傾斜工作面底板破壞深度計算方法研究

沈 浩，吳偉寧，張 波

遼寧工程技術大學 研究生院，阜新 123000

隨著我國采礦技術和科技水平的發(fā)展，超長工作面、大采深工作面的數量連年增多，在我國出現(xiàn)的底板水害問題也不斷增加，問題也受到了業(yè)內眾多專家學者的關注和重視（彭賜燈，2015）。在底板水害預測預報方面，經過眾多專家學者多年的努力和研究，我國的底板水害研究取得了豐碩的成果。武強教授應用脆弱性指數法和GIS系統(tǒng)等，提出了“三圖雙預測”方法（武強等，2000，2007），姜振泉教授和段宏飛等提出了帶壓開采底板突水的評判方法（段宏飛等，2011；段宏飛，2012，2014），王連國教授和孫建等對傾斜煤層底板破壞特征及突水機理進行了深入的研究（孫建等，2011）。底板破壞是造成水害的一個最重要原因，對底板破壞深度的預測尤為重要?？妳f(xié)興教授、姜耀東教授和劉樹才等對采動底板破壞規(guī)律進行了深入研究（呂春峰等，2003；張平松等，2006；劉樹才，2008；劉樹才等，2009；姜耀東等，2011），施龍青教授和于曉鴿等對底板破壞深度進行了多因素分析，建立了多因素底板破壞深度計算模型（施龍青和韓進，2005；于小鴿等，2009；于小鴿，2011；施龍青等，2013），郭文兵等建立了基于BP神經網絡的底板破壞深度預計模型（郭文兵等，2003；魯海峰和姚多喜，2014）。

以上專家學者在破壞帶深度確定方法方面取得眾多突破，但在確定底板破壞帶深度的研究道路上還有很多的事情要做，提高底板破壞帶的計算精度仍然是不斷改進追求的一個方向。

1 底板破壞范圍

分析工作面采后底板破壞和應力分布，一般可以應用斷裂力學的分析方法，采后底板應力分布如圖1所示。工作面的底板由于采動影響，使得應力重新分布，應力集中在煤壁兩側，使得煤壁處支承壓力增大，在采空區(qū)形成一個應力降低區(qū)。圖1中①區(qū)為主動主應力區(qū)，②區(qū)為過渡區(qū)，③區(qū)為被動應力區(qū)。由于支承壓力影響而形成的破壞深度增加，在煤壁兩側的破壞深度要遠大于工作中間位置，最大的破壞帶深度一般都集中在過渡區(qū)內。

圖1 底板應力分布及破壞范圍示意圖Fig.1 Sketch map of stress distribution in floor and broken range

2 底板破壞深度計算公式建立

當煤層傾角在0° — 30°時，開采后采場形成如圖2所示的力學模型，在煤壁處形成應力集聚，由于煤層傾角的存在，應力場的分布與水平工作面應力場有很大的區(qū)別，傾斜工作面上部和下部的應力場也存在著差別。

圖2 煤層傾角不為0°時底板受力模型Fig.2 Mechanical model of floor in inclined coal seam

采用westergard應力函數對工作面采后的應力場進行分析，應力場函數為：

通過式(1)可以求得傾斜上方處應力函數σ1和傾斜下方處的應力函數σ2：

對式(2)進行求解，得到傾斜上下位置應力場邊緣函數：

式中：γ為巖體平均容重，單位kN ? m?3；H為采深，單位m；L為工作面斜長，單位m；h為破壞帶深度，單位m。

根據mohr-coucomb破壞準則，在平面應力狀態(tài)下σ1,2= σc（σc為巖體抗壓強度）時底板破壞。可得到傾斜下方邊緣破壞深度和傾斜上方邊緣破壞深度：

