厚煤層放頂煤開采工作面底板破壞深度研究

鄭 綱

(中煤科工集團西安研究院有限公司，西安 710054)

工作面頂板來壓前后, 工作面端部底板是破壞深度較大處, 對底板存在承壓含水層的煤層也是易發(fā)生透水的危險地段。對于受底板奧灰水威脅的礦井，底板破壞深度是進行底板突水危險性評價的重要指標。對于薄及中厚一次采全高的綜采工作面，許多地方已經(jīng)測試了底板破壞深度，但對厚煤層放頂煤開采工作面底板破壞深度，工作面突水危險性評價時，主要引用薄及中厚一次采全高的綜采工作面測試數(shù)據(jù)，影響了評價的準確性。另外以往測試數(shù)據(jù)主要位于工作面巷道一側(測點距離巷道10～12m)，對于工作面內部只是從礦壓理論上分析認為工作面中部小于兩側，缺乏測試數(shù)據(jù)。本文以黃玉川216上01工作面為例，設計底板破壞深度測試實驗，取得了厚煤層放頂煤開采工作面底板破壞深度測試數(shù)據(jù)。

1 61上01工作面頂?shù)装逅牡刭|條件分析

6上號煤層：位于太原組上部，為井田內主要可采煤層，煤厚2.45～20.25m，平均12.37m，含夾矸1～12層，一般為3～6層，與5號煤層間距35.01～70.81m，平均58.28m，全井田可采，煤層向西、向南有逐漸變厚趨勢，厚度變化不大。煤層穩(wěn)定類型確定為較穩(wěn)定煤層。

根據(jù)單孔柱狀，6上煤層直接頂板巖性以細粒砂巖為主，厚8.12m左右，灰色，巨厚層狀，以石英為主，長石次之。分選中等，次棱角狀，水平層理，斷口平坦，垂直裂隙發(fā)育，無充填物，局部含植物化石碎片，堅硬。細粒砂巖單軸抗壓強度43.18 MPa，飽和抗拉強度1.36 MPa，飽和抗剪斷強度3.84 MPa，普氏硬度3.04。

直接底板為灰褐色泥巖。以膠嶺石為主，層面可見少量云母碎片，無層理，裂隙不發(fā)育，階梯狀斷口，泥質膠結，有滑痕，性脆。泥巖單軸抗壓強度42.17MPa，飽和抗拉強度0.621 MPa，飽和抗剪斷強度2.80 MPa，普氏硬度2.43。

216上01工作面內奧灰水位約在+871.0～876.0m之間，底板標高約840m～980m。工作面北部、煤層標高+882.525m以下的區(qū)域處于奧灰?guī)簠^(qū)。

根據(jù)補勘鉆孔資料取奧灰頂界面為水壓作用點，計算出突水系數(shù)，216上01工作面底板隔水層奧灰水壓最大為1MPa，突水系數(shù)0～0.017MPa/m，遠小于臨界突水系數(shù)0.06 MPa/m，一般情況下不會發(fā)生突水。

2 測試方法

煤層底板巖層破裂深度的研究中，可以采用的方法[2]有鉆孔聲波、鉆孔電磁波、鉆孔超聲成像和鉆孔注水試驗、數(shù)值模擬、微震監(jiān)測等方法，現(xiàn)場壓水實驗是常用的直接測試法。

現(xiàn)場壓水試驗是通過鉆孔壓水，觀察水量變化來確定裂隙發(fā)育的方法。具體試驗過程為：首先在需要試驗的地段首先進行鉆孔，留下測試段封閉鉆孔其余部分或是采用止水塞隔離出測試段，最后利用水泵進行壓水測試、記錄。壓水試驗有水利水電方面的《壓水試驗規(guī)程》可以參考，本次底板破壞帶擬采用鉆孔注水試驗法進行觀測，就是通過鉆孔壓水，觀測采前及采后鉆孔水量變化來確定裂隙發(fā)育情況。

水利水電中的壓水試驗主要是測量巖體的滲透性，基本試驗過程就是在試驗層位開孔，利用一定壓力進行注水，測量在一定壓力下，注水的量，從而確定巖體的滲透性。測量底板破壞深度，一般采用頂水頭下的注水試驗，注水壓力比較小，相對測試巖體滲透性較為簡單，試驗過程、試驗結果處理等也較水利水電方面的《水電水利工程鉆孔壓水試驗規(guī)程》(DL/T 5331-2005)簡單。

