承壓水上含隱伏構(gòu)造底板突水機理研究

魏大勇，孫亞楠，閆奮前，吳俊達

(1.山西嵐縣昌恒煤焦有限公司，山西 嵐縣 033599；2.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制國家重點實驗室培育基地，山東 青島 266590；3.礦業(yè)工程國家級實驗教學(xué)示范中心，山東 青島 266590)

隨著煤炭開采時間的延續(xù)，淺部以及賦存情況良好的煤炭資源逐漸被開采殆盡[1]。在面臨居高不下的煤炭需求下，煤炭開采逐漸轉(zhuǎn)向深部以及賦存條件復(fù)雜且危險的煤炭資源，這就使得煤炭開采的危險性大幅增加[2，3]。在眾多的煤炭生產(chǎn)安全事故中，礦井水害一直是煤礦最嚴(yán)重災(zāi)害之一[3-7]。在眾多的突水事故中，煤系陷落柱又是底板突水的主要因素之一[8-10]。煤系陷落柱是煤系下伏可溶巖系中的大跨度溶洞發(fā)生持續(xù)向上塌陷所形成的，其中絕大多數(shù)以隱伏形式存在[11-15]，在華北晚古生代(遼冀魯晉蒙陜豫皖蘇煤田)和中生代(大同煤田)、華南晚三疊世須河組含煤巖系中廣泛分布[16-18]。華北型煤田中分布的陷落柱一般為奧灰之上層位陷落柱和奧陶紀(jì)陷落柱，形狀上多為上小下大的圓臺型[19]。隨開采深度逐漸加深，工作面距奧灰的距離逐漸縮短，煤田開采受到奧灰水的威脅也隨之增大，再加上底板下的隱伏陷落柱柱底溝通奧灰水時底板隔水層有效厚度降低，并且還存在因陷落柱存在而造成的其他風(fēng)險[20]。因此系統(tǒng)分析含有隱伏陷落柱底板的應(yīng)力分布規(guī)律，底板塑性區(qū)發(fā)育過程，進而分析總結(jié)出該類情況的突水致災(zāi)機理，對礦井水害的預(yù)測和治理有重要意義。

1 礦區(qū)地質(zhì)特征

山西嵐縣昌恒煤焦有限公司9102工作面為礦井9號煤層的第一個回采工作面，位于F1斷層以北區(qū)域，西與9101工作面相接，東與9103工作面(計劃)相接，北到配風(fēng)巷，南至切眼風(fēng)、機巷走向長度為1680m，工作面斜長為192m，工作面標(biāo)高為925～961m；面積為323520m2。煤層厚度8.8～9.5m，煤層傾角80°，采用綜合機械化放頂煤開采工藝，全部垮落法管理頂板。

研究區(qū)域內(nèi)煤層底板下57m為奧灰水，其水壓平均值為4.18MPa，計算得到其突水系數(shù)值為0.073MPa/m，且工作面中部存在一個隱伏陷落柱，底板整體為“軟-硬-軟”的巖層結(jié)構(gòu)。根據(jù)《煤礦防治水細則》，底板受構(gòu)造破壞塊段的臨界突水系數(shù)要求不大于0.06MPa/m，正常塊段不大于0.10MPa/m，因此本區(qū)域?qū)儆诰植客凰ｋU性區(qū)域。

2 FLAC3D數(shù)值模擬

2.1 邊界條件及主要巖層力學(xué)參數(shù)

模型四周施加水平位移約束，底面為固定約束，模型頂面施加面力4.5MPa以模擬上覆巖層的自重。因煤層傾角為8°，在模型將其簡化為水平煤層。含水層施加實際水壓值，四周設(shè)為不透水邊界，煤層開挖采用逐步“賦空”的方式實現(xiàn)，同時將空模型設(shè)為“fl_null”模式，以不容許水體通過。力學(xué)模型選用莫爾-庫倫模型，在流體進程的計算上選用各向同性流體模型，主要巖體的力學(xué)參數(shù)見表1，初始模型如圖1所示。

表1 主要巖層力學(xué)參數(shù)表

圖1 初始模型圖(m)

