同忻礦8209工作面底板導水深度受采動影響的分析

王 強

【晉能控股山西科學技術研究院有限公司（大同）技術中心 山西 大同 037000】

0 序言

煤層開采引起的集中應力會造成底板的破壞，底板應力場及破壞深度的研究是底板承壓水突水研究的基礎[1-2]，有學者做過相似研究得出距煤層底板的距離不同，其位移與應力變化的頻度和幅度也不同，一般情況下距煤層底板10 m～15 m 的范圍內(nèi)變化最劇烈[3]。但對于同忻礦的特厚煤層來說，上述情況不一定適用，因此開展本項研究。

1 工程背景

同忻礦太原組特厚煤層延深后，綜放開采礦壓對底板作用程度逐漸增強和受底板水壓威脅明顯增大，所面臨的巷道支護、工作面底板管理和底板突水威脅也是越來越嚴重和復雜。同忻礦8209 工作面四周為實煤區(qū)，不存在同層水患的影響，水文地質(zhì)類型為中等類型，開采3-5#煤層底板灰?guī)r水主要是奧灰含水層。

2 數(shù)值模擬模型建立

根據(jù)煤層開采情況，結合鉆孔資料，將研究區(qū)內(nèi)巖層按巖性和完整性劃分為粉砂巖、高嶺巖、砂質(zhì)泥巖、8#煤、泥巖、礫巖、中細粒砂巖、含礫粗砂巖、6#煤、C3-5#煤、細礫巖、粗砂巖、中粗粒砂巖和細砂巖14個工程地質(zhì)巖組，從下到上劃分為30 層地層，各巖層物理力學參數(shù)如表1所示。工程地質(zhì)模型空間上覆巖土層埋深300 m，沿走向長度取300 m，高度取172 m，C3-5#煤厚取平均值18 m。四周各留設50 m的保護煤柱，開采長度200 m，寬度200 m，根據(jù)研究區(qū)的地質(zhì)測繪成果，構建地質(zhì)體數(shù)值模型。模型共劃分出82 800 個單元，89 373個節(jié)點。

表1 計算模型中工作面頂?shù)装宓貙游锢砹W參數(shù)

3 底板變形破壞變化特征

僅僅改變煤層厚度其他工程條件不變，采用煤層采厚14 m、16 m、18 m和20 m做出4個數(shù)值模擬，觀察不同采厚對底板采動破壞程度的變化。工作面推過200 m 后，采空區(qū)底板塑性區(qū)主要類型為拉張屈服破壞，而剪切屈服主要出現(xiàn)在采空區(qū)四周的支撐煤壁處，采空區(qū)中部的煤層底板出現(xiàn)局部拉張屈服。在工作面下方底板破壞深度形態(tài)逐漸變?yōu)閮深^高、中間低的“倒馬鞍”形，如圖1所示。剪切屈服區(qū)出現(xiàn)在開切眼和停采線的斜上方和斜下方的原因就是這些部位是剪應力集中的部位。

圖1 完全開采剖面下方不同采厚塑性區(qū)圖

塑性破壞區(qū)的發(fā)展變化會對底板的力學性能產(chǎn)生重要影響，進一步發(fā)展下去形成的剪切裂隙帶和拉張屈服帶，使得在底板隔水層中導水裂隙的發(fā)育，并會降低底板隔水層的隔水作用。隨著工作面的推進，塑性區(qū)進一步擴大，底板中的破壞范圍也逐漸擴大。對比不同采厚的底板塑性區(qū)圖（圖1）。可以發(fā)現(xiàn)，隨著采厚增加，塑性區(qū)僅在橫向上發(fā)展擴大，而底板縱向上基本保持不變，即底板破壞深度不變。

對比煤層底板下不同深度塑性區(qū)發(fā)育情況（圖2）可以看出，至距煤層底板以下22 m時采動礦山壓力對煤層底板的影響已較為微弱，僅僅在工作面四個拐角煤柱底板發(fā)生剪切破壞；至距煤層底板23 m時煤層底板已不受采動破壞的影響。對比不同采厚至底板以下22 m 的塑性區(qū)圖可知，隨著采厚增加，底板采動破壞程度增強，但僅以水平方向破壞為主導。

圖2 煤層不同采厚底板不同深度塑性區(qū)發(fā)育圖

圖 1、圖 2 中：zone 表示采區(qū)，zone 表示采區(qū)，plane：on 表示截平面，colorby：state-average 表示顏色渲染：普通狀態(tài)，none-無變化區(qū)域，shear-n 表示現(xiàn)在剪切破壞區(qū)域，shear-p 表示過去剪切破壞區(qū)域，tension-n 表示現(xiàn)在拉伸破壞區(qū)域，tension-p 表示過去拉伸破壞區(qū)域。

綜合對比以上應力、塑性區(qū)特征情況可知，同忻礦8209 工作面特厚煤層綜放開采數(shù)值模擬底板破壞深度止于22 m。

4 相互印證及結論

查閱2019年修編的《晉能控股集團有限公司同忻礦礦井水文地質(zhì)類型劃分報告》，根據(jù)研究區(qū)附近的1102#鉆孔資料，該孔揭露3-5#煤層底板到奧灰含水層頂板間距（M）約70.19 m，奧灰水位標高1 005 m，水壓（P）1.53 MPa。

根據(jù)《煤礦防治水細則》附錄五中突水系數(shù)計算公式：

式中：T—突水系數(shù)，MPa/m；

M—底板隔水層厚度，m；

P—底板隔水層承受的實際水頭值，MPa；水壓應當從含水層頂界面起算，水位值取近3 年含水層觀測水位最高值。

則根據(jù)公式（1）可得研究區(qū)3-5#煤層奧灰突水系數(shù)0.022 MPa/m，突水系數(shù)小于有構造地段經(jīng)驗值0.06 MPa/m，為安全區(qū)，奧灰含水層在完整地段對回采基本上無突水危險性影響。

但根據(jù)前面的綜合分析，研究區(qū)采動破壞帶深度止于22 m，這意味著3-5#煤層底板下22 m深度范圍內(nèi)巖層因受采動礦壓作用破壞了，不具有阻水能力。故安全起見，需要把公式（1）中的分母M 用有效隔水層厚度（M-Mc）重新進行奧灰突水危險性評價，Mc=22 m，即可按公式（2）進行評價：

則可得研究區(qū)域3-5#煤層奧灰突水系數(shù)0.032 MPa/m，該突水系數(shù)仍有構造地段經(jīng)驗值0.06 MPa/m，為安全區(qū)，奧灰含水層在完整地段對回采基本上無突水危險性影響。

則可得結論：通過四個不同位置縱斷面采動底板豎直應力監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)四個監(jiān)測斷面均表現(xiàn)為越接近煤層底板，豎直應力增量越大，越向深部變化量越小，距離煤層底板22 m 時，豎直應力增量已基本變化不大，說明基本亦不受采動影響，由此推測該條件下采動底板破壞深度止于22 m。將所得結論應用于現(xiàn)場，帶壓開采對底板破壞帶無任何影響，進一步驗證了結論是正確的。