2.1 試驗過程

測試方法：雙栓塞分段壓水試驗

雙栓塞分段壓水試驗就是把測試段兩端封閉，對測試段進行壓水試驗，測定鉆孔各段的漏失流量，以此了解巖石的破壞松動情況，確定煤層底板的破壞深度。當注水壓力一定時，注水流量的大小取決于巖體的滲透性，經(jīng)驗表明對于未遭受破壞的泥巖、砂巖組合，每分鐘的注水量只有1升左右，而在底板巖層在采動壓力下發(fā)生破壞的巖體，每分鐘注水量可達20L。本工程測試段長度約2m，從孔底至孔口逐段測試?？卓诎惭b壓力表，試驗時孔口壓力P=0.2MPa，壓水時間為15～20min，觀察每隔5min記錄一次(格式按照設計表格記錄)，每次測試讀取3～4組數(shù)據(jù)。

測試裝置：壓水裝置采用中煤科工集團西安研究院有限公司的壓水儀器進行，如圖1所示：

圖1 壓水裝置示意圖Figure 1 A schematic diagram of water injection installation

2.2 試驗步驟

①接好測試儀器。按照圖1示意，接好測試儀器。

②接上鉆桿下入止水塞到測試段。在連接過程中，鉆桿和鉆桿之間及鉆桿和止水塞之間利用螺絲連接，在連接及測試過程中禁止反向轉動。關閉全部閥門，準備開始測試。

③止水塞加壓。在止水塞確認下入預定測試段位置后，止水塞開始加壓。加壓過程：打開閥門1、4，止水塞開始加壓，壓力表3的壓力為1.5～2MPa時，加壓結束，關閉閥門4；若止水塞的壓力小于1.5MPa，在壓力泵內加水對止水塞加壓。

④壓水觀測。當止水塞封閉后，開始壓水。打開閥門2，觀查壓力表2，確定壓力表讀數(shù)基本穩(wěn)定在測試設計壓力后，開始測試，測試過程一般需要15～20min。每5min記錄流量表流量，觀測4～5次，如每兩次間隔壓入水量變化較大，超過10%，多觀測一組。待觀測、記錄結束后，檢查員檢查記錄無誤，共同簽字確認，確保記錄準確、清晰。

⑤止水塞泄壓。壓水觀測完畢后，關閉1號閥門，打開閥門3、4，止水塞開始泄壓。待壓力卸完后，移動鉆桿至下一測試段，然后重復步驟2，開始下一段測試，直至測試結束，最后取出鉆桿和止水塞。

3 底板破壞深度測試設計

3.1 鉆孔布置

測試鉆場位于在261上01工作面輔運巷6.5聯(lián)巷附近，鉆場內布置3個鉆孔，分別為CS4、CS5、CS6號孔分別鉆至01工作面底板垂深40m位置。剖面圖見圖2，工作面東西向傾角-7°，施工中對鉆孔傾角參數(shù)統(tǒng)一減小7°。

圖2 216上01工作面二號鉆場測試鉆孔布置示意圖Figure 2 A schematic diagram of coal face No.216U01 drilling site No.2 testing borehole layout

3.2 施工工藝

本工程在黃玉川煤礦216上01工作面輔運巷進行，工藝流程：鉆孔定位→開孔鉆進6.5m→安設Φ108mm孔口管→漿液凝固→耐壓試驗→鉆至設計深度→沖洗鉆孔→安裝壓水裝置→進行壓水試驗→封孔。

3.3 鉆孔結構

由于黃玉川煤礦存在底板水的威脅，因此本次底板破壞深度探測的鉆孔均安裝6m長Φ108mm孔口管。施工中為減少鉆探過程中鉆孔軌跡的下沉量，鉆探施工采用φ94mmPDC鉆頭配φ74mm鉆桿，裸孔徑為95mm。其鉆孔參數(shù)如圖3所示。

圖3 二號鉆場測試鉆孔參數(shù)示意圖Figure 3 A schematic diagram of drilling site No.2 testingborehole parameters

4 測試數(shù)據(jù)分析

4.1 CS-4號鉆孔

通過對CS-4號鉆孔在工作面回采過程中各段的漏失流量進行測定，分別得到了鉆孔每次測試的測試數(shù)據(jù)記錄表，根據(jù)各表中的數(shù)據(jù)分別繪制出CS-4號鉆孔九次測試的漏失流量圖。