2.2 模擬結(jié)果分析

2.2.1 應(yīng)力分布特征

模型建好后工作面由左向右推進，每隔5m布置一測點，隨著工作面不斷的推進，沿煤層方向提取各測點數(shù)據(jù)。在煤層底板10m和20m深度處從距離模型邊界50～170m每隔5m布置的測點隨工作面開采的應(yīng)力分布如圖2所示。

圖2 橫向各測點在回采過程中應(yīng)力分布圖

由圖2分析可知，在陷落柱的影響下，當(dāng)工作面接近陷落柱時煤層底板出現(xiàn)應(yīng)力集中(在距離陷落柱中心30m處最為明顯)，而在陷落柱頂部位置應(yīng)力則相對較小。由圖2(a)和(b)對比分析可知，測點距離煤層底板越深受采動影響越?。粡那€變化情況上看，圖2(a)中應(yīng)力曲線的變化要比圖2(b)劇烈；但由于圖2(b)中的測點更加靠近陷落柱和伴生斷層，其受陷落柱和伴生斷層的影響更為明顯。

陷落柱前30m和40m處底板下10～40m深度的4個測點在整個開采過程中的應(yīng)力變化情況如圖3所示，圖中52、42、32、22為模型中測點z坐標(biāo)值，分別代表底板下10m、20m、30m、40m處的測點。由圖3(a)和(b)對比可知測點距離陷落柱越近，受到陷落柱的影響越劇烈，測點距離煤層底板越深受采動影響越小，其中位于底板下10m處的測點表現(xiàn)最為明顯，陷落柱前30m的應(yīng)力峰值比陷落柱前40m的應(yīng)力峰值高0.5MPa。

圖3 縱向各測點在回采過程中應(yīng)力分布圖

2.2.2 塑性區(qū)發(fā)育特征

隨工作面推進，工作面與陷落柱間的水平距離縮短，底板巖體的塑性破壞發(fā)育過程如圖4所示。由圖4(a)可知，當(dāng)工作面距離陷落柱50m時，煤層回采開始對陷落柱產(chǎn)生影響，在陷落柱上邊界左側(cè)以及下邊界左側(cè)出現(xiàn)了破壞，但破壞規(guī)模較??；由圖4(b)可知，隨著工作面向陷落柱靠近，采動影響引發(fā)陷落柱破壞程度逐漸加劇，同時工作面前端靠近陷落柱處底板的破壞深度逐漸增大，而且比采空區(qū)后端底板破壞深度要大，但工作面底板塑性區(qū)并未與陷落柱塑性區(qū)相溝通。

圖4 工作面距陷落柱不同距離時塑性區(qū)連通過程圖

由圖4(c)—(f)可知，工作面距離陷落柱30m時，底板塑性區(qū)與陷落柱塑性區(qū)溝通，該位置也是底板應(yīng)力的峰值區(qū)，是底板應(yīng)力集中程度最高的位置，隨著工作面更加靠近陷落柱，塑性區(qū)及塑性區(qū)連通范圍也越來越大，且破壞形式主要以剪切破壞為主，破壞區(qū)域主要集中在陷落柱左側(cè)邊界，即工作面最先接觸到的陷落柱側(cè)邊界，當(dāng)?shù)装逅苄詤^(qū)與陷落柱塑性區(qū)連通時，突水通道隨即形成。

3 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 監(jiān)測目的及鉆孔布置

從模擬數(shù)據(jù)分析可知，在不采取保護措施的情況下，在工作面距陷落柱30m左右時底板會發(fā)生突水，所以決定對該陷落柱進行注漿加固改造，以避免水災(zāi)事故的發(fā)生，為驗證注漿效果，在距陷落柱30m處埋設(shè)底板應(yīng)變計對底板巖體變形破壞情況進行監(jiān)測。鉆孔布置情況如圖5所示，傳感器間距為3m。

