工作面底板采動破壞深度研究

高仰斗

(煤炭工業(yè)太原設(shè)計研究院，山西省太原市， 030001)

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工作面底板采動破壞深度研究

高仰斗

(煤炭工業(yè)太原設(shè)計研究院，山西省太原市， 030001)

以新元礦9203工作面實際開采情況為背景，采用應(yīng)變法現(xiàn)場原位監(jiān)測煤層底板采動破壞深度，通過現(xiàn)場煤層底板監(jiān)測鉆孔內(nèi)不同深度的應(yīng)變傳感器采集到的采動中應(yīng)變變化規(guī)律，分析得出工作面底板采動破壞深度在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)合煤層底板實際巖層組合情況，得出底板采動破壞深度約為12.2 m，該值在現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果范圍之內(nèi)，驗證了現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果的正確性。

工作面開采 煤層底板 采動破壞 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，增加底板突水危險性。因此，準(zhǔn)確測出工作面底板采動破壞深度是承壓水上采煤的一個重要的安全問題。

目前國內(nèi)監(jiān)測底板破壞深度的措施主要有壓水試驗法、相似材料和數(shù)值模擬法、超聲波檢測法、應(yīng)變法等。從力學(xué)角度講，采動過程是一個底板巖層應(yīng)力狀態(tài)不斷調(diào)整的過程，且伴有巖層變形、位移和破壞。因此，通過在工作面現(xiàn)場實測采動中底板的應(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，投資費用低且檢測便捷。

以往學(xué)者們利用不同的方式方法對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，底板采動破壞規(guī)律方面的研究相對較少。為此，針對新元礦9203工作面特殊的地質(zhì)條件，利用應(yīng)變法現(xiàn)場原位監(jiān)測煤層底板采動過程中應(yīng)力與應(yīng)變變化規(guī)律，分析確定工作面底板采動破壞深度，再通過與數(shù)值模擬分析得出的破壞深度值相互驗證，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)簡單，節(jié)理發(fā)育。9203工作面長度150 m，可采走向長度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#煤層開采過程中探清煤層底板采動破壞深度，推算出有效隔水層厚度，成為評價9203工作面安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。

2 現(xiàn)場監(jiān)測與分析

2.1 監(jiān)測系統(tǒng)簡介

應(yīng)變法監(jiān)測是利用應(yīng)變傳感器進(jìn)行測試，通過巖層變形程度來判斷煤層底板受采動影響程度及破壞深度范圍。煤層底板巖石中裂隙在應(yīng)力場的作用下沿著結(jié)構(gòu)面移動時，底板的采動移動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)測值來反映。

在煤層開采過程中，當(dāng)?shù)装鍘r層未破壞時，傳感器受力均勻，測試數(shù)據(jù)變化相對穩(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，傳感器記錄的數(shù)據(jù)會突然增大或者采集不到數(shù)據(jù)。對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影響導(dǎo)致破壞，另一種是回采通過監(jiān)測位置時導(dǎo)線被截斷，這時采集到的數(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)測到的數(shù)據(jù)應(yīng)變變化情況來確定工作面底板巖層采動破壞深度范圍。

現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)采用應(yīng)變法監(jiān)測系統(tǒng)，由監(jiān)測鉆孔(2個)、應(yīng)變傳感器(6個)及KBJ-12應(yīng)變記錄儀組成。監(jiān)測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個應(yīng)變片，共具有12個應(yīng)變通道。應(yīng)變記錄儀是存儲應(yīng)變感應(yīng)信號的裝置，接收的信號數(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，需對數(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)場開采情況及監(jiān)測測試需要，在回風(fēng)巷中施工A、B兩個監(jiān)測鉆孔，分別位于距離9203工作面開切眼320 m和560 m位置，每個鉆孔中安設(shè)3個應(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，至上而下編號為B1、B2、B3。監(jiān)測鉆孔施工技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 監(jiān)測鉆孔施工技術(shù)參數(shù)

為防止監(jiān)測鉆孔及傳感器導(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)變量來判別9#煤層底板采動破壞情況。

