葛泉礦帶壓開采下組煤底板破壞深度探測研究

徐玉增

(冀中能源金牛股份公司葛泉礦,河北省邢臺市,054000)

葛泉礦于1989年建成投產(chǎn),設計生產(chǎn)能力為60萬t/a,經(jīng)過20多年的開采,上組煤開采殆盡,為了解放下組煤資源以延長礦井服務年限,葛泉礦開展了下組煤試采工程,主采9#煤層。然而9#煤層的帶壓開采,受到礦山壓力及奧灰強含水層承壓水的雙重影響,采動后煤層底板的應力集中與釋放將造成煤層底板破壞,形成新的次生裂隙和滲透性通道,使底板隔水性發(fā)生明顯改變,增大了誘發(fā)底板奧灰突水事故的概率。而煤層底板破壞深度的大小直接影響著煤層底板的有效隔水層厚度。本文以葛泉礦下組煤首采工作面為例,對底板加固條件下,帶壓開采9#煤煤層底板的破壞深度進行探測研究,研究結(jié)果對于正確評價開采時煤層底板突水的可能性,制定工作面的防治水方案,具有十分重要的指導意義。

1 工作面概況

下組煤首采工作面位于西翼運輸大巷上方,地面標高101.2～102.6 m,開采標高為-50～-140 m,走向長度75 m,傾斜長約410 m。主采的9#煤層平均厚度5.3 m,傾角約10°。工作面總體構(gòu)造形態(tài)為一單斜構(gòu)造,工作面巷道掘進階段共揭露斷層9條,落差在5 m以上的斷層1條,其余均為落差小于2 m的小斷層,表現(xiàn)為北東向正斷層,揭露后均干燥無水。首采工作面采用綜合放頂煤開采工藝,頂板管理方式為全部頂板垮落法。

首采工作面下部的本溪灰?guī)r裂隙發(fā)育程度較高,裂隙密集發(fā)育段可直達9#煤層底板,阻水性能一般,本溪灰?guī)r含水層與奧陶系灰?guī)r含水層之間局部存在水力聯(lián)系,使本溪灰?guī)r含水層富水性增強并局部存在導升高度,具有底板突水的危險性。為使首采工作面具備帶壓開采的條件,對工作面底板隱伏導水裂隙帶進行了注漿加固,補強其阻水性能,對本溪灰?guī)r含水層進行全面注漿改造,阻止奧灰水導升裂隙的向上發(fā)展。

2 工作面底板破壞深度探測

煤層底板破壞深度受多因素的制約,如:采煤方式、工作面大小、隔水層厚度、巖性組合、開采深度、巖體強度等。這些因素在底板破壞深度中所起的作用是非常復雜的,很難用已有的公式來準確表達。但其作用的結(jié)果必然引起底板應變的變化,因此可以利用應變的變化,間接推求底板破壞深度。根據(jù)首采工作面具體情況,現(xiàn)場采用底板應變監(jiān)測來探測煤層底板的破壞深度。

2.1 工程布置

結(jié)合首采工作面的具體情況,將觀測孔布置在工作面底板發(fā)生變形破壞可能性較大的三個部位,即頂板首次來壓、構(gòu)造(斷層)發(fā)育、停采線附近?？紤]到首采工作面的實際情況,在運料巷中相應位置共設計布置4個觀測孔,分別布置距切眼30 m、75 m、150 m和距停采線30 m的位置,如圖1所示,每個觀測孔中安放2～3個應變計,觀測孔所在位置參數(shù)見表1。

圖1 首采工作面鉆孔平面布置圖

2.2 施工要求

鉆孔開孔直徑108 mm,下3～5 m套管后,變徑至89 mm后鉆至設計深度。在不同深度依次安放應變傳感器,安放完畢后注漿將鉆孔封堵,使應變傳感器與巖層成為一體。為保證采煤時底板垮落和運料不會對巷道中的信號線造成破壞,需要將信號線穿入鋼管中進行保護。