圖5 底板破壞監(jiān)測測點布置圖

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

各鉆孔中各個傳感器所采集的應(yīng)變數(shù)據(jù)如圖6所示。由圖6可知，3個鉆孔中的12個傳感器由于在同一剖面上的不同深度，所以受礦山壓力影響的變化規(guī)律基本相同，由于不同的傳感器處在不同深度，各個傳感器的數(shù)據(jù)在數(shù)值上又有所差異。從圖6中可以看出，工作面距離鉆孔60m左右時，由于礦山壓力的作用對鉆孔位置產(chǎn)生應(yīng)力影響，隨著工作面向前推進，影響越來越劇烈，在距離鉆孔10～20m達到峰值，由于各個傳感器深度不同，所以各個傳感器應(yīng)變達到峰值的位置略有差別，此后雖然應(yīng)力集中仍然持續(xù)，但都低于該點。1#鉆孔傾角比較大(與水平方向夾角為20°)，4個傳感器垂直距離較小，所以各傳感器的應(yīng)力差異較小，4條應(yīng)力曲線重疊度較高。2#和3#鉆孔的傾角逐漸增大，各個傳感器的垂直落差也進一步加大，所以同一鉆孔中的各個傳感器數(shù)據(jù)差異也越來越大。

圖6 各鉆孔傳感器所采集的應(yīng)變數(shù)據(jù)

1#鉆孔中的4個傳感器由于現(xiàn)場開采條件限制，在工作面推進到鉆孔位置時予以手動拆除，所以1#鉆孔中4個傳感器的監(jiān)測到工作面推進到鉆孔位置時即停止。從圖6(a)中可知，壓應(yīng)變達到峰值的位置，并未出現(xiàn)破壞點。由于1#鉆孔中的4個傳感器距離煤層較近，可知此組傳感器所在巖層在采動影響下必然破壞。

2#鉆孔中4個傳感器在整個監(jiān)測過程中一直有效。由圖6(b)可知該位置處巖層在采動影響下經(jīng)歷采前超前支承壓力到采后應(yīng)力釋放及恢復(fù)的全過程。其中，2-3#、2-4#傳感器在工作面推過鉆孔位置15～25m處出現(xiàn)應(yīng)變變異點(由壓應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)變)，此時表征該處巖層的破壞，而2-1#、2-2#傳感器并未出現(xiàn)應(yīng)變變異點，表征該處巖層并未因采動而破壞。所以該處巖層的破壞深度為11～14m。

由圖6(b)、(c)對比可知，3#鉆孔中4個傳感器情況與2#鉆孔類似，由于3#鉆孔與水平方向夾角更大，所以四條應(yīng)變曲線相對更加離散。3-3#、3-4#傳感器在工作面推過鉆孔18～28m處出現(xiàn)應(yīng)變變異點，3-1#、3-2#傳感器則沒有出現(xiàn)變異點，由此可知該處巖層破壞深度為17～19m。

將三個鉆孔中的傳感器數(shù)據(jù)與圖7對比分析可知，9102工作面的周期來壓步距為15m左右，當(dāng)工作面距離鉆孔較遠(50m以外)時，受到超前支承壓力的影響傳感器數(shù)據(jù)增大；當(dāng)工作面推進到鉆孔附近(10m左右)時，支架受力情況與傳感器應(yīng)變變化基本一致，即當(dāng)支架承受的壓力增大時，傳感器數(shù)據(jù)也進一步增大，當(dāng)支架由于頂部垮落卸壓時，傳感器數(shù)據(jù)也由大變小。

圖7 90#支架工作阻力分布圖

通過現(xiàn)場監(jiān)測的方法，最終得到注漿改造后因工作面回采引發(fā)的煤層底板破壞深度為17～19m。

根據(jù)經(jīng)驗公式[21]，針對9102工作面實際情況，選取開采深度H=285.0m，煤層傾角a=10°，工作面斜長L=175m，煤層內(nèi)摩擦角φ0=43°，具體計算結(jié)果見表2。

表2 底板深度結(jié)果對比表

由表2對比分析可知，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果和經(jīng)驗及理論公式的計算結(jié)果能保持一致，驗證了現(xiàn)場測試方法的可行性及科學(xué)性。

4 結(jié) 論

1)由于陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造的存在，工作面回采導(dǎo)致在地質(zhì)構(gòu)造前出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，其超前距離約為30m。

2)工作面回采引發(fā)的底板巖體破壞形式以剪切破壞為主，且塑性區(qū)與陷落柱頂部靠近工作面一側(cè)邊界的塑性區(qū)先溝通，形成突水通道，而引起底板突水。

3)采用應(yīng)變計監(jiān)測獲得9102工作面回采引發(fā)的煤層底板破壞深度為17～19m，與經(jīng)驗及理論公式的計算結(jié)果能保持一致，驗證了現(xiàn)場測試方法的可行性及科學(xué)性。