特厚煤層綜放開采對(duì)底板變形損傷的影響研究

張鄭偉

（晉能控股集團(tuán)同大科技研究院山西大同037003）

關(guān)鍵字：特厚煤層；底板；變形損傷；應(yīng)變感應(yīng)

1 引言

同忻煤礦太原組特厚煤層綜放開采后礦壓對(duì)底板作用程度逐漸增強(qiáng)和受底板水壓威脅明顯增大，所面臨的巷道支護(hù)、工作面底板管理和底板突水威脅也是越來越嚴(yán)重和復(fù)雜。這種主要由礦山壓力所引起的底板擾動(dòng)變形損傷破壞數(shù)據(jù)是該礦井目前安全開采的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，也是該礦井巷道支護(hù)、底板防治水工程與措施制定的主要依據(jù)[1-2]。目前國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)采動(dòng)底板變形破壞及底板突水方面進(jìn)行了大量研究，成果表明采動(dòng)底板變形破壞深度主要受工作面開采寬度、開采深度、煤巖層傾角及開采煤層厚度等影響較大。但他們的研究多存在公式過于簡化、脫離現(xiàn)場實(shí)際等方面諸多不足[3]。

本次在二盤區(qū)8209 工作面進(jìn)行采動(dòng)底板變形實(shí)測，研究成果揭示底板巖性及組合結(jié)構(gòu)對(duì)變形破壞深度及程度的重要制約作用，為大同礦區(qū)類似地質(zhì)條件下其它礦井的開采提供可靠的參考數(shù)據(jù)。

2 工作面概況

8209工作面位于同忻礦一水平二盤區(qū)，南部為三條大巷，其余均為實(shí)煤區(qū)。上部對(duì)應(yīng)侏羅系14#煤層8320、8318 等工作面采空區(qū)，侏羅系14-2#煤層與石炭系3-5#煤層層間距為184 m～216 m。工作面走向長平均1 746 m，傾斜長約200 m,回采范圍內(nèi)煤厚13.35 m～22.46 m，平均煤厚17.60 m，煤層傾角2°，頂板以含礫粉砂巖和粉砂巖為主的堅(jiān)硬巖層，開采方式為綜采放頂煤開采。

3 采動(dòng)底板變形損傷實(shí)測

3.1 測試方法基本原理

同忻礦8209 工作面選用的監(jiān)測設(shè)備是中國地質(zhì)大學(xué)研制的KBJ-12 型鉆孔應(yīng)變記錄儀。應(yīng)變傳感器由4組工作片組成，每組工作片有2個(gè)通道，這樣一個(gè)應(yīng)變傳感器共有8個(gè)工作通道。將應(yīng)變傳感器埋設(shè)于底板的不同層位對(duì)回采過程中底板的變形情況進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。根據(jù)對(duì)比測試前、后數(shù)據(jù)不但能夠確定出采動(dòng)礦壓的動(dòng)態(tài)顯現(xiàn)規(guī)律和煤壁前方應(yīng)力集中影響范圍，而且不同深度位置應(yīng)變傳感器的測試數(shù)據(jù)可以反映出底板垂向采動(dòng)變形的差異性，并由此確定出底板采動(dòng)破壞的深度范圍[4]。

3.2 測試鉆孔設(shè)計(jì)

（1）鉆孔設(shè)計(jì)位置及參數(shù)

同忻礦8209工作面采用綜放開采技術(shù)，每月推進(jìn)約150 m～160 m，日產(chǎn)煤炭2.97 萬噸。根據(jù)該面的回采地質(zhì)說明書及附圖資料，從便于鉆孔施工、盡量減少影響生產(chǎn)、應(yīng)變傳感器安裝及測試等方面綜合考慮，并結(jié)合類似工作面初次來壓和周期來壓分布特征，選定該面軌道順槽完整地段進(jìn)行鉆孔測試破壞深度。本次現(xiàn)場測試布置2 個(gè)應(yīng)變觀測鉆孔，均垂直于工作面方向。2個(gè)測試孔均布置于8209工作面軌道順槽，其中，1 號(hào)底板測孔（測孔1）擬布置于測點(diǎn)K21，2 號(hào)底板測孔（測孔2）布置于沿著巷道向外距離測孔1約40 m，均按底板位置開孔施工（圖1，表1）。

