柳東明

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順113122）

如何在承壓含水層上進行煤層開采是許多礦井亟待解決的重大問題。目前，帶壓開采是承壓含水層上采煤的主要開采方法，然而要實現安全帶壓開采，關鍵在于煤層開采后采場底板的隔水能力[1]。而開采后底板的變形破壞特征及斷裂帶分布規(guī)律直接決定著開采后采場底板的隔水能力。因此，采動條件下底板斷裂帶分布規(guī)律的研究是煤礦底板水害防治研究的關鍵。

利民礦16 煤的后期開采塊段位于具有承壓水的奧陶系灰?guī)r之上，且大部分工作面位于承壓水水位以下。目前，正在開采的1603 工作面為16 煤首采工作面，位于奧灰?guī)r承壓水水位以上，由于標高低于1603 工作面的其他16 煤工作面將進入到潛水位以下，開采將受到奧灰水的威脅，因此通過對1603工作面開采后底板破裂帶分布規(guī)律研究，為礦井承壓水上工作面的安全開采提供理論依據[2-7]。

1 工程概況

1603 工作面是16 采區(qū)的首采工作面，煤層埋深厚度274～307 m，平均300 m，工作面長度為240 m，工作面走向推進長度為1 085 m。工作面上方為0903 采空區(qū)和0904 采空區(qū)，下部為未開采地段。上部存在未采可采煤9-2、10 號煤層。1603 工作面16煤厚5.3～7.6 m，平均6.37 m。煤層傾角平均7°，工作面采用大采高一次采全高綜合機械化回采工藝方式，采空區(qū)采用全部垮落法管理頂板。頂、底板均以砂質泥巖為主。

2 底板破壞理論

2.1 底板破壞機理

在工作面的推進過程中，采動引起應力的重新分布從而導致工作面底板發(fā)生破壞。破壞主要表現為3 種形式：離層導致的層向破壞、采空區(qū)周邊反向力作用導致的剪切破壞、水平拉力作用導致的垂向破壞[8-9]。隨著工作面的推進，回采工作面底板的任一點都要經歷采前超前支撐壓力而壓縮、采后懸頂減壓而膨脹，以及后期頂板垮落壓實再受壓的過程。由于支撐煤體與采空區(qū)的增壓和減壓以及巖體反向的剪切作用，沿采空區(qū)周邊形成剪切破壞帶。

2.2 工作面底板破壞深度

根據我國現場實測的底板斷裂帶數據，考慮與底板采動斷裂帶深度密切相關的工作面斜長、采深、采厚和傾角等實測參數，采用回歸分析，《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》提供如下的統(tǒng)計公式[10-11]。

只考慮工作面斜長時，底板斷裂帶深度為：

式中：h1為底板采動導水斷裂帶深度，m；L 為壁式工作面斜長，m。

考慮采深、傾角和工作面斜長，底板斷裂帶深度為：

式中：H 為開采深度，m；α 為煤層傾角，（°）。

1603 工作面長度為240 m，平均傾角為7°，平均采深300 m。因此，按式（1）～式（3）計算的工作面開采后底板斷裂帶的最大深度分別為26.60、24.30 m、25.42 m，即根據經驗公式計算得出的底板斷裂帶深度最大值為24.30～26.60 m。

3 底板破裂帶分布規(guī)律

3.1 模型尺寸巖層物理力學參數

模型的傾向x、走向y 以及垂直高度Z 的選擇應保證模擬能夠出現基本恒定的底板斷裂帶深度，因此將模型尺寸確定為x×y×z=400 m×300 m×200 m。工作面布置在沿x 方向80～320 m，沿y 方向70～230 m，沿z 方向63.8～100 m 的范圍。

模擬過程中，各巖層均采用摩爾-庫倫的力學模型進行計算。模擬中所用的各煤巖層的巖石力學參數，通過在1603 工作面進行打鉆采取巖心，在實驗室按規(guī)定測試所得。模型中各巖層的巖石力學參數見表1。

表1 模型中各巖層巖石力學參數Table 1 Rock mechanics parameters of every strata in model

3.2 工作面推進時沿走向底板塑性區(qū)分布

3.2.1 工作面中部底板塑性區(qū)分布。

隨著工作面的推進，工作面中部頂底板塑性區(qū)分布及變化情況如圖1。

圖1 隨推進工作面中部底板沿走向塑性區(qū)分布Fig.1 Plastic zone distribution of floor on the middle of working face along the trend direction with advancing

