魏大勇，孫亞楠，閆奮前，吳俊達(dá)

(1.山西嵐縣昌恒煤焦有限公司，山西 嵐縣 033599；2.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266590；3.礦業(yè)工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，山東 青島 266590)

隨著煤炭開(kāi)采時(shí)間的延續(xù)，淺部以及賦存情況良好的煤炭資源逐漸被開(kāi)采殆盡[1]。在面臨居高不下的煤炭需求下，煤炭開(kāi)采逐漸轉(zhuǎn)向深部以及賦存條件復(fù)雜且危險(xiǎn)的煤炭資源，這就使得煤炭開(kāi)采的危險(xiǎn)性大幅增加[2，3]。在眾多的煤炭生產(chǎn)安全事故中，礦井水害一直是煤礦最嚴(yán)重災(zāi)害之一[3-7]。在眾多的突水事故中，煤系陷落柱又是底板突水的主要因素之一[8-10]。煤系陷落柱是煤系下伏可溶巖系中的大跨度溶洞發(fā)生持續(xù)向上塌陷所形成的，其中絕大多數(shù)以隱伏形式存在[11-15]，在華北晚古生代(遼冀魯晉蒙陜?cè)ネ钐K煤田)和中生代(大同煤田)、華南晚三疊世須河組含煤巖系中廣泛分布[16-18]。華北型煤田中分布的陷落柱一般為奧灰之上層位陷落柱和奧陶紀(jì)陷落柱，形狀上多為上小下大的圓臺(tái)型[19]。隨開(kāi)采深度逐漸加深，工作面距奧灰的距離逐漸縮短，煤田開(kāi)采受到奧灰水的威脅也隨之增大，再加上底板下的隱伏陷落柱柱底溝通奧灰水時(shí)底板隔水層有效厚度降低，并且還存在因陷落柱存在而造成的其他風(fēng)險(xiǎn)[20]。因此系統(tǒng)分析含有隱伏陷落柱底板的應(yīng)力分布規(guī)律，底板塑性區(qū)發(fā)育過(guò)程，進(jìn)而分析總結(jié)出該類(lèi)情況的突水致災(zāi)機(jī)理，對(duì)礦井水害的預(yù)測(cè)和治理有重要意義。

1 礦區(qū)地質(zhì)特征

山西嵐縣昌恒煤焦有限公司9102工作面為礦井9號(hào)煤層的第一個(gè)回采工作面，位于F1斷層以北區(qū)域，西與9101工作面相接，東與9103工作面(計(jì)劃)相接，北到配風(fēng)巷，南至切眼風(fēng)、機(jī)巷走向長(zhǎng)度為1680m，工作面斜長(zhǎng)為192m，工作面標(biāo)高為925～961m；面積為323520m2。煤層厚度8.8～9.5m，煤層傾角80°，采用綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采工藝，全部垮落法管理頂板。

研究區(qū)域內(nèi)煤層底板下57m為奧灰水，其水壓平均值為4.18MPa，計(jì)算得到其突水系數(shù)值為0.073MPa/m，且工作面中部存在一個(gè)隱伏陷落柱，底板整體為“軟-硬-軟”的巖層結(jié)構(gòu)。根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》，底板受構(gòu)造破壞塊段的臨界突水系數(shù)要求不大于0.06MPa/m，正常塊段不大于0.10MPa/m，因此本區(qū)域?qū)儆诰植客凰ｋU(xiǎn)性區(qū)域。

2 FLAC3D數(shù)值模擬

2.1 邊界條件及主要巖層力學(xué)參數(shù)

模型四周施加水平位移約束，底面為固定約束，模型頂面施加面力4.5MPa以模擬上覆巖層的自重。因煤層傾角為8°，在模型將其簡(jiǎn)化為水平煤層。含水層施加實(shí)際水壓值，四周設(shè)為不透水邊界，煤層開(kāi)挖采用逐步“賦空”的方式實(shí)現(xiàn)，同時(shí)將空模型設(shè)為“fl_null”模式，以不容許水體通過(guò)。力學(xué)模型選用莫爾-庫(kù)倫模型，在流體進(jìn)程的計(jì)算上選用各向同性流體模型，主要巖體的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，初始模型如圖1所示。

表1 主要巖層力學(xué)參數(shù)表

圖1 初始模型圖(m)

2.2 模擬結(jié)果分析

2.2.1 應(yīng)力分布特征

模型建好后工作面由左向右推進(jìn)，每隔5m布置一測(cè)點(diǎn)，隨著工作面不斷的推進(jìn)，沿煤層方向提取各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。在煤層底板10m和20m深度處從距離模型邊界50～170m每隔5m布置的測(cè)點(diǎn)隨工作面開(kāi)采的應(yīng)力分布如圖2所示。

