帶壓開(kāi)采煤層底板破壞深度研究

楊 忠，李曉龍，2，3

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077； 2.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；3.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

我國(guó)華北型煤田深受底板奧陶系灰?guī)r(簡(jiǎn)稱奧灰)水害威脅，其中渭北煤田韓城礦區(qū)奧灰頂部隔水層極薄，偶有斷裂和陷落柱發(fā)育[1-7]?，F(xiàn)階段常采用近水平定向鉆進(jìn)技術(shù)注漿加固奧灰含水層頂部，注漿加固的層位需選擇在煤層底板破壞帶以下合理深度，可見(jiàn)研究底板破壞深度至關(guān)重要。目前常采用數(shù)值模擬、相似模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等手段研究底板破壞深度，不同手段有其優(yōu)缺點(diǎn)，其中現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)手段雖成本高，但成果可信度較高。

桑樹(shù)坪煤礦位于渭北煤田韓城礦區(qū)最北端，主采3號(hào)和11號(hào)煤層[8]。其中11號(hào)煤層距奧灰含水層極近，煤層開(kāi)采深受底板奧灰水害威脅。為此，中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司利用井下近水平定向鉆孔超前區(qū)域治理奧灰水害[7]。治理前期，采取多種現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)手段研究了3105工作面底板破壞深度。為此，筆者基于鉆孔壓水試驗(yàn)、聲波測(cè)試、鉆孔窺視3種實(shí)測(cè)技術(shù)手段，研究了桑樹(shù)坪煤礦11號(hào)煤層開(kāi)采底板破壞深度，以期為底板注漿加固層位選擇提供技術(shù)參數(shù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

桑樹(shù)坪井田11號(hào)煤層厚度0.24～10.80 m，平均厚3.5 m，為大部分可采煤層。南一采區(qū)11號(hào)煤層距奧灰?guī)r層頂界面15～33 m，開(kāi)采標(biāo)高位于區(qū)域奧灰水位+375 m以下，煤層底板完整性較差，奧灰含水層富水性不均一，煤層回采深受底板奧灰水害的威脅。井田內(nèi)出露的地層由老到新依次為：奧陶系中統(tǒng)馬家溝組、峰峰組，石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組，二疊系上統(tǒng)上石盒子組、石千峰組，第四系。11號(hào)煤層位于太原組下部，為太原組唯一可采煤層[7]。11號(hào)煤層底板距奧灰頂界面厚度等值線如圖1所示。

圖1 11號(hào)煤層底板距奧灰頂界面厚度等值線Fig.1 Thickness contour of the interface between the floor of the No.11 coal seam and and theupper of the ordovician limestone

2 煤層底板破壞深度發(fā)育規(guī)律

根據(jù)彈性力學(xué)理論，采場(chǎng)問(wèn)題類似于半無(wú)限體上均布載荷問(wèn)題，剪應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在載荷作用的邊界處，即采場(chǎng)邊緣下部巖體最易發(fā)生剪切變形和破壞，底板破壞深度隨著開(kāi)采深度的增加而增加，隨著底板巖體強(qiáng)度的增加而減小。根據(jù)塑性理論計(jì)算底板巖體破壞深度，沿工作面回采方向，自采空區(qū)到煤壁前方一定范圍形成破壞區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)，底板破壞深度最大值位于煤壁后方采空區(qū)一定位置[9]。底板裂隙帶分布形態(tài)如圖2所示。