圖1 兩測孔布置及測試范圍示意圖

根據(jù)《同忻礦8209 工作面回采地質(zhì)說明書》和部分鉆孔等相關(guān)資料，結(jié)合測試地段工作面區(qū)域?qū)嶋H地層分布特征，鉆孔俯角按40°，煤巖層傾角按2°，則可依此確定出各鉆孔相關(guān)布置參數(shù)，具體見表1。

表1 8209工作面觀測孔設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)

（2）傳感器布置

根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式和以往實(shí)測經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合同忻礦8209 工作面煤巖層賦存地質(zhì)和開采條件類比初步分析，預(yù)計(jì)該測試區(qū)域C3-5#底板破壞深度一般在煤底垂深15 m以下。因此，變形破壞監(jiān)測重點(diǎn)為煤底垂深15 m以下范圍。

測孔1和測孔2均按表1所列相關(guān)參數(shù)施工，兩測孔均設(shè)計(jì)埋設(shè)4 個(gè)應(yīng)變傳感器，自下向上依次編號(hào)為1-1、1-2、1-3、1-4（測孔1）和2-1、2-2、2-3、2-4（測孔2），對(duì)應(yīng)應(yīng)變傳感器位置分別位于C3-5#底板下垂深21.9 m、19.8 m、17.7 m、15.7 m（測孔1）和23.0 m、20.9 m、18.8 m、16.7 m（測孔2）。埋設(shè)層位具體見圖2和圖3所示。

圖2 8209工作面1號(hào)底板測孔剖面示意圖

圖3 8209工作面2號(hào)底板測孔剖面示意圖

（3）井下數(shù)據(jù)采集要求

工作面回采迎頭推進(jìn)至測孔1孔口前方80 m開始進(jìn)行測試，數(shù)據(jù)采集密度為：工作面距測孔80 m～60 m范圍，數(shù)據(jù)采集間隔密度控制為每隔兩天測試一次；工作面距測孔60 m～40 m 范圍，數(shù)據(jù)采集間隔密度控制為每隔一天測試一次；自工作面推進(jìn)到測孔前方40 m開始，數(shù)據(jù)采集間隔密度控制為每天測試一次，直到推過測孔2后40 m，達(dá)到數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定為止。

3.3 測試結(jié)果及分析

（1）測孔1應(yīng)變感應(yīng)特點(diǎn)分析

圖4是1 號(hào)測孔各測點(diǎn)反映出的應(yīng)變感應(yīng)曲線。應(yīng)變增量剛開始均為0，隨著工作面推進(jìn)，增量先是發(fā)生緩慢變化，到一定距離時(shí)加速變化，說明此時(shí)已經(jīng)到了采動(dòng)超前影響范圍。測點(diǎn)1-4在工作面推進(jìn)距測孔60 m 處時(shí)，應(yīng)變增量快速增加，發(fā)生了顯著的應(yīng)變感應(yīng)（圖4a），且之后一直比較強(qiáng)烈；測點(diǎn)1-3、測點(diǎn)1-2在工作面推進(jìn)距測孔55 m處時(shí)，發(fā)生顯著的應(yīng)變感應(yīng)（圖4b、圖4c），隨后一直比較強(qiáng)烈；與測點(diǎn)1-3和測點(diǎn)1-2的情況相比，測點(diǎn)1-1在工作面推進(jìn)過程中應(yīng)變感應(yīng)一直比較弱，變化幅度?。▓D4d）。對(duì)于不同深度的應(yīng)變感應(yīng)，大體是淺部應(yīng)變感應(yīng)大于深部應(yīng)變感應(yīng)，這與實(shí)際礦壓規(guī)律相符合。

圖4 測孔1各測點(diǎn)應(yīng)變感應(yīng)過程曲線

測點(diǎn)1-4、1-3和1-2應(yīng)變增量范圍較大，測點(diǎn)1-1應(yīng)變增量范圍明顯比1-2、1-3和1-4小，且測點(diǎn)1-2應(yīng)變增量較大最大應(yīng)變量為6 523 με，而測點(diǎn)1-1 應(yīng)變增量最大應(yīng)變量為3 866.5 με，明顯比測點(diǎn)1-2小。而該孔其它三個(gè)傳感器在采動(dòng)過程中應(yīng)變增量變化均較大，特別是工作面快推進(jìn)到鉆孔位置。因此判斷8209工作面底板破壞深度處于19.8 m～21.9 m之間。

（2）測孔2應(yīng)變感應(yīng)特點(diǎn)

