承壓水上采煤底板破壞機理與深度分析

王宇坤 魏中舉 馮紹輝 杜衛(wèi)東 謝帥 肖念波

摘要：文章通過結(jié)合彈塑性理論和巖體力學(xué)對近距離高承壓水上采煤下伏煤巖層破壞的深度和影響因素進行分析，并結(jié)合膏體充填開采等價采高理論和等效巷道的時空性，分別對11607膏體充填工作面底板應(yīng)力分布特征、破壞深度進理論分析和計算。根據(jù)11607工作面現(xiàn)場實際，采空區(qū)充填之前頂?shù)装逡平吭?00～300mm之間，充填體壓縮率小于1%，要求現(xiàn)場充填后欠接頂量為0。相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式計算得試驗充填工作面的等價采高在390～490mm之間。經(jīng)等價采高理論計算可知，初步判定試驗工作面下伏煤巖層破壞的深度在2.5～3.0m之間。

關(guān)鍵詞：承壓含水層;底板破壞;機理分析;深度計算

引言

雖然近年來我國對于清潔能源進行了大力開發(fā)和研究，但我國的主要能源依然以煤炭資源為主的格局在未來的幾十年里估計不會發(fā)生改變。據(jù)此，為了實現(xiàn)我國經(jīng)濟的可能持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)能源的清潔和合理開采勢在必行。我國煤炭工業(yè)經(jīng)過百余年的發(fā)展，長期以來貫行優(yōu)先開采優(yōu)質(zhì)、賦存條件較好的煤層，隨著埋深較淺的煤層被大量采完，我國多數(shù)煤礦被迫進入深部進行采煤，目前我國許多煤礦的采深已經(jīng)超過千米。但隨著煤礦采深的增加，沖擊礦壓、地?zé)?、煤與瓦斯突出、底板突水等礦井災(zāi)害也大量增加，這對于煤礦的安全高效開采構(gòu)成了嚴重的威脅[1-4]。煤層下伏煤巖含水層突水的主要原因是煤層間隔奧陶系灰?guī)r距離小，煤層開采后受采動影響對下伏煤巖隔水層造成了破壞進而引發(fā)底板突水。目前我國煤礦下伏煤巖層突水的問題非常突出，在我國華北、華南大部分煤田和少部分新生和中生代煤田，這幾類煤田的地層中大量含水，而且含水巖層的影響范圍較廣，對煤礦安全高效開采構(gòu)成了嚴重威脅。隨著煤礦采深的增加，復(fù)雜的礦井地質(zhì)水文條件，加上煤層下伏石炭和寒武系中含水層的水壓的增加，以及煤層下伏含水層厚度的降低，發(fā)生沖擊礦壓、地?zé)帷⒚号c瓦斯突出、底板突水等礦井災(zāi)害的機率也大大增加，對煤礦安全高效開采構(gòu)成了嚴重威脅。

1工程概況

某煤礦試驗工作面東部與大務(wù)屯村相距44m，東南方向與辛莊村相距450m，東北方向與西王村相距209m，工作面范圍內(nèi)地面以農(nóng)田為主，在東西方向有高壓線鄰近工作面通過。工作面設(shè)計傾斜和走向平均長度分別為120m、1000m。工作面地面標高在+37.1～+41.4m之間，平均標高為+40.3m;工作面底板標高在-443.5m～-516.9m之間，平均標高為-501.3m。工作面埋深在480.6～558.3m之間，平均埋深541.6m。工作面內(nèi)16號煤層厚度在1.65～2.35m之間，平均煤厚2.16m，平均傾角12°，煤層局部含細粒砂巖夾矸，厚度在0.10～0.27m之間。工作面井下東南方向相距11605皮帶巷約為60m，東北方向為1160膠帶上山，西北方向相距11609軌道巷約為45m。

2承壓水上采煤底板破壞深度分析

一定范圍的煤層底板受載后，當(dāng)其表面的荷載超過某臨界荷載時，煤層下伏煤巖層在一定深度內(nèi)將形成塑性區(qū)，該區(qū)域內(nèi)煤巖體發(fā)生塑性變形。

一定范圍內(nèi)的底板巖體承受最大載荷Pm而導(dǎo)致破壞時，底板巖體塑性區(qū)在荷載作用范圍內(nèi)的將連成片，導(dǎo)致底板發(fā)生底鼓變形，向采空區(qū)內(nèi)移動變形的底板巖體，將產(chǎn)生一個連續(xù)的滑移面。魏西克[81]結(jié)合現(xiàn)場開采實際，通過壓力試驗測試，提出了計算巖體塑性滑移時巖體的承載極限理論公式。