2.3 監(jiān)測結(jié)果與分析

測試從工作面推進(jìn)到監(jiān)測鉆孔位置前方95 m開始，直到超過鉆孔位置25 m終止。根據(jù)礦井采煤進(jìn)度，本次監(jiān)測工作歷時25 d。應(yīng)變記錄儀的采集頻率為1次/min，本次監(jiān)測一共獲得有效數(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監(jiān)測位置后沒有數(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)線被截斷的可能，只能是受采動強(qiáng)烈擾動，在監(jiān)測位置前方就被損壞，而A3、B2、B3傳感器在監(jiān)測位置前后應(yīng)變量變化相對穩(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)變增量變化曲線見圖1。

圖1 A2、A3、B2 傳感器應(yīng)變增量變化曲線

(1)當(dāng)工作面推進(jìn)到某一距離后，鉆孔中各測點受到礦壓影響顯示出不同程度應(yīng)變感應(yīng)，前期應(yīng)變幅度值相對較小，且應(yīng)變變化相對穩(wěn)定。當(dāng)工作面推進(jìn)到鄰近監(jiān)測位置時，A鉆孔中A2傳感器波動較為強(qiáng)烈，波動幅度較大，應(yīng)變增量曲線具有很大的離散性。在監(jiān)測位置前方約4 m，A2傳感器的數(shù)據(jù)記錄終止，說明該測點位置的巖層受采動礦壓的強(qiáng)烈擾動，應(yīng)變傳感器損壞。與A3傳感器和B2傳感器作比較，整個采動監(jiān)測過程中，A3和B2傳感器波動較為穩(wěn)定，波動幅度相對較小，應(yīng)變增量曲線具有一定的規(guī)律性，這是由于應(yīng)變傳感器位置的巖層受到的采動影響主要為彈性波，巖石不會出現(xiàn)較大幅度的塑性變形。

(2)從A2和A3傳感器記錄的應(yīng)變增量變化曲線可知，煤層底板受采動礦壓影響的應(yīng)變值隨測點深度的增加而減小，即煤層底板深部受采動影響較小，淺部受采動影響較大。

(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，形成鮮明對比，可知，A3和B2傳感器位置沒受采動擾動影響破壞。A3和B2傳感器位于9#煤層底板下方16.4 m和13.5 m，均不受采動擾動破壞，說明該處巖石在采動過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，受采動擾動破壞，說明該處巖石在采動過程中會喪失承載力。

綜上分析，可將9203工作面9#煤層底板采動破壞深度確定在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破壞深度及影響范圍，利用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，通過應(yīng)力分布及塑性區(qū)范圍來判斷煤層底板破壞深度。根據(jù)井下工作面實際開采情況，對工作面地質(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個巖組，其巖層物理力學(xué)參數(shù)見表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。整個模型共劃分為76440個節(jié)點和69650個單元。為使模型與現(xiàn)場開采一致，F(xiàn)LAC3D軟件模擬過程設(shè)置分步開挖，沿采煤走向分步進(jìn)行，單次推進(jìn)長度為8 m，模擬了工作面推進(jìn)過程中底板受力情況。采動下有效應(yīng)力分布見圖2，底板塑形區(qū)范圍見圖3。

表2 模型巖層物理力學(xué)參數(shù)

圖2 采動下有效應(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不及釋放煤體中儲存的應(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，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)合煤層底板實際巖層組合及強(qiáng)度情況，可推斷出該煤層底板采動破壞深度約為12.2 m。

圖3 塑形區(qū)范圍

4 結(jié)論

(1)通過現(xiàn)場兩個監(jiān)測鉆孔內(nèi)不同深度的應(yīng)變傳感器采集到采動過程中應(yīng)變變化情況，確定工作面煤層底板采動破壞深度在11.5～13.5 m之間。

(2)數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測相驗證，通過對模擬結(jié)果的應(yīng)力分布及塑性區(qū)范圍分析，得出煤層底板采動破壞深度約為12.2 m。該值在現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果范圍之內(nèi)。

(3)通過對9203工作面煤層底板采動破壞深度的監(jiān)測分析和數(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，評價出該區(qū)煤層開采中不存在突水危險，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)。

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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.工作面底板采動破壞深度研究[J].中國煤炭，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，高級工程師，現(xiàn)主要從事采礦工程礦井設(shè)計工作。