表1 應變監(jiān)測孔位置參數(shù)一覽表

2.3 監(jiān)測結(jié)果分析

依據(jù)在底板不同深度上安裝的應力計隨采面推進所表現(xiàn)出來的變化特征,分析工作面底板破壞特征?，F(xiàn)場監(jiān)測直接獲得的指標是在采動條件下底板一定深度范圍內(nèi)的每個應力計12個通道的應變值(微應變μ ε),觀測時間共218 d(分段觀測),工作面推進距離384 m,共獲取108組數(shù)據(jù)。以下針對各個傳感器在底板中絕對應變變化進行分析。

2.3.1 DG1監(jiān)測結(jié)果分析

DG1孔距離切眼30 m,分別在3個不同深度安放了應變傳感器,由淺到深編號為DG1-3、DG1-2、DG1-1。其中DG1-2的信號線因在安放后被錯斷未能取得數(shù)據(jù),以下僅對DG1-3、DG1-1的監(jiān)測結(jié)果進行分析。

DG1-3和DG1-1應變傳感器安放到距離煤層底板10 m、14 m處,監(jiān)測過程中應變與工作面距離關(guān)系的曲線見圖2。在監(jiān)測初始階段DG1-3應變呈下降趨勢,到工作面距離接近DG1觀測孔時(距離切眼30.1 m),應變達到第一個波谷,在工作面推過該觀測孔后應變值開始小幅回升,出現(xiàn)波峰后,應變又呈現(xiàn)下降趨勢直到工作面距超過DG1孔22.6 m。而DG1-1結(jié)果變化趨勢正好相反。分析認為,在礦山壓力作用下,隨著工作面的推進,當接近DG1觀測孔時,產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象,底板應變值應增大(受壓),而DG1-3實際監(jiān)測結(jié)果與此相反,表明此深度范圍內(nèi)底板巖體受到一定程度的破壞。DG1-1應變特征反映了正常的底板應力集中、應力釋放和應力恢復過程中壓縮和膨脹現(xiàn)象,表明此深度范圍巖體受采煤的影響較小,底板未發(fā)生破壞。綜合分析上述兩個應變傳感器的應變特征認為,在此位置的底板破壞深度應介于10～14 m之間。同時,上述變化也間接反映了初次來壓和周期來壓的特征,分析認為30.1 m為初次來壓位置,周期來壓步距約為18～21 m。

圖2 DG1應變監(jiān)測結(jié)果與工作面推進關(guān)系圖

2.3.2 DG2監(jiān)測結(jié)果分析

DG2孔距離切眼75 m,分別在3個不同深度安放了應變傳感器,由淺到深編號為DG2-3、DG2-2、DG2-1,其中DG2-3的信號線因在監(jiān)測過程中被錯斷未能取得系列數(shù)據(jù),以下分別對DG2-2、DG2-1的監(jiān)測結(jié)果進行分析。

DG2-2和DG2-1安放在距離煤層底板15.4 m、18.2 m的位置,監(jiān)測過程中應變與工作面距離關(guān)系的曲線見圖3。觀測初期(距離觀測孔44.9 m,)應變值呈緩慢下降到一次周期來壓(距離觀測孔22.4 m),底板發(fā)生較小膨脹變形;隨著工作面的推進,在距離觀測孔22.4～14.8 m距離內(nèi),應變值呈逐漸上升趨勢(應力集中所致),之后又呈緩慢下降直到工作面超過觀測孔3.7 m(第二次周期來壓);當工作面推進超過觀測孔3.7 m后應變值又呈平穩(wěn)變化,總體變化趨勢DG2-2比DG2-1明顯。綜合分析認為,上述變化特征反映了采前和采后應力集中和釋放的過程,表明采動影響下此深度范圍內(nèi)的底板巖體未遭到破壞,只是發(fā)生了較小的彈性變形。

圖3 DG2應變監(jiān)測結(jié)果與工作面推進關(guān)系圖

2.3.3 DG3監(jiān)測結(jié)果分析

mDG3孔距離切眼150 m,分別在3個不同深度安放了應變傳感器,由淺到深編號為DG3-3、DG3-2和DG3-1,以下對監(jiān)測結(jié)果進行分析。