圖2 底板裂隙帶分布形態(tài)示意Fig.2 Distribution form of the floor fracture zone

3 煤層底板破壞深度研究方法

桑樹(shù)坪煤礦采用無(wú)煤柱開(kāi)采，在軌道巷內(nèi)側(cè)隨工作面回采留設(shè)寬2 m的柔膜墻，針對(duì)此工況，在3105工作面軌道巷施工了4個(gè)鉆孔，分別是ZK1、ZK2、ZK3、ZK4鉆孔，采用鉆孔壓水試驗(yàn)、鉆孔聲波測(cè)試和鉆孔窺視3種方法現(xiàn)場(chǎng)綜合觀測(cè)研究底板擾動(dòng)破壞深度。結(jié)合韓城礦區(qū)馬溝渠煤礦底板破壞實(shí)測(cè)深度13 m，綜合考慮確定鉆孔垂直測(cè)試段為8～25 m，平面測(cè)試范圍為軌道巷邊界向里16～17 m，測(cè)試范圍覆蓋采場(chǎng)底板破壞最大深度，3種方法測(cè)試時(shí)間段為采前50 m和采后60 m，工作面每推進(jìn)5 m測(cè)試1次，旨在準(zhǔn)確獲取底板破壞最大深度，以及采動(dòng)過(guò)程中底板破壞發(fā)育規(guī)律。底板破壞深度測(cè)試鉆孔信息見(jiàn)表1，鉆孔平面、剖面如圖3所示。

圖3 鉆孔平面、剖面示意Fig.3 Drilling plan and profile

表1 底板破壞深度測(cè)試鉆孔信息Tab.1 Borehole information of failure depth of floor test

3.1 鉆孔壓水試驗(yàn)

壓水試驗(yàn)主要是測(cè)量巖體的滲透性，通過(guò)對(duì)比工作面采前、采后底板滲透系數(shù)變化，確定底板破壞深度。首先采用雙栓塞分段壓水試驗(yàn)確定巖體原始滲透系數(shù)K1，4個(gè)鉆孔壓入水量均非常小，故采用單栓塞壓水試驗(yàn)確定原始滲透系數(shù)K1，試驗(yàn)壓力為0.2 MPa，壓水時(shí)間為15～25 min，每隔5 min記錄1次。ZK1鉆孔單栓塞壓水試驗(yàn)壓入水量有變化時(shí)，準(zhǔn)備采取雙栓塞分段壓水，下入測(cè)試設(shè)備過(guò)程中，由于鉆孔周邊巖層破碎，導(dǎo)致設(shè)備卡在孔內(nèi)，測(cè)試被迫結(jié)束，僅獲得5組單栓塞測(cè)試數(shù)據(jù)。單栓塞壓水試驗(yàn)測(cè)得ZK2鉆孔原始滲透系數(shù)為0.09 m/d，ZK3和ZK4鉆孔原始滲透系數(shù)均為0.06 m/d。壓水量隨采動(dòng)過(guò)程變化曲線如圖4所示。

(1)ZK2鉆孔。測(cè)試一段時(shí)間后，單栓塞壓入水量變大，故采取雙栓塞分段壓水，測(cè)試段分別為10.1～10.3、11.1～11.3、12.0～12.3、12.9～13.1、13.8～14.0、14.7～14.9、15.6～15.8 m。由圖4可以看出，垂深10.1～14.9 m，壓入水量波動(dòng)較大，最大值位于工作面采過(guò)測(cè)點(diǎn)后5～10 m，最大值為6～12 L/min，說(shuō)明采動(dòng)影響導(dǎo)致各段巖體裂隙發(fā)育不同，測(cè)試段15.6～15.8 m，壓入水量基本不變，可見(jiàn)采動(dòng)對(duì)此段巖體影響較小。

(2)ZK3、ZK4鉆孔。ZK3、ZK4鉆孔從開(kāi)始測(cè)試至測(cè)試終止，由于測(cè)試段水量基本無(wú)變化，一直采用單栓塞壓水。測(cè)試段分別為16.0～20.2、21.1～25.0 m，由圖4可以看出，自始至終測(cè)試段壓入水量基本沒(méi)有變化，曲線較平穩(wěn)，可見(jiàn)采動(dòng)對(duì)此段幾乎無(wú)影響。

