小紀汗煤礦11203工作面開采底板巖體破壞深度研究

付志鵬,嚴克伍，曾新平，歐陽德良

(核工業(yè)井巷建設(shè)集團公司，浙江 湖州 313000)

隨著我國煤礦產(chǎn)量的增加，煤礦開采強度不斷提升[1-3]，煤層下的承壓水沖破底板隔水層的阻礙，以突發(fā)、緩發(fā)或滯發(fā)的形式進入工作面，造成礦井涌水量增加或淹井的災(zāi)害，此威脅日益嚴重[4-7]。因此，為盡量減少或避免承壓區(qū)煤層開采引發(fā)的突水事故，對底板巖體采動破壞深度探測就尤為關(guān)鍵[8]。

基于以上問題，本文通過分析陜北榆橫礦區(qū)小紀汗煤礦2號煤11203工作面底板巖性特征，運用底板破壞規(guī)律彈性理論和數(shù)值模擬，得出了底板巖體采動破壞深度，并結(jié)合現(xiàn)場工程實測，得出底板巖體采動破壞深度，為避免底板突水災(zāi)害提供依據(jù)。

1 煤層底板水文地質(zhì)條件

小紀汗煤礦2號煤11203工作面直羅組底板“七里鎮(zhèn)砂巖”及其上覆2～3層中細砂巖含水層為工作面回采時的直接充水含水層。通過探放水鉆孔揭露該含水層時的特點：幾乎孔孔見水，含水層富水均一；平均單孔涌水量為3～6m3/h，富水性弱-中等；鉆孔涌水量干擾不明顯，含水層具有較補給穩(wěn)定或?qū)暂^弱。且由11采區(qū)北翼東西向水文地質(zhì)剖面圖1可知：2號煤含水層已經(jīng)與連續(xù)、穩(wěn)定的厚層底板砂巖裂隙水含水層合二為一，并接受東側(cè)淺部露頭的側(cè)方補給，具備直接或間接得到順層、越流補給的可能，這也是疏放水后煤層含水層仍然底部緩慢滲水的主要原因。

圖1 11采區(qū)北翼第16號水文地質(zhì)剖面

2 底板破壞規(guī)律彈性理論分析

由彈性力學理論及疊加原理可知，自由邊界上受均布載荷作用如圖2所示。

圖2 底板受均布載荷作用

應(yīng)力解析公式為:

(1)

根據(jù)式(1)可以看出底板不同深度處各水平面上以載荷中心點下部軸線處的σx最大，σx隨深度增加而減小。而σy和τxy的影響范圍均較淺，最大剪應(yīng)力值出現(xiàn)在載荷作用的邊緣，所以，采場邊緣下部的巖體最易發(fā)生剪切變形。

則令α=θ2-θ1，將式(1)代入計算主應(yīng)力的公式，可得底板巖體的主應(yīng)力：

(2)

(3)

(4)

巖體在多向應(yīng)力作用下發(fā)生破壞時服從Mohr-Coulomb破壞準則σ1-Kσ3=Rc，將式(4)代入可得：

(5)

(6)

根據(jù)上述小紀汗煤礦11203工作面2號煤賦存情況，計算可得開采煤層底板最大破壞深度h1為18.5m。

3 底板巖體采動破壞深度數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型的建立

根據(jù)小紀汗煤礦2號煤11203工作面圍巖的工程地質(zhì)條件和巖石力學試驗結(jié)果，考慮到不同圍巖結(jié)構(gòu)的巖石力學特性，數(shù)值模擬采用摩爾-庫侖模型對巖石的破壞進行計算，模型尺寸為240m×180m×80m(長度×寬度×高度)。煤層采厚較小，模型兩側(cè)為側(cè)向邊界，下部邊界限制垂直位移，上部施加350m等效上覆巖石自重應(yīng)力。11203工作面頂?shù)装鍘r層按巖性和完整性劃分為13個工程地質(zhì)層組，各巖組物理力學參數(shù)見表1。模型自下而上劃分出13個工程地質(zhì)單元，共有165120個單元和174988個節(jié)點，如圖3所示。

表1 物理力學計算參數(shù)

圖3 11203工作面數(shù)值模型

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

為了模擬煤層開采對底板的影響，數(shù)值模型沿走向開采，選用一次采全厚開采方式。工作面斜長為240m，工作面推進總長度取220m，分6步推進，在模型達到最終平衡后進行下一步開采，每次推進20m。

3.2.1 底板變形特征

工作面推進不同距離時不同區(qū)域底板垂直位移的變化如圖4所示。底板最大垂直位移隨工作面推進距離的變化曲線如圖5所示。

從圖4中可以看出，隨著工作面不斷推進，底板出現(xiàn)底鼓變形，且隨著采空區(qū)范圍的擴大，底鼓變形越來越嚴重。在切眼和工作面前端由于出現(xiàn)應(yīng)力集中，此處底板垂直位移向下。底板的壓縮區(qū)、膨脹區(qū)和恢復區(qū)不斷按周期重復出現(xiàn)，在壓縮區(qū)與膨脹區(qū)的交界處，底板巖體容易產(chǎn)生剪切變形而發(fā)生剪切破壞，在此處底板最容易發(fā)生突水事故。