圖2 橫向各測(cè)點(diǎn)在回采過(guò)程中應(yīng)力分布圖

由圖2分析可知，在陷落柱的影響下，當(dāng)工作面接近陷落柱時(shí)煤層底板出現(xiàn)應(yīng)力集中(在距離陷落柱中心30m處最為明顯)，而在陷落柱頂部位置應(yīng)力則相對(duì)較小。由圖2(a)和(b)對(duì)比分析可知，測(cè)點(diǎn)距離煤層底板越深受采動(dòng)影響越??；從曲線(xiàn)變化情況上看，圖2(a)中應(yīng)力曲線(xiàn)的變化要比圖2(b)劇烈；但由于圖2(b)中的測(cè)點(diǎn)更加靠近陷落柱和伴生斷層，其受陷落柱和伴生斷層的影響更為明顯。

陷落柱前30m和40m處底板下10～40m深度的4個(gè)測(cè)點(diǎn)在整個(gè)開(kāi)采過(guò)程中的應(yīng)力變化情況如圖3所示，圖中52、42、32、22為模型中測(cè)點(diǎn)z坐標(biāo)值，分別代表底板下10m、20m、30m、40m處的測(cè)點(diǎn)。由圖3(a)和(b)對(duì)比可知測(cè)點(diǎn)距離陷落柱越近，受到陷落柱的影響越劇烈，測(cè)點(diǎn)距離煤層底板越深受采動(dòng)影響越小，其中位于底板下10m處的測(cè)點(diǎn)表現(xiàn)最為明顯，陷落柱前30m的應(yīng)力峰值比陷落柱前40m的應(yīng)力峰值高0.5MPa。

圖3 縱向各測(cè)點(diǎn)在回采過(guò)程中應(yīng)力分布圖

2.2.2 塑性區(qū)發(fā)育特征

隨工作面推進(jìn)，工作面與陷落柱間的水平距離縮短，底板巖體的塑性破壞發(fā)育過(guò)程如圖4所示。由圖4(a)可知，當(dāng)工作面距離陷落柱50m時(shí)，煤層回采開(kāi)始對(duì)陷落柱產(chǎn)生影響，在陷落柱上邊界左側(cè)以及下邊界左側(cè)出現(xiàn)了破壞，但破壞規(guī)模較??；由圖4(b)可知，隨著工作面向陷落柱靠近，采動(dòng)影響引發(fā)陷落柱破壞程度逐漸加劇，同時(shí)工作面前端靠近陷落柱處底板的破壞深度逐漸增大，而且比采空區(qū)后端底板破壞深度要大，但工作面底板塑性區(qū)并未與陷落柱塑性區(qū)相溝通。

圖4 工作面距陷落柱不同距離時(shí)塑性區(qū)連通過(guò)程圖

由圖4(c)—(f)可知，工作面距離陷落柱30m時(shí)，底板塑性區(qū)與陷落柱塑性區(qū)溝通，該位置也是底板應(yīng)力的峰值區(qū)，是底板應(yīng)力集中程度最高的位置，隨著工作面更加靠近陷落柱，塑性區(qū)及塑性區(qū)連通范圍也越來(lái)越大，且破壞形式主要以剪切破壞為主，破壞區(qū)域主要集中在陷落柱左側(cè)邊界，即工作面最先接觸到的陷落柱側(cè)邊界，當(dāng)?shù)装逅苄詤^(qū)與陷落柱塑性區(qū)連通時(shí)，突水通道隨即形成。

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 監(jiān)測(cè)目的及鉆孔布置

從模擬數(shù)據(jù)分析可知，在不采取保護(hù)措施的情況下，在工作面距陷落柱30m左右時(shí)底板會(huì)發(fā)生突水，所以決定對(duì)該陷落柱進(jìn)行注漿加固改造，以避免水災(zāi)事故的發(fā)生，為驗(yàn)證注漿效果，在距陷落柱30m處埋設(shè)底板應(yīng)變計(jì)對(duì)底板巖體變形破壞情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。鉆孔布置情況如圖5所示，傳感器間距為3m。

