綜采工作面底板采動裂隙破壞深度研究

李哲豪(同煤集團(tuán)綜采辦公室， 山西 大同 037003)

1 前言

隨著煤炭開采規(guī)模、強(qiáng)度的持續(xù)增加，淺部煤炭資源逐漸枯竭，多數(shù)礦井已經(jīng)開始深部開采[1]。礦井開采時面臨水害影響較為明顯，特別受底板承壓水影響更為突出[2-3]。根據(jù)有關(guān)資料，從2010年以來，我國煤礦累計發(fā)生礦井突水事故在300起以上，造成的財產(chǎn)損失數(shù)以億計，因此強(qiáng)化對礦井水害防治工作，特別是底板突水防治工作[4-5]。眾多的研究學(xué)者采用理論推導(dǎo)、現(xiàn)場實(shí)測以及模擬分析等技術(shù)方法對煤炭開采后底板裂隙發(fā)育、破壞范圍進(jìn)行研究，并取得顯著的研究成果[6-7]。文中以某礦為3506綜采工作面為工程研究對象，采用模擬分析、現(xiàn)場實(shí)測方法對工作面開采后引起的底板裂隙發(fā)育、破壞范圍進(jìn)行分析，以期能為礦井底板水害防治工作高效開展提供一定借鑒。

2 工程概況

某礦主采煤層有3#、9#、15#，礦井水文地質(zhì)條件整體較為復(fù)雜。根據(jù)前期勘探資料發(fā)現(xiàn)，礦井所采煤層受到底板奧灰灰?guī)r含水層影響，該奧灰灰?guī)r最大水壓為2.8MPa，同時隨著礦井開采增加，開采煤層承壓開采范圍逐漸增加。礦井開采的3#、9#、15#煤層帶壓開采面積分別為25.02km2、35.57km2、45.84km2，占礦井開采井田面積分別為33.63%、47.85%以及61.54%。因此，研究回采工作面開采后底板裂隙擴(kuò)展情況，對底板承壓水影響情況開展針對性防治技術(shù)具有重要意義。

3 模擬分析

文中采用FLAC3D對工作面開采后底板裂隙擴(kuò)展情況進(jìn)行模擬分析。

3.1 模型構(gòu)建

以3601綜采工作面地質(zhì)資料為背景，構(gòu)建模擬分析模型。工作面設(shè)計走向、傾向長分別為2 540m、245m，開采3號煤層(厚度4.5m)，工作面直接底為砂巖、直接底為泥巖，埋深465m；9號煤層厚度2.2m，埋深520m，頂?shù)装鍘r性分別為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖；15#煤層厚4.2m，頂?shù)装鍘r性分別為石灰?guī)r、泥巖。設(shè)計的模型水平、垂向距離分別為300m、400m，底板承壓水壓力取值為2MPa。具體頂?shù)装鍘r性參數(shù)見表1。

表1 頂?shù)装鍘r性參數(shù)

3.2 工作面開采后底板裂隙發(fā)育情況

具體模擬得到的3#煤層開采之后頂板裂隙擴(kuò)展范圍如圖1所示。從圖中可知，隨著3#煤層不斷開采，底板泥開始出現(xiàn)破壞變形，原始裂隙在應(yīng)力作用下開始擴(kuò)展，次生裂隙也隨之產(chǎn)生。當(dāng)回采工作面開采距離達(dá)到45m時，此時頂板開始初次來壓，底板破壞程度加劇，此時底板裂隙發(fā)育距離可達(dá)到17.8m，隨著工作面的不斷推薦，底板裂隙發(fā)育速度有所降低，最終穩(wěn)定范圍約為19m，但是在水平方向上底板破壞范圍隨著工作面推進(jìn)不斷擴(kuò)展。

圖1 3#煤層開采后頂板裂隙擴(kuò)展示意圖

3.3 9#、15#煤層底板破壞范圍

9#、15#煤層開采之后的底板裂隙擴(kuò)展情況如圖2、圖3所示。隨著煤層的不斷開采，9#、15#煤層底板泥巖均不同程度的出現(xiàn)破壞變形，底鼓量開始增加。由于煤層底板為抗壓強(qiáng)度較低的泥巖，本身抵抗變形、破壞能力較差，當(dāng)工作面推進(jìn)至41～45m時頂板開始出現(xiàn)來壓，此時9#、15#煤層底板內(nèi)裂隙擴(kuò)展范圍分別達(dá)到18.5m、19.3m；隨著工作面的不斷推進(jìn)，底板破碎范圍增加速度顯著降低，最終分別穩(wěn)定在20.5m、21.8m。

圖2 9#煤層開采后頂板裂隙擴(kuò)展示意圖

圖3 15#煤層開采后頂板裂隙擴(kuò)展示意圖

從3#、9#、15#煤層開采后底板裂隙破壞、擴(kuò)展模擬分析得知，煤層埋深對底板裂隙發(fā)育范圍影響較小，工作面斜長、底板巖性等對底板裂隙擴(kuò)展范圍有較大影響。