通過上式可以看出破壞帶深度與巖體容重、采深、工作面斜長成正比，與巖體抗拉強度成反比。為分析煤層傾角對斷裂帶深度的影響，假設為定值1時，煤層傾角對斷裂帶深度的影響如圖3所示，從圖中可以看出煤層傾角的變化范圍是0° — 30°時，傾斜上方的破壞帶深度隨傾角增大而減小，傾斜下方的破壞帶深度隨傾角增大而增大。當工作面為水平工作面時上方和下方的破壞帶深度相同，當為傾斜工作面時傾斜下方的破壞帶深度要大于傾斜上方的破壞帶深度，而且傾角越大現(xiàn)象越明顯。

圖3 破壞帶深度與煤層傾角變化曲線Fig.3 Varying curve of depth of failing zone vs dip angle of coal seam

3 突水點位置分析

傾斜工作面的上下位置雖然存在著標高差，但由于埋深比標高差要大得多，而且地表標高也存在著差異，所以視傾斜工作面上下位置的原巖應力相等。收集全國范圍內的突水點與煤層傾角的統(tǒng)計數據進行分析，統(tǒng)計突水點時只選擇由于底板破壞造成的突水案例進行分析。由于工作面的長度不同，按照突水點“比例位置”進行分析，0為傾斜工作面的最下部，1為傾斜工作面的最上部，0 — 0.3視為工作面下部，0.3 — 0.7視為工作面中部，0.7 — 1.0視為工作面上部，分析數據整理列于圖4，橫坐標為突水點的位置，縱坐標為煤層傾角。從圖中可以看出突水事故的突水點位置72%集中在工作面的下部，而且當煤層傾角大于10°小于30°時突水事故的突水點位置79%集中在下部，說明下部破壞帶深度較大，傾角變大對破壞帶深度的影響更為明顯。

4 實測數據分析煤層傾角對破壞帶深度影響

收集全國各礦區(qū)的43組破壞帶深度與煤層傾角的統(tǒng)計數據，其中測得的破壞帶最大深度都是在傾斜工作的下方。破壞帶深度隨著煤層傾角的變化關系，如圖5所示。從圖中可以看出當煤層傾角的變化范圍是0° — 30°時隨著煤層傾角的變大，破壞帶的深度呈現(xiàn)遞增的規(guī)律。

圖4 突水點位置分布圖Fig.4 Distribution of water inrush point

圖5 實測數據煤層傾角對破壞帶深度影響曲線Fig.5 Influence curve of measured dip angle of coal bed on depth of broken zone

5 計算公式質量檢驗

收集破壞深度實測數據，并對收集的數據進行挑選，選擇的數據都是無斷層影響、無原生裂隙影響和無重復采動等影響。破壞帶深度都是工作面測量的最大值，并且測量到的最大值位置都是位于傾斜工作面的下方。整理《三下規(guī)程》和《煤礦防治水規(guī)定》中記載的國內礦井破壞帶深度及地質采礦煤巖參數統(tǒng)計數據，共10組樣本數據，見表1。

用式(4)計算的誤差平均值為1.20 m，從表2的對比結果可以看出，最大誤差為2.49 m，最小誤差為0.01 m，說明式(4)的計算精度較高，符合工程應用的要求。

表1 樣本數據影響參數與破壞帶深度統(tǒng)計表Tab.1 Statistical table of sampled data affected parameter and depth of broken zone

表2 公式計算誤差對比Tab.2 Error comparison of formula

6 結論

（1）通過分析我國各個礦區(qū)的突水點位置的統(tǒng)計數據，得出突水點多集中在傾斜工作面的下部位置，而且煤層傾角越大，突水點位置集中在下部的概率越大，說明了底板破壞帶的深度受到了煤層傾角的影響；

（2）分析收集的煤層傾角與破壞帶深度的數據，得出當煤層傾角在0° — 30°時，破壞帶深度隨著煤層傾角的增大而增大；

（3）通過力學模型推得，建立了當工作面傾角在0° — 30°時傾斜工作面上方和下方的破壞帶深度計算公式，當煤層傾角逐漸增大下方的破壞帶深度變大，上方破壞帶深度變小，下方破壞帶深度大于上方的破壞帶深度。并進行實測數據的檢驗，得出該公式的計算精度較高，符合現(xiàn)場應用的要求。