由圖1（a）看出，當工作推進20 m 時，工作中部頂底板產生塑性破壞區(qū)域。在切眼處煤壁附近的底板巖層中產生了較大程度的塑性破壞，在煤壁以里10 m 以及切眼一側5 m 所對應的底板斷裂帶深度最大，達到21.10 m。而在切眼5 m 以外向工作面方向，斷裂帶深度立刻減小為4.7 m。這是因為發(fā)生最大破壞深度的地方，剪應力在該處產生集中，應力值超過巖體的黏聚力從而使巖體產生剪切破壞，而在工作面前方的煤壁附近，剪應力集中程度較小，且隨著工作面的推進底板處于動態(tài)變化的狀態(tài)，所以在產生較小的破壞。同理，考慮到剪應力的分布形態(tài)，因此在該處出現斷層式的破壞帶深度差異是合理的。而由于工作面的推進，煤壁前方的垂直應力增大，從而導致了剪應力值的不斷加大，所以在煤壁前方的破壞深度逐漸加大。

工作面推進40 m 和60 m 時，切眼煤壁處的底板破壞帶深度不在增加，保持21.10 m，而工作面附近的底板巖體破壞深度保持逐漸增加的趨勢，但底板巖體的破壞形態(tài)基本保持不變。因為隨著工作面的推進，該處的垂直應力及剪切應力的最大值雖均在增大，但是此處剪切應力的集中范圍并未發(fā)生明顯的變化，因此此處底板的破壞帶范圍亦不在增加。而在工作面前方，同樣由于工作的推進，工作面前方煤壁的支撐應力逐漸增大而導致剪應力增大，從而使得產生破壞的深度逐漸增加。

當工作推進80～100 m 時，切眼煤壁處的底板破壞深度及形態(tài)不再改變，隨著工作面推進采空區(qū)底板的破壞帶深度穩(wěn)定在16.18 m 基本不再增加。根據隨著工作面推進底板剪應力的分析結果可以看出，此時切眼處的剪應力集中效應不再明顯，而逐漸消失，但根據隨著工作面推進工作面中部也沿走向垂直應力的分布情況可以看到，此時工作面后方的采空區(qū)應力逐漸恢復，垮落巖石能夠提供一定的支撐力，從而減小了工作面前后方煤壁附近的垂直應力，此時垂直應力增加速度降低。工作面前方煤壁附近底板內的剪應力也因此而基本趨于穩(wěn)定。

此后，隨著工作面進一步推進，底板巖體的破裂帶形態(tài)已經穩(wěn)定，工作面附近底板的巖體最大破壞深度保持為17.82 m，切眼處底板破壞帶最大深度保持在21.10 m，其位置在距離切眼煤壁5～10 m 的范圍內。切眼處以及工作面附近的底板破壞帶深度及形態(tài)不再隨著工作面的推進而增加或改變。根據垂直應力的分析結果，當推進到160 m 之后，工作面前方煤壁內的最大垂直應力較之前有所下降，而后方采空區(qū)的垮落巖石提供了一部分支撐力，因此，此后隨著推進，工作面前方的垂直應力逐漸減小并趨于一個穩(wěn)定的值，不會由于應力的增大而對工作面底板巖體造成進一步的破壞。

將以上模擬分析得到的底板斷裂帶最大深度21.10 m 與經驗公式計算所得的底板最大破壞深度范圍24.30～26.60 m 相比，模擬的最大深度值小于經驗公式計算所得。由于統(tǒng)計經驗公式是根據全國異性較大的工作面開采后造成的底板斷裂帶深度統(tǒng)計回歸而得，且出于安全方面的考慮，其值一般情況下偏大。由此看來，模擬所得的斷裂帶最大深度偏小是合理的。

通過以上分析可以得出，數值模擬與理論分析均保持了較高的一致性和統(tǒng)一性，可見模擬的結果是可靠的。

3.2.2 工作面不同位置處底板破壞情況

由于工作面上下端頭所處的埋深不同，由于傾角的原因可能導致底板的破壞深度不同。通過在推進160 m 時工作面不同位置進行剖面，研究工作面不同位置的底板變形破壞規(guī)律，推進160 m 時工作面上、下端頭沿走向底板塑性區(qū)分布圖如圖2。

圖2 推進160 m 時工作面上、下端頭沿走向底板塑性區(qū)分布圖Fig.2 Plastic zone distribution graph of floor along the trend direction on different positions of working face as it has advanced 160 m