DG3孔內(nèi)各應變傳感器分別距離煤層底板10 m、12 m、14 m。自觀測開始到距離觀測孔10.4 m,DG3-3應變值呈現(xiàn)緩慢上升趨勢,大部分應變?nèi)员３重搼儬顟B(tài),表明在此期間底板主要以膨脹變形為主。但工作面推至觀測孔時,應變值開始呈下降趨勢直到觀測結(jié)束,如圖4所示。上述變化過程表明,該深度范圍內(nèi)巖體在觀測期間主要受到拉壓力作用,產(chǎn)生的變形主要以膨脹變形為主,分析認為此深度的巖體已遭到明顯破壞。DG3-2、DG3-1自觀測初期應變值呈緩慢下降趨勢,但應變值較大,表明在此過程中此深度范圍內(nèi)的底板,由初期的壓縮變形向膨脹變形的平穩(wěn)過渡;當工作面推進距DG3孔10.4 m和2.6 m時,DG3-2、DG3-1應變值達到最小值,表明在此期間底板發(fā)生了較大的膨脹變形;隨后應變值又大幅度回升,觀測期間應變最大變幅達5000,隨后工作面推過DG3觀測孔時,應變值又呈持續(xù)下降趨勢。上述變化特征,反映了此深度范圍內(nèi)正常底板巖體變形特征,分析認為此深度底板巖體未遭到破壞。上述3個應變傳感器的應變特征表明,隨著深度的增加底板受采煤的影響逐漸減弱,此位置的底板破壞深度為10～12 m。

圖4 DG3應變監(jiān)測結(jié)果與工作面推進關(guān)系圖

2.3.4 DG4監(jiān)測結(jié)果分析

DG4孔距離停采線30 m,分別在兩個不同深度安放了應變傳感器,由淺到深編號為DG4-2、DG4-1,以下分別對監(jiān)測結(jié)果進行分析。

圖5 DG4應變監(jiān)測結(jié)果與工作面推進關(guān)系圖

DG4-2距離底板12.5 m,自觀測初期到工作面距離觀測孔14.1 m,大部分通道由開始的正應變轉(zhuǎn)變?yōu)樨搼?受拉),表明在此深度的巖體經(jīng)歷非常明顯的由壓縮到膨脹的快速轉(zhuǎn)變的過程,表明此深度巖體主要以膨脹變形為主;雖然在工作面距離觀測孔14.1～8.7 m期間應變值發(fā)生了短暫的升高,但之后一直到工作面推進到觀測孔,應變值又呈現(xiàn)快速下降趨勢,如圖5所示。上述應變變化過程表明,此深度的底板巖體以膨脹變形為主,分析認為該深度范圍內(nèi)巖體已遭到破壞。DG4-1距離底板14.5 m,自觀測開始到工作面距離觀測孔8.7 m,應變值呈小幅下降趨勢,隨后應變值又呈上升趨勢,整個過程應變變化較小,基本穩(wěn)定在初始水平。上述變化過程表明,該深度范圍內(nèi)巖體在觀測期間未發(fā)生破壞。綜合監(jiān)測結(jié)果,確定該位置底板破壞深度范圍為12.5～14.5 m。

3 結(jié)論

通過在下組煤首采工作面利用現(xiàn)場應變監(jiān)測方法對底板加固條件下的煤層底板破壞深度進行探測,取得了大量的試驗數(shù)據(jù)。通過對數(shù)據(jù)資料的整理和分析,得出如下結(jié)論。

(1)煤層開采的結(jié)果必然引起底板應變的變化,通過在采場底板進行應變監(jiān)測,分析不同深度應變監(jiān)測值隨工作面推進發(fā)生的變化,間接地分析煤層底板巖體的破壞深度。

(2)在靠近切眼和停采線附近應變變化比較劇烈,表明此位置的底板受影響最大,煤層底板的最大破壞深度為12.5～14.5 m。

(3)首采工作面初次來壓步距約30 m,周期來壓步距為18～21 m。

[1] 趙陽升,胡耀青.承壓水上采煤理論與技術(shù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2004

[2] 馮啟言.煤層開采底板破壞深度的動態(tài)模擬[J].礦山壓力與頂板管理,1998(3)

[3] 李海梅,關(guān)英斌.綜采工作面底板破壞深度的研究[J].礦山壓力與頂板管理,2002(4)

[4] 馮啟言,陳啟輝.煤層開采底板破壞深度的動態(tài)模擬[J].礦山壓力與頂板管理,1998(3)