通過對比分析以上圖表，可以得出第一次測試時，工作面距離鉆孔44m，此時鉆孔在垂深24.5～26m位置存在漏水現(xiàn)象，漏失流量最大為3.2L/min，屬于輕微滲水現(xiàn)象，鉆孔在垂深32～34.9m位置存在漏水現(xiàn)象，漏失流量最大值為10.76L/min；當工作面回采至距鉆場位置時，鉆孔垂深32～34.9m位置漏失流量增大，最大值為24.14L/min；工作面回采過鉆場位置后，鉆孔主要漏失段始終為垂深24.5～27.5m位置和垂深32～34.9m位置。截止最后一測試，工作面回采過鉆場距離73.8m，鉆孔漏失位置沒有明顯變化，漏水量沒有較大變化，終止測試。

圖4 cs4孔距工作面距離-0.6m測試結果圖Figure 4 Tested results of borehole CS-4 apartfrom coal face -0.6m

測試從距離工作面回采點44m開始，測試到回采后73.8m,每個深度測試9個數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)繪制了垂深34.9m壓水量隨工作面距離變化曲線圖，參見圖5。

根據(jù)CS-4號鉆孔測試結果圖4、圖5顯示，216上01工作面底板最大破壞深度為34.9m。此時鉆孔進入工作面水平距離為11.45m。

圖5 CS-4垂深34.9m壓水量隨工作面距離變化曲線圖Figure 5 Variation curve of borehole CS-4 vertical depth 34.9mwater injection rates along with distance apart from coal face

4.2 CS-5號鉆孔

通過對二號鉆場CS-5號鉆孔在工作面回采過程中各段的漏失流量進行測定，分別得到了鉆孔每次測試的測試數(shù)據(jù)記錄表，根據(jù)各表中的數(shù)據(jù)分別繪制出CS-5號鉆孔九次測試的漏失流量圖。

如圖CS-4的數(shù)據(jù)處理方法，繪制圖6 CS-5孔距工作面距離-63.5m測試結果圖及圖7 CS-5垂深33.8m壓水量隨工作面距離變化曲線圖。

根據(jù)CS-5號鉆孔測試結果圖6、圖7分析，216上01工作面底板最大破壞深度為33.8m。此時鉆孔進入工作面水平距離為42.4m。

圖6 CS5孔距工作面距離-63.5m測試結果圖Figure 6 Tested results of borehole CS-5 apartfrom coal face -63.5m

圖7 CS-5垂深33.8m壓水量隨工作面距離變化曲線圖Figure 7 Variation curve of borehole CS-5 vertical depth 33.8mwater injection rates along with distance apart from coal face

4.3 CS-6號鉆孔

通過對二號鉆場CS-6號鉆孔在工作面回采過程中各段的漏失流量進行測定，分別得到了鉆孔每次測試的測試數(shù)據(jù)記錄表，根據(jù)各表中的數(shù)據(jù)分別繪制出CS-6號鉆孔九次測試的漏失流量圖。通過對比分析以上圖表，可以得出第一次測試時，工作面距離鉆孔46.5m，此時鉆孔僅在垂深14.5～16.1m位置存在漏水現(xiàn)象，漏水量最大為19.34L/min；當工作面回采至距鉆孔4.5m時，鉆孔垂深25.7～27.3m位置出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，最大值為16.54L/min，鉆孔垂深13.7～16.9m位置漏水量顯著增大，最大值增大到64.48 L/min；工作面回采過鉆場位置后，鉆孔主要漏失段始終為垂深13.7～16.9m位置和垂深24.9～27.3m位置。截止最后一測試，工作面回采過鉆場距離74.6m，鉆孔漏失位置沒有明顯變化，漏水量沒有較大變化。

如圖CS-4的數(shù)據(jù)處理方法，繪制圖8 CS-5孔距工作面距離-63.5m測試結果圖及圖9CS-5垂深33.8m壓水量隨工作面距離變化曲線圖。

圖8 CS6孔距工作面距離-25.9mFigure 8 Tested results of borehole CS-6 apartfrom coal face -25.9m

圖9 CS-6垂深27.3m壓水量隨工作面距離變化曲線圖Figure 9 Variation curve of borehole CS-6 vertical depth 27.3mwater injection rates along with distance apart from coal face