圖5 底板破壞監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置圖

3.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

各鉆孔中各個(gè)傳感器所采集的應(yīng)變數(shù)據(jù)如圖6所示。由圖6可知，3個(gè)鉆孔中的12個(gè)傳感器由于在同一剖面上的不同深度，所以受礦山壓力影響的變化規(guī)律基本相同，由于不同的傳感器處在不同深度，各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)在數(shù)值上又有所差異。從圖6中可以看出，工作面距離鉆孔60m左右時(shí)，由于礦山壓力的作用對(duì)鉆孔位置產(chǎn)生應(yīng)力影響，隨著工作面向前推進(jìn)，影響越來(lái)越劇烈，在距離鉆孔10～20m達(dá)到峰值，由于各個(gè)傳感器深度不同，所以各個(gè)傳感器應(yīng)變達(dá)到峰值的位置略有差別，此后雖然應(yīng)力集中仍然持續(xù)，但都低于該點(diǎn)。1#鉆孔傾角比較大(與水平方向夾角為20°)，4個(gè)傳感器垂直距離較小，所以各傳感器的應(yīng)力差異較小，4條應(yīng)力曲線(xiàn)重疊度較高。2#和3#鉆孔的傾角逐漸增大，各個(gè)傳感器的垂直落差也進(jìn)一步加大，所以同一鉆孔中的各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)差異也越來(lái)越大。

圖6 各鉆孔傳感器所采集的應(yīng)變數(shù)據(jù)

1#鉆孔中的4個(gè)傳感器由于現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)采條件限制，在工作面推進(jìn)到鉆孔位置時(shí)予以手動(dòng)拆除，所以1#鉆孔中4個(gè)傳感器的監(jiān)測(cè)到工作面推進(jìn)到鉆孔位置時(shí)即停止。從圖6(a)中可知，壓應(yīng)變達(dá)到峰值的位置，并未出現(xiàn)破壞點(diǎn)。由于1#鉆孔中的4個(gè)傳感器距離煤層較近，可知此組傳感器所在巖層在采動(dòng)影響下必然破壞。

2#鉆孔中4個(gè)傳感器在整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程中一直有效。由圖6(b)可知該位置處巖層在采動(dòng)影響下經(jīng)歷采前超前支承壓力到采后應(yīng)力釋放及恢復(fù)的全過(guò)程。其中，2-3#、2-4#傳感器在工作面推過(guò)鉆孔位置15～25m處出現(xiàn)應(yīng)變變異點(diǎn)(由壓應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)變)，此時(shí)表征該處巖層的破壞，而2-1#、2-2#傳感器并未出現(xiàn)應(yīng)變變異點(diǎn)，表征該處巖層并未因采動(dòng)而破壞。所以該處巖層的破壞深度為11～14m。

由圖6(b)、(c)對(duì)比可知，3#鉆孔中4個(gè)傳感器情況與2#鉆孔類(lèi)似，由于3#鉆孔與水平方向夾角更大，所以四條應(yīng)變曲線(xiàn)相對(duì)更加離散。3-3#、3-4#傳感器在工作面推過(guò)鉆孔18～28m處出現(xiàn)應(yīng)變變異點(diǎn)，3-1#、3-2#傳感器則沒(méi)有出現(xiàn)變異點(diǎn)，由此可知該處巖層破壞深度為17～19m。

將三個(gè)鉆孔中的傳感器數(shù)據(jù)與圖7對(duì)比分析可知，9102工作面的周期來(lái)壓步距為15m左右，當(dāng)工作面距離鉆孔較遠(yuǎn)(50m以外)時(shí)，受到超前支承壓力的影響傳感器數(shù)據(jù)增大；當(dāng)工作面推進(jìn)到鉆孔附近(10m左右)時(shí)，支架受力情況與傳感器應(yīng)變變化基本一致，即當(dāng)支架承受的壓力增大時(shí)，傳感器數(shù)據(jù)也進(jìn)一步增大，當(dāng)支架由于頂部垮落卸壓時(shí)，傳感器數(shù)據(jù)也由大變小。

圖7 90#支架工作阻力分布圖

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法，最終得到注漿改造后因工作面回采引發(fā)的煤層底板破壞深度為17～19m。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[21]，針對(duì)9102工作面實(shí)際情況，選取開(kāi)采深度H=285.0m，煤層傾角a=10°，工作面斜長(zhǎng)L=175m，煤層內(nèi)摩擦角φ0=43°，具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 底板深度結(jié)果對(duì)比表

由表2對(duì)比分析可知，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)及理論公式的計(jì)算結(jié)果能保持一致，驗(yàn)證了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法的可行性及科學(xué)性。

4 結(jié) 論

1)由于陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造的存在，工作面回采導(dǎo)致在地質(zhì)構(gòu)造前出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，其超前距離約為30m。

2)工作面回采引發(fā)的底板巖體破壞形式以剪切破壞為主，且塑性區(qū)與陷落柱頂部靠近工作面一側(cè)邊界的塑性區(qū)先溝通，形成突水通道，而引起底板突水。

3)采用應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)獲得9102工作面回采引發(fā)的煤層底板破壞深度為17～19m，與經(jīng)驗(yàn)及理論公式的計(jì)算結(jié)果能保持一致，驗(yàn)證了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法的可行性及科學(xué)性。