從圖5可以看出，隨著工作面的推進，垂直位移由2.5mm逐漸增大，當工作面推進了60m時出現(xiàn)了最大垂直位移約6.5mm，產(chǎn)生了初次來壓，隨后位移在6.5mm左右波動而不再增大。

圖4 底板垂直位移的變化

圖5 最大垂直位移隨推進距離變化曲線

3.2.2 底板塑性區(qū)分布特征

由底板變形特征分析得到工作面推進至60m時底板變形最大，圖6分別給出了在開挖到60m時，底板不同深度的塑性區(qū)的分布圖。

圖6 底板不同深度的塑性區(qū)的分布

由圖6可以看出，底板塑性區(qū)隨著深度的變化范圍逐漸減小，由采空區(qū)四周剪切破壞中間拉張破壞的呈面狀破壞形式逐漸演化為四周剪切破壞的點狀破壞形式，由于煤層底板承壓水是從弱面進入底板，而不是均勻進入，在判斷底板破壞深度時以點狀破壞所處的最大深度為準，由此從圖6可以看出11203工作面底板破壞深度為18.5m。

4 工程實測

基于小紀汗井田實際采礦地質(zhì)條件，結(jié)合煤礦物探方面的“應(yīng)力-應(yīng)變法”，研究分析底板破壞時巖體的臨界應(yīng)力-應(yīng)變值，最終得出小紀汗煤礦底板破壞深度。

4.1 工程布置

根據(jù)工作面及周圍巷道的布置情況及地質(zhì)條件，在11203工作面靠近膠運巷的7聯(lián)巷端口垂直底板打直立鉆孔，見圖7，并將4個感應(yīng)探頭分別以距底板16m，18m，20m和22m埋設(shè)其中，用加工好的鋼管包裹導出的信號線，平行穿過7號聯(lián)巷，通向輔運巷，連接應(yīng)力-應(yīng)變計，當工作面推過鉆孔前后，以5m為步距，對不同深度感應(yīng)器的應(yīng)力-應(yīng)變值進行記錄和統(tǒng)計，判斷煤層開采底板的破壞情況。

圖7 鉆孔工程布置

4.2 探測結(jié)果分析

對距切眼50m處完成底板應(yīng)力應(yīng)變試驗，經(jīng)過后期的數(shù)據(jù)處理與分析，得出底板采動破壞深度現(xiàn)場實測試驗觀測結(jié)果，如圖8～11所示。

圖8 不同推進距離時垂深16m底板對應(yīng)微應(yīng)變

垂深16m測點：在監(jiān)測初始階段，應(yīng)變基本不變，工作面推進20m后，應(yīng)變曲線開始出現(xiàn)劇烈波動，超前感應(yīng)距為30m。工作面推至40m附近時，曲線基本在應(yīng)變峰值。隨著工作面繼續(xù)推進應(yīng)變呈下降變化后趨于平緩，至工作面推進超過觀測孔10m左右觀測不到數(shù)據(jù)，分析認為此深度范圍內(nèi)底板巖體受到明顯破壞。

圖9 不同推進距離時垂深18m底板對應(yīng)微應(yīng)變

圖10 不同推進距離時垂深20m底板對應(yīng)微應(yīng)變

圖11 不同推進距離時垂深22m底板對應(yīng)微應(yīng)變

垂深18m測點:自監(jiān)測開始工作面推進20m左右，應(yīng)變值有輕微波動，即超前感應(yīng)距為30m，隨后一直到工作面推進到40m處，應(yīng)變值基本不發(fā)生明顯的變化，底板只發(fā)生微小變形。工作面推至40m左右時直接頂?shù)某醮慰迓鋵Φ装遄冃萎a(chǎn)生影響導致應(yīng)變值波動。在工作面推至該觀測孔時，應(yīng)變值呈上升趨勢，之后又呈緩慢下降直到工作面超過觀測孔10m左右趨于平緩，但此后觀測不到數(shù)據(jù)，分析該深度巖體遭到一定程度破壞。

垂深20m，22m測點:自監(jiān)測之日起到工作面推至該探測孔，探測應(yīng)變值分別在20m與40m處出現(xiàn)突然變化，分析認為超前應(yīng)力感應(yīng)20m與直接頂?shù)目迓渌鶎е?。推過該孔14m左右時應(yīng)變突然增大，后又下降，這充分說明基本頂初次來壓時對底板變形的影響和基本頂初次來壓步距在64m左右。這2個深度底板變形處于彈性變形范圍內(nèi)，表明底板未發(fā)生破壞。

綜上所述，底板“應(yīng)力-應(yīng)變”探測結(jié)果為：底板擾動深度在18～20m之間。

5 結(jié) 論

(1)通過底板破壞規(guī)律彈性理論計算，應(yīng)用數(shù)值模擬軟件模擬，工程現(xiàn)場“應(yīng)力-應(yīng)變法”物探法實測2號煤底板采動破壞深度，綜合分析得到2號煤開采底板最大破壞深度約為18.5m。

(2)對2號煤層下的承壓水沖破底板隔水層的阻礙，以突發(fā)、緩發(fā)或滯發(fā)的形式進入工作面，造成礦井涌水量增加或淹井的災(zāi)害的預防提供數(shù)據(jù)支撐。

(3)對煤層底板為砂巖裂隙含水層類似礦井的開采過程中采動底板破壞深度探測具有借鑒意義。