算公式如式(3)和式(4)所示。

(3)

(4)

式中，Ls為煤層塑性區(qū)寬度，估算為0.015H，即4.5m；φ0為底板巖體權(quán)重平均內(nèi)摩擦角，取40°。

將各參數(shù)值代入式(3)和式(4)，得到用理論公式法計(jì)算的底板破壞深度為10.6m，且最大破壞深度點(diǎn)與工作面水平距離為8.9m。

3.2 底板破壞深度對(duì)比分析

為更直觀地分析切頂卸壓對(duì)于煤層開(kāi)采底板破壞參數(shù)的影響，將直流電法實(shí)測(cè)結(jié)果與統(tǒng)計(jì)公式值及理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，比較結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出，14141工作面采取切頂卸壓措施后，底板最大破壞深度相比未考慮切頂影響的兩個(gè)統(tǒng)計(jì)公式值及一個(gè)理論公式值均有所下降，下降幅度分別為22.2%、15.5%及7.5%，平均15.1%。分析認(rèn)為切頂卸壓措施有效縮短了工作面初次來(lái)壓及周期來(lái)壓步距，降低了開(kāi)采過(guò)程中工作面的支承壓力，從而減輕了底板受采動(dòng)影響的破壞程度，減小了底板破壞深度。由于實(shí)測(cè)得到的最大破壞深度點(diǎn)與工作面煤壁間的距離為范圍值，理論公式值雖在此范圍內(nèi)，但無(wú)法與實(shí)測(cè)值進(jìn)行直接對(duì)比。

表1 14141工作面底板破壞參數(shù)比較

4 結(jié) 論

(1)通過(guò)在工作面開(kāi)切眼和運(yùn)輸巷采用深孔爆破進(jìn)行切頂卸壓，可以降低回采過(guò)程中初次來(lái)壓和周期來(lái)壓強(qiáng)度，減小巷道支承壓力，從而對(duì)采動(dòng)引起的底板破壞產(chǎn)生影響。

(2)通過(guò)對(duì)鉆孔直流電法現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析得出，九里山礦14141工作面在對(duì)開(kāi)切眼和運(yùn)輸巷采取切頂卸壓的情況下，底板最大破壞深度為9.8m，最大破壞深度點(diǎn)距工作面煤壁4.1～10.3m。

(3)對(duì)比未考慮切頂卸壓的14141工作面底板破壞深度統(tǒng)計(jì)公式及理論公式計(jì)算值，實(shí)測(cè)值均有所減小，減小幅度分別為22.2%、15.5%及7.5%，平均15.1%，說(shuō)明切頂卸壓能夠減輕煤層開(kāi)采對(duì)底板巖體的破壞程度，減小底板破壞深度，可以作為一種有效的工作面底板水防治措施。