張金才[82]通過對魏西克公式的補充和修改，提出了更合理的計算底板巖體的承載極限理論公式[5-8]：

當(dāng)工作面下伏煤巖層發(fā)生破壞，產(chǎn)生塑性破壞范圍時，將工作面下伏煤巖層塑性破壞范圍劃分成：主動極限范圍（如圖1的I區(qū)）、過渡范圍（如圖1的II區(qū)）和被動極限范圍（如圖1的III區(qū)）。其中，ab和ac兩條直線分別構(gòu)成主動極限范圍a、ab和被動極限范圍acd;以起點為a的兩組放射線和一組對數(shù)螺旋線構(gòu)成了過渡范圍a’bc。圖1中acd三角形區(qū)域為被動極限范圍，其正上方是采空區(qū)，主動應(yīng)力經(jīng)主動極限范圍a’ab再經(jīng)過渡范圍abc傳遞到該區(qū)域，此區(qū)域應(yīng)力的方向為垂直向上，破裂面滑移線為直線dc，與底板的夾角為45o-φo/2。圖1中a’ab區(qū)域為主動極限范圍，因正上方是工作面煤壁，該范圍承受垂直向下的最大主應(yīng)力，產(chǎn)生的滑移面與底板的夾角為45o-φo/2。abc區(qū)域為過渡范圍，它是以起點為a的兩組放射線和一組對數(shù)螺旋線構(gòu)成，該區(qū)域的滑移線為對數(shù)螺旋線bec，采空區(qū)下伏煤巖層的最大破壞深度為e點位置，滑移線bec的方程[5-8]為：

根據(jù)底板塑性區(qū)圖1可知，受煤層開采采動影響工作面底板形成塑性區(qū)是導(dǎo)致底板發(fā)生底鼓變形的直接原因。隨著煤層開采后，采空區(qū)頂板失去了原煤層的支承作用，采空區(qū)上覆煤巖層自重載荷由采空區(qū)四周的煤體承擔(dān)。隨著煤層開采進尺增加，采空區(qū)也不斷增加，上覆煤巖層自重載荷對底板的作用也增大，導(dǎo)致采空區(qū)下伏煤巖層產(chǎn)生塑性區(qū)。根據(jù)底板塑性區(qū)圖1可知，垂直應(yīng)力作用在a’ab區(qū)，使其發(fā)生壓縮變形，將應(yīng)力經(jīng)過渡范圍abc傳遞到acd被動區(qū)域，當(dāng)被動區(qū)上方采空區(qū)無充填體時，即沒有載荷作用在底板上，acd被動區(qū)范圍內(nèi)的煤巖層將向上發(fā)生隆起變形，進而導(dǎo)致底板發(fā)生底鼓變形。根據(jù)圖1推導(dǎo)過渡區(qū)內(nèi)底板最大破壞深度[5-8]為：

當(dāng)工作面未采用膏體充填開采時，實際采高m與其等價采高md相等，據(jù)此，將xa代入公式（4），便可求出煤層下伏煤巖層的塑性區(qū)最大深度h。當(dāng)工作面采用膏體充填開采時，要計算工作面下伏煤巖層破壞的深度，除了考慮工作面煤巖體力學(xué)參數(shù)外，還需要考慮膏體充填工作面等價采高md，下面將對md計算方法進行分析。

3膏體充填開采等價采高分析

根據(jù)膏體充填開采等價采高計算模型如圖3所示，工作面采用膏體充填開采的等價采高組成主要包括三個部分：1）充填體欠接頂量Δ，其產(chǎn)生的主要原因是充填工藝和技術(shù)的不足;2）頂?shù)装逡平喀?，由于煤層被采出后煤巖層的原始狀態(tài)被打破，造成巖層發(fā)生協(xié)調(diào)變形和移動構(gòu)成;3）充填體的變形量S，該變形量具體又包括兩部分：充填體承受采空區(qū)上覆煤巖層自重壓力而發(fā)生的壓縮變形S1和充填體固化凝結(jié)過程中發(fā)生泌水導(dǎo)致的收縮變形S2，在現(xiàn)場應(yīng)用中，膏體充填材料在固化凝結(jié)過程中基本不會發(fā)生泌水，采空區(qū)圍巖能吸收一定的泌水，所以在計算充填體變形的時候不考慮充填體泌水導(dǎo)致的收縮變形。

工作面采用膏體充填開采的等價采高md，則md=δ+Δ+S，由于不考慮充填泌水導(dǎo)致的變形，所以式中充填體的壓縮變形等于充填的變形。假定充填體壓縮率為η，則其壓縮量為S2=η×h，據(jù)此，推導(dǎo)出理論計算等價采高md的公式[5-8]如下：

根據(jù)現(xiàn)場試驗工作面的開采實際，工作面平均埋深為514.6m，工作面平均割煤高度為2.16m。采空區(qū)充填之前頂?shù)装逡平喀脑?00～300mm之間，充填體壓縮率為η小于1%，要求現(xiàn)場充填后欠接頂量Δ為0。相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式（6）計算得：11607充填工作面的等價采高md在390～490mm之間。

根據(jù)現(xiàn)場試驗工作面的開采實際可知，16號煤層評價埋深H為514.6m，煤體內(nèi)摩擦角φ約為25°，煤體內(nèi)聚力Cm約為0.5MPa，等價采高md為0.39～0.49m，應(yīng)力集中系數(shù)n小于4，底板φ0為45°，巖層平均容重γ為2500kN/m3。將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入（5）公式得：

參考文獻：

[1]華心祝，楊朋.深井大斷面沿空留巷底板變形動態(tài)演化特征研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2018，47（3）：494-501.

[2]王連國，韓猛，王占盛，等.采場底板應(yīng)力分布與破壞規(guī)律研究[J].采礦與安全工程學(xué)報，2013，30（3）：317-322.

[3]王作棠，周華強，謝耀社.礦山巖體力學(xué)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2010.

作者簡介：王宇坤（2001.01）男，漢族，貴州盤州市人，在讀本科學(xué)生，主要從事采礦工程專業(yè)方面的學(xué)習(xí)和研究。

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（項目編號：202110977017）