根據圖1（b）和圖2 進行對比分析可得：工作面開采后采場底板的最大破壞深度均產生在開切眼后方煤壁附近下方的底板巖體中，破壞帶的分布形態(tài)基本相同，最大破壞帶深度均為21.10 m。

從切眼處開始推進到60 m 的位置時，工作面不同位置底板的破壞帶深度隨著推進呈現逐漸增大的趨勢，在推進60 m 之后，底板的斷裂帶深度達到最大值。在工作面上端頭處，該最大值為16.18 m，而下端頭處該最大值為17.82 m，可見工作上端頭處的破壞深度要小于下端頭處。而在工作面的中部，正常推進期間底板破壞的最大值達到17.82 m。

3.3 沿傾向開切眼處底板破裂情況

工作面推進時開切眼處沿傾向底板塑性區(qū)分布如圖3。

圖3 工作面推進沿傾向底板破裂情況Fig.3 Fractured state of floor along the tends direction as advancing

根據圖3 可以看出，在切眼附近的傾斜剖面上，當工作面推進20 m 時，底板呈現出層狀破壞，即每一處表面都產生較小破壞區(qū)。但在兩巷道下方的底板巖體中破壞深度最大，其中回風巷位置最大破壞深度為7.98 m，運輸巷位置最大破壞深度為9.62 m。當工作面推進40 m 時，切眼處仍然保持兩巷道下方破壞帶深度最大，中間區(qū)域破壞深度一致且較小的形態(tài)，但回風巷和運輸巷的最大破壞深度分別為9.62 m和11.26 m。當工作面的推進80 m 時，回風巷和運輸巷底板的破壞深度并無增大，但切眼處中部的底板破壞帶深度增加。當推進100 m 時，工作面中部底板的破壞深度出現明顯的增大，從中間到兩側呈現出逐漸減小的趨勢，到工作面兩端頭處的底板再次達到最大，此后隨著工作面的推進，無論是采空區(qū)中部，還是兩端頭，其最大值均不在增加。底板的破壞帶最終在傾斜方向上呈現出類似“倒馬鞍”的形狀，即兩端頭破壞深度較大，從端頭向采空區(qū)中部破壞深度先迅速減小再逐漸增大，直到采空區(qū)中部重新達到較大的破壞深度14.54 m。

3.4 底板不同深度處破裂情況

為了對采空區(qū)底板下某處的變形破壞情況進行分析，平行于煤層對某一深度處的巖體進行剖面，底板下距煤層某處的塑性區(qū)分布如圖4。

圖4 推進160 m 時底板不同深度處塑性區(qū)分布Fig.4 Plastic zone distribution at different depths of floor when the working face has advanced 160 m

由圖4 可以看出，當工作面推進160 m 時，在采空區(qū)底板下2 m 處的巖體基本上都處于塑性破壞區(qū)。這是由于開采形成采空區(qū)自由面，淺部的底板巖體在采空區(qū)周邊煤巖體內反向應力作用下發(fā)生大范圍底鼓造成的。在底板下6～10 m 范圍內，從開切眼位置到60 m 的范圍內，底板基本沒有出現破壞，這與圖1 分析的結果保持一致。此段范圍內，底板破壞處于逐漸增加的過程，其破壞深度較小。而圖4（b），在底板以下15 m 距離切眼60 m 以外的范圍，底板依然產生破壞。在底板下20 m 的范圍內，只有在開切眼附近的底板巖體中產生塑性破壞，而在22 m 時底板內不再有塑性區(qū)破壞，由此可以得出底板的破壞帶最大深度為21.10 m，其位置在開切眼附近的底板巖層中。

4 結 論

1）采用經驗公式計算得出1603 工作面底板斷裂帶的最大深度為24.30～26.60 m。

2）沿走向方向上，1603 工作面在切眼處煤壁前方5 m 及后方10 m 范圍內的底板產生最大破壞深度為21.10 m；隨著工作面推進，底板破壞深度從4.7 m 開始逐漸增大到17.82 m，并最終保持穩(wěn)定。沿傾向方向上，底板斷裂帶呈現“倒馬鞍”型，在工作面下端頭處的底板產生最大破壞深度21.10 m，位置在距端頭煤壁10 m 范圍內的底板下方。對比理論計算以及數值模擬分析所得的底板斷裂帶結果，兩者相互吻合。