4 現(xiàn)場實(shí)測

4.1 現(xiàn)場布置

礦井開采底板水害防治重點(diǎn)是探明底板充水水源、導(dǎo)水通道以及水力補(bǔ)給條件等，而導(dǎo)水通道與煤炭開采密切相關(guān)，采動后底板裂隙是良好的導(dǎo)水通道?，F(xiàn)階段關(guān)于導(dǎo)水通道探測的技術(shù)方法主要有聲波成像法、鉆孔窺視法、電線電波透視法、注水試驗(yàn)法以及雷達(dá)探測技術(shù)等，其中注水試驗(yàn)法具有探測精度高等優(yōu)點(diǎn)。為了精準(zhǔn)掌握煤層開采后底板裂隙發(fā)育、擴(kuò)展范圍，采用“注水試驗(yàn)”法對3506綜采工作面開采后的底板變形破壞情況進(jìn)行探測。具體探測原理是通過對比分析工作面開采前后的注水鉆孔內(nèi)的水壓、漏失量變化來判定底板裂隙破壞程度。

3506綜采工作面采用沿空留巷方式，將回風(fēng)巷留作下一工作面進(jìn)風(fēng)巷，根據(jù)開采的3506綜采工作面回采巷道及周邊巷道布置情況，選擇在工作面回風(fēng)巷內(nèi)以不同角度向底板布置3個俯向鉆孔，鉆孔終孔與煤層底板間距分別為18m、19m、20m，具體鉆孔布置情況如圖4所示，鉆孔內(nèi)留設(shè)50cm作為注水試驗(yàn)段。

圖4 探測鉆孔布置示意圖

4.2 結(jié)果分析

經(jīng)過近60d現(xiàn)場測試，具體監(jiān)測范圍為超前工作面-65m到進(jìn)入采空區(qū)后方+130m位置，得到的不同鉆孔漏失量監(jiān)測數(shù)據(jù)，具體如圖5所示。

圖5 鉆孔漏失量監(jiān)測結(jié)果

1)23#鉆孔漏失量分析

23#鉆孔傾角為-12°、孔深45.69m，終孔位置位于底板下方18m在超前工作面-65～-5m時，由于底板在上覆完整煤層作用下承受較大的垂向應(yīng)力，但是整體較為完整，在此階段Q(鉆孔漏失量)較小，一般為0；在-5～+5m位置段時Q顯著提升，在采空區(qū)后方5m位置時漏失量達(dá)到1.8L/h，主要是由于此范圍底板巖層受到采動影響明顯，泥巖在水平應(yīng)力作用下原生裂隙開始擴(kuò)展并伴隨產(chǎn)生大量的次生裂隙；在+5～+15m時由于上覆巖層垮落暫時抑制底板變形擴(kuò)展，從而Q呈現(xiàn)小幅降低趨勢；在+15～+30m時Q開始增加，并在+30m位置時Q達(dá)到峰值位置，最大為2.03L/h，在此階段內(nèi)底板巖層裂隙破壞范圍達(dá)到最大值；在+30～+55m范圍內(nèi)Q顯著降低，在+55m以后Q穩(wěn)定在1.45L/h。

2)24#、25#鉆孔漏失量分析

24#鉆孔(傾角為-21°、孔深46.1m)、25#鉆孔(傾角為-24°、孔深46.52m)漏失量Q在回采工作面推進(jìn)期間幾乎無變化，Q基本穩(wěn)定在0.03～0.11L/h，漏失主要原因是下覆巖層中的原生裂隙。在與煤層底板相距超過19m位置時，巖層未出現(xiàn)采動破壞，由此可以斷定3號煤層開采時底板巖層破壞裂隙發(fā)育范圍在19m以內(nèi)。

4.3 比對分析

后續(xù)采用鉆孔窺視法對鉆孔內(nèi)圍巖裂隙擴(kuò)展情況進(jìn)行探測，發(fā)現(xiàn)離煤層底板越近裂隙越發(fā)育，在距離底板18～19m時僅有少許的次生裂隙產(chǎn)生，超過19m時巖層裂隙以原生裂隙為主。

采用現(xiàn)場實(shí)測方式確定3#煤層開采后的底板采動裂隙破壞延伸在底板下方18～19m，數(shù)值模擬確定的3#煤層裂隙發(fā)育范圍內(nèi)19m，鉆孔窺視法確定的底板巖層裂隙發(fā)育范圍也為18～19m，模擬結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果較為相近。

5 結(jié)論

(1)采用數(shù)值模擬、現(xiàn)場實(shí)測以及鉆孔窺視方法綜合確定3#煤層開采后的底板裂隙發(fā)育高度為18～19m，同時數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果較為相近，表明具有較高的可信度；9#、15#煤層模擬得到的開采后裂隙擴(kuò)展范圍為20.5m、21.8m。

(2)在工作面開采過程中應(yīng)注意底板巖層隱伏構(gòu)造發(fā)育情況，避免由于隱伏構(gòu)造與底板巖層裂隙破壞帶、下覆承壓含水層溝通而造成底板涌水。