圖5是1 號(hào)測孔各測點(diǎn)反映出的應(yīng)變感應(yīng)曲線。底板采動(dòng)應(yīng)變感應(yīng)情況與1 號(hào)測孔類似，感應(yīng)變化有隨著深度的增加逐漸減弱的趨勢。淺部測點(diǎn)2-4在距離工作面80 m 時(shí)感應(yīng)明顯，且隨后一直較強(qiáng)烈（圖5a）；測點(diǎn)2-3 在超前推進(jìn)過程的應(yīng)變感應(yīng)程度也較強(qiáng)，在工作面距離測孔75 m時(shí)，應(yīng)變感應(yīng)明顯增強(qiáng)（圖5b）。測點(diǎn)2-2感應(yīng)增量變化一直較小，而且超前感應(yīng)距相對(duì)較小在75 m（圖5c）左右。

圖5 測孔2各測點(diǎn)應(yīng)變感應(yīng)過程曲線

由于應(yīng)變傳感器本身是一種非常靈敏的，初步分析認(rèn)為測點(diǎn)2-2 位置應(yīng)變傳感器基本沒受到影響；而該孔其它兩個(gè)傳感器在采動(dòng)過程中應(yīng)變增量變化均較大，特別是工作面快推進(jìn)到鉆孔位置。因此由測孔2判斷8209 工作面底板破壞深度處于18.8 m～20.9 m之間。

綜合兩個(gè)鉆孔測試結(jié)果，初步分析認(rèn)為該條件下采動(dòng)底板變形破壞深度處于18.8 m～21.9 m之間。

4 底板擾動(dòng)程度分帶性變形損傷破壞力學(xué)模型的建立

根據(jù)同忻礦8209 工作面不同垂深位置應(yīng)變感應(yīng)測試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析：垂深18.8 m 及以上4 個(gè)淺部測點(diǎn)所測數(shù)據(jù)反映出應(yīng)變感應(yīng)變化比較劇烈，且離散程度較大，個(gè)別輸出信號(hào)的波動(dòng)甚至出現(xiàn)異常；而20.9 m 及深處2 個(gè)測點(diǎn)所測應(yīng)變感應(yīng)數(shù)據(jù)變化較平緩，且有同步變化趨勢。綜合分析，將采動(dòng)底板破壞深度定為20.9 m，往下1 m（20.9 m～21.9 m）的區(qū)域雖然所受采動(dòng)礦壓影響較大，但仍然保持完整并具備較高的承載能力，稱為擾動(dòng)塑性損傷帶。

隨工作面推進(jìn)逐漸增加，煤層底板的擾動(dòng)破壞也逐漸增強(qiáng)，使采空區(qū)及其兩側(cè)一定范圍內(nèi)的底板巖層變形破壞程度和深度逐漸增加，采空區(qū)中間部分底板巖層由于卸壓作用產(chǎn)生拉張變形破壞，而兩側(cè)煤柱附近底板因采動(dòng)次生移動(dòng)應(yīng)力集中產(chǎn)生剪切變形破壞，大致呈現(xiàn)倒立的馬鞍形，由此可建立采動(dòng)礦壓作用下8209工作面底板變形損傷破壞力學(xué)模型[5-6]，即采動(dòng)底板可分為采動(dòng)破壞帶（Ⅰ）與擾動(dòng)塑性損傷帶（Ⅱ），采動(dòng)破壞帶（Ⅰ）h1不超過20.9 m，擾動(dòng)塑性損傷帶（Ⅱ）h2 不超過21.9 m。采動(dòng)破壞帶基本沒有阻滲能力，承載能力也相對(duì)較弱，而擾動(dòng)塑性損傷帶仍具有較高的承載強(qiáng)度和抗?jié)B能力。

5 結(jié)論

通過現(xiàn)場實(shí)測并建立采動(dòng)礦壓作用下8209 工作面底板變形損傷破壞力學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)采動(dòng)變形程度在延深方向有分帶特征。綜合采動(dòng)應(yīng)變幅度與鉆孔圍巖結(jié)構(gòu)擾動(dòng)程度，可將底板采動(dòng)擾動(dòng)范圍由淺及深分為采動(dòng)破壞帶和擾動(dòng)塑性損傷帶。據(jù)底板不同深度測點(diǎn)應(yīng)變感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)比，可大致確定8209 工作面C3-5#煤底板采動(dòng)變形擾動(dòng)損傷破壞深度大于18.8 m，但不超20.9 m，20.9 m～21.9 m深度區(qū)域?yàn)閿_動(dòng)塑性損傷帶。