帶壓開采煤層底板破壞突水規(guī)律

張培森 ，安羽楓 ，武守鑫 ，趙亞鵬 ，魏 杰 ，王文苗

（1.礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266590；2.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島266590）

隨著開采深度的不斷增加，承壓水上開采的工作面也日益增多[1-6]。帶壓開采雖具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如對(duì)環(huán)境影響小，避免大規(guī)模破壞地下水資源，開采成本低[7-10]等，但是開采風(fēng)險(xiǎn)較大，因此開展承壓水條件下工作面底板破壞突水規(guī)律的研究具有重要意義。為防治工作面突水，國(guó)內(nèi)外許多專家和學(xué)者對(duì)底板破壞突水機(jī)制做出了大量研究工作，提出了多種底板破壞理論和預(yù)測(cè)方法[11-21]，例如板模型理論[11]、突水系數(shù)法[13]、關(guān)鍵層理論[16]等。本次采用相似材料模擬試驗(yàn)，充分考慮固液耦合[17-21]的綜合影響，對(duì)承壓水上開采的煤層底板破壞突水過(guò)程進(jìn)行研究，以得到底板從原始狀態(tài)到裂隙生成、裂隙擴(kuò)展、貫通，再到最終形成導(dǎo)水通道的全過(guò)程；揭示底板破壞突水的規(guī)律，為保障承壓水上的安全開采提供參考依據(jù)。

1 模型設(shè)計(jì)

Ⅱ632工作面是恒源煤礦二水平采區(qū)的首采工作面，走向長(zhǎng)為 1 725.3 m，傾斜寬 185 m，最大標(biāo)高-596.9 m，最低標(biāo)高-780 m，是目前恒源煤礦最深的工作面。因埋藏深，太灰水水壓高，工作面突水系數(shù)Ts[13]為0.11 MPa/m，突水危險(xiǎn)性較大。依據(jù)相似理論，結(jié)合地質(zhì)資料，本次試驗(yàn)確定的相似比[17]為：幾何相似比 Cl＝1∶100，密度相似比 Cρ＝1∶1.5，應(yīng)力相似比 Cσ＝1∶150，時(shí)間相似比 Ct＝1∶10，彈模相似比 CE＝Cl×Cρ＝1∶150，強(qiáng)度相似比 Cσc＝Cl×Cρ＝1∶150，泊松相似比 Cμ＝1∶1。設(shè)計(jì)模型尺寸為 190 cm×22 cm×140 cm，模型中煤層厚度為3 cm，含水層厚度為4 cm，煤層到含水層的距離為50 cm，上覆巖層厚度80 cm。模型上部使用試驗(yàn)架上的伺服液壓加載裝置進(jìn)行加壓，以補(bǔ)償因模型高度限制而缺少的46.46 kN載荷。承壓水水壓為5.18 MPa，則模型模擬水壓為0.034 5 MPa，通過(guò)穩(wěn)壓泵維持模擬所需的水壓不變。在模型中，煤層下方15 cm處水平布置1排間距為20 cm的應(yīng)力測(cè)點(diǎn)1-1～1-6。模型設(shè)計(jì)如圖1。

圖1 模型設(shè)計(jì)圖（單位：cm）

2 模型鋪設(shè)及開挖

以Ⅱ632工作面的地質(zhì)資料為參考，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牟牧线x用海沙（骨料）、碳酸鈣（膠結(jié)劑）和石灰（調(diào)節(jié)劑）按照一定的配比混合而成，試驗(yàn)各巖層的物理力學(xué)性質(zhì)參見表1（由于本試驗(yàn)重點(diǎn)研究斷層下盤，所以表中只給出下盤的巖層信息）。

表1 下盤各巖層的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表

承壓水導(dǎo)升設(shè)備實(shí)物圖如圖2。模型鋪設(shè)時(shí)，首先用螺母和寶塔型接頭將打好孔的水袋與導(dǎo)升管相接，如圖2（a）和圖2（b）。

圖2 承壓水導(dǎo)升設(shè)備實(shí)物圖

導(dǎo)升管采用內(nèi)徑4 mm的薄壁軟管，在指定高度用三通將軟管連接，在垂直于導(dǎo)升管的方向接出1條水位觀察軟管。水袋外接穩(wěn)壓泵來(lái)維持整個(gè)開采過(guò)程中的水壓恒定。最后保持導(dǎo)升管垂直向上，如圖2（d），按照設(shè)計(jì)好的厚度和配比逐層鋪設(shè)。鋪設(shè)過(guò)程中由于材料的擠壓壓實(shí)，導(dǎo)升管自然閉合，當(dāng)采動(dòng)影響導(dǎo)致底板破壞，軟管會(huì)在水壓的作用下張開導(dǎo)水，這就模擬了承壓水在隔水層破壞情況下的導(dǎo)升現(xiàn)象。模型鋪設(shè)完畢后實(shí)物圖如圖3。為了得到預(yù)設(shè)的材料強(qiáng)度，需要將模型進(jìn)行晾曬處理。根據(jù)試驗(yàn)當(dāng)時(shí)的氣溫和濕度條件，此次的晾曬時(shí)間定為3 d。晾曬完畢即可進(jìn)行模擬開采。在考慮邊界效應(yīng)的基礎(chǔ)上，選取工作面切眼位于距離模型左側(cè)邊界12 cm處。共設(shè)20個(gè)開挖步，每隔30 min開挖1次，每次開挖5 cm。