測試結果圖根據(jù)CS-6號鉆孔測試結果圖8、圖9分析，216上01工作面底板破壞深度為27.3m。此時鉆孔進入工作面水平距離為42.3m。對CS-4、 CS-5、 CS-6三個鉆孔測試數(shù)據(jù)分析結果進行匯總可得表1。

表1 測試結果匯總表

5 216上01工作面底板破壞數(shù)值模擬

5.1 模型的建立

本次研究是以黃玉川煤礦216上01工作面底板為研究對象，為了實現(xiàn)運用FLAC3D計算軟件進行底板巖體采動破壞特征模擬，必須通過對各種因素影響下的煤層底板巖體的采動破壞特征進行深入研究，突出主要因素，忽略次要因素，抽象出合理的計算模型。就本次所建模型而言，應突出影響底板變形破壞的主要因素(如工作面寬度、埋藏深度、底板巖性及各巖層厚度)。因為本次數(shù)值模擬研究旨在建立一般模型，模型的巖性組合如按實際地層按層分布，需要分層研究，但是這樣會增大巖層參數(shù)的數(shù)據(jù)量，并且每層的分界線有時也不很明顯，層與層之間的力學關系也比較復雜。一般而言，在礦區(qū)開采范圍內涉及到的地層可能高達數(shù)十或數(shù)百個分層，而在礦區(qū)底板變形破壞特征的數(shù)值模擬分析中，若要全面考慮這許多個小分層，事實上也是不可能的，而且實際上也沒有這種必要。鑒于以上原因，在對礦區(qū)底板變形破壞特征的數(shù)值模擬分析時，有必要對許多巖石小分層進行有效復合，對物理性質相差不大的巖層，進行組合，合并為單一性質巖層。由于本次模擬研究主要模擬煤層底板受采動影響破壞，煤層頂板地層在模擬中主要起增加地壓作用。因此在模擬中對煤層頂板134m以上利用一個覆蓋層代替。

5.2 地質模型

在本次數(shù)值模擬實驗研究中，取側壓系數(shù)為1.1～1.3，所以在X方向上的側壓系數(shù)為1.1，Y方向上的側壓系數(shù)為1.2會更加接近真實的采煤過程。

圖10 地質模型圖Figure 10 Geological model

5.3 216上01工作面模擬過程及結果分析

216上01工作面位于二水平一盤區(qū)東北角，工作面寬度250m，長度2 480m，主采6上煤，工作面煤層平均厚度9.56m，采用綜采放頂煤工藝，一次采全高。煤層底板距奧陶系灰?guī)r含水層約60m，埋藏深度250～333m。

表2 數(shù)值模擬采用的參數(shù)

本次模擬中設計模擬工作面寬度250m，采動方向300m，煤層厚度10m，工作面頂板134m(頂板上另外施加5m的等效覆蓋層)，工作面底板模擬厚度68m。計算模型X方向長度為500m，Y方向長度為350m，Z方向217m。

模擬計算過程中的模型建立、參數(shù)選取及邊界條件如上一節(jié)中介紹。在地質模型平衡后，進行開挖計算。在開挖中，設置開挖距離為300m，從X方向的50～350m。每天開挖10m，開挖后計算150步，繼續(xù)開挖。最終開挖結束后計算1000步。

5.4 煤層采動底板影響深度的確定

利用開挖后底板單元的不同性質來判斷底板巖層的破裂深度。底板單元的性質有shear-n，shear-p，tension-n，tension-p，none，其中none表示未發(fā)生破壞，其余全部標志破壞，只是破壞的方式不同。

從圖11中可以看出底板破裂深度發(fā)育深度度為32m。

采用壓水試驗方法得出的底板巖層采動破裂深度在33.4～34.9m，采用FLAC3D軟件模擬得出的破裂深度在32m，結果基本一致，模型準確性比較高。

6 結論

受工作面回采影響，216上01工作面底板最大破壞深度發(fā)生在CS-4號孔測試段，最大值為34.9m。216上01工作面前方距離4.5m時，工作面底板破壞程度已經(jīng)受回采影響較大，漏失范圍、漏失流量明顯增大。比較216上01工作面不同位置的底板最大破壞深度，靠近工作面中部位置較工作面膠運側小。采用FLAC3D軟件模擬得出的破裂深度在32m，與壓水試驗測試結果基本一致。

圖11 開挖后縱剖面單元破裂圖Figure 11 Rupture Diagram of Longitudinal sectionelement after excavation