圖3 模型實(shí)物圖

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 隔水層應(yīng)力變化情況及破壞規(guī)律

底板隔水層的垂向位移和垂向應(yīng)力分布情況如圖4和圖5（圖中數(shù)據(jù)為經(jīng)過(guò)幾何相似比和應(yīng)力相似比換算后得出）。用全站儀對(duì)煤層下方10 cm處的1行位移反光片進(jìn)行測(cè)量得到底板最大垂直位移變化曲線（圖4）。由圖4可知，工作面開采伊始，底板鼓起量較小，在工作面推進(jìn)0～40 m的范圍內(nèi)可以認(rèn)為底板基本沒有鼓起，底板的完整性較好，受采動(dòng)影響較弱。工作面推進(jìn)到60 m時(shí)，底鼓量出現(xiàn)1個(gè)相對(duì)明顯的變化，當(dāng)工作面推進(jìn)到80 m時(shí)底鼓量增加較大，當(dāng)工作面推進(jìn)到100 m時(shí)底鼓量已經(jīng)升到1 000 mm，這時(shí)底板已經(jīng)被破壞，隔水層失穩(wěn)，并且隨著工作面的推進(jìn)，底鼓量的峰值位置也在前移。

對(duì)應(yīng)力傳感器1-1～1-6采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到底板隔水層垂直應(yīng)力變化曲線（圖5）。由圖5可知，隨著工作面的推進(jìn)，底板隔水層經(jīng)歷先加載后卸載的過(guò)程，原工作面前方的應(yīng)力峰值區(qū)不斷前移。在開挖過(guò)程中觀察到，采空區(qū)底板隔水層上部的兩端位置在壓剪應(yīng)力作用下產(chǎn)生采動(dòng)裂隙；下部則由于承壓水的作用而產(chǎn)生導(dǎo)升裂隙。隨著新的應(yīng)力峰值的不斷增大，采空區(qū)底板隔水層在兩端位置的裂隙也不斷發(fā)育。

圖5 底板隔水層垂直應(yīng)力變化曲線

3.2 底板突水通道形成過(guò)程

工作面推進(jìn)到40 m時(shí)，煤層底板出現(xiàn)細(xì)微裂隙，當(dāng)工作面推進(jìn)到60 m時(shí)，底板裂隙加深，擴(kuò)展到工作面以下6～8 m處，工作推進(jìn)到60 m時(shí)的底板破壞情況如圖6。

當(dāng)工作面推進(jìn)到80 m時(shí)，裂隙進(jìn)一步發(fā)育并向深部擴(kuò)展，采空區(qū)中部隔水層下部也在承壓水的作用下出現(xiàn)裂隙，承壓水向上導(dǎo)升，距離含水層最近的水位觀察管開始出現(xiàn)滴水現(xiàn)象，工作面推進(jìn)80 m時(shí)水位測(cè)量管滴水情況和隔水層裂隙發(fā)育情況如圖7。

當(dāng)工作面推進(jìn)到100 m時(shí)，采空區(qū)到含水層之間的巖層被裂隙貫通，橫向與縱向裂隙并存，工作面推進(jìn)100 m時(shí)底板裂隙發(fā)育情況如圖8。

圖7 工作面推進(jìn)80 m時(shí)水位測(cè)量管滴水情況和隔水層裂隙發(fā)育情況

圖8 工作面推進(jìn)100 m時(shí)底板裂隙發(fā)育情況

試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)模型采用分層拆解的方式進(jìn)行拆除，可以明顯看到模型內(nèi)部的貫通裂隙發(fā)育情況。采空區(qū)底板兩端受到壓剪應(yīng)力作用，隔水層底部受到承壓水的拉剪應(yīng)力作用，巖層內(nèi)部會(huì)由于錯(cuò)位出現(xiàn)裂隙。裂隙在沿推進(jìn)方向發(fā)育的同時(shí)也沿傾向發(fā)育，并且在深度方向上也不斷擴(kuò)展，逐層拆解模型時(shí)不同深度的底板裂隙形態(tài)如圖9。裂隙總體呈現(xiàn)出樹枝狀的三維結(jié)構(gòu)。采空區(qū)底板上部裂隙向下發(fā)展，含水層頂部裂隙向上發(fā)展，最終貫通后導(dǎo)致底板突水。

圖9 逐層拆解模型時(shí)不同深度的底板裂隙形態(tài)

4 結(jié)論

1）運(yùn)用自主設(shè)計(jì)的承壓水導(dǎo)升模擬裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)承壓水導(dǎo)升水位的監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)模型分層拆解的方法，觀察到底板裂隙在內(nèi)部成樹枝狀發(fā)育。

2）分析試驗(yàn)結(jié)果得到，采空區(qū)底板兩端較容易形成導(dǎo)水的貫通裂隙。采空區(qū)的長(zhǎng)度隨著工作面的向前推進(jìn)而增加時(shí)，采空區(qū)附近的底板處于卸壓狀態(tài)，而兩端承受著支撐壓力，因此兩端受壓剪應(yīng)力而產(chǎn)生裂隙；隔水層底部巖層則在承壓水作用下，主要承受拉剪應(yīng)力而產(chǎn)生導(dǎo)升裂隙，隨著工作面推進(jìn)，這兩方面裂隙逐漸發(fā)育直至貫通，導(dǎo)致突水。

3）底板突水實(shí)際上是在礦山壓力和承壓水水壓的共同作用下采空區(qū)底板巖層從裂隙初生、發(fā)育擴(kuò)展到最終貫通的過(guò)程。