圖4 壓水量隨采動(dòng)過(guò)程變化曲線Fig.4 Variation in water injection volume with mining

ZK1鉆孔8～10 m測(cè)試段單栓塞壓入水量明顯上升，且孔內(nèi)出現(xiàn)掉塊，可見(jiàn)此段位于擾動(dòng)范圍之內(nèi)。各試驗(yàn)段滲透系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。依據(jù)肖洪天等[10]確定的判別標(biāo)準(zhǔn)，由表2可以看出，ZK2鉆孔10.1～14.9 m測(cè)試段采前、采后滲透系數(shù)滿足ΔK≥0.2 m/d，K2/K1≥2，可見(jiàn)此深度位于采動(dòng)影響范圍內(nèi)。其他鉆孔各測(cè)試段滲透系數(shù)變化均不滿足ΔK≥0.2 m/d，K2/K1≥2。因此，壓水試驗(yàn)實(shí)測(cè)底板擾動(dòng)破壞深度為14.9 m。

表2 各試驗(yàn)段滲透系數(shù)計(jì)算統(tǒng)計(jì)Tab.2 Calculation and statistics of permeability coefficient of each test section

3.2 聲波測(cè)試

利用聲波在巖體中的傳播特征可探測(cè)工作面回采過(guò)程中底板應(yīng)力變化和破壞深度，巖性、應(yīng)力狀態(tài)、裂隙發(fā)育程度、沉積特征差異均表現(xiàn)出不同的傳播特征，對(duì)比采動(dòng)前后多次重復(fù)觀測(cè)的聲波速度變化，可以消除巖體巖性、結(jié)構(gòu)差異的影響，突出采動(dòng)影響?；夭善陂g在4個(gè)鉆孔各布置1條數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)線，使用CLC1000型超聲波圍巖裂隙探測(cè)儀，有效觀測(cè)垂深為10～25 m，工作面距離測(cè)試鉆孔約-36 m時(shí)開(kāi)始測(cè)試，至采后約56.7 m位置停止觀測(cè)，觀測(cè)位置分別為-36、-23、-14、-1.1、6、18、34、56.7 m，利用鉆孔測(cè)試聲波曲線(圖5)研究底板圍巖裂隙變化規(guī)律。

圖5 測(cè)試鉆孔距工作面不同距離聲波曲線Fig.5 Sound wave curves at different distances from the borehole to the mining face

(1)-36～-14 m，底板處于原巖應(yīng)力狀態(tài)到初步擾動(dòng)階段，聲波曲線基本處于低位，波速較快，曲線相對(duì)平穩(wěn)。

(2)-14～34 m，針對(duì)某一固定觀測(cè)位置，聲波曲線出現(xiàn)從高位到低位的明顯變化，說(shuō)明波速由慢到快大幅增加，隨著垂直深度的增加，底板巖體呈現(xiàn)由破裂到完整的現(xiàn)象，且破裂深度為10.0～14.7 m。14.7～25.0 m測(cè)試段聲波曲線處于低位平穩(wěn)階段，底板巖體仍處于彈性區(qū)域，可見(jiàn)底板巖層破裂未發(fā)育至此深度。

(3)34.0～56.7 m，聲波曲線均處于低位平穩(wěn)階段，說(shuō)明波速較快，底板淺部已發(fā)生塑性破壞的巖體逐漸閉合，基本頂重新壓實(shí)，但無(wú)劈裂現(xiàn)象再發(fā)生。

上述聲波曲線表現(xiàn)出3個(gè)階段，驗(yàn)證了工作面回采過(guò)程中底板巖層內(nèi)任一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)為采前升高、采后降低及恢復(fù)3個(gè)階段，煤層底板的位移處于采前壓縮、采后膨脹及恢復(fù)3個(gè)階段。

3.3 鉆孔窺視

采用YSZ(B)型巖層鉆孔窺視儀現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，從底板巖體破壞實(shí)測(cè)圖(圖6)可直觀看出，受采動(dòng)影響，孔內(nèi)出現(xiàn)破碎、裂隙，裂隙在10～15 m發(fā)育較多，15 m以下未觀測(cè)到裂隙，巖體較完整。

圖6 底板巖體破壞實(shí)測(cè)Fig.6 Field-measured failure depths of the floor rock mass

4 綜合評(píng)價(jià)

綜合考慮3種實(shí)測(cè)方法，認(rèn)為底板破壞深度為15 m，符合真實(shí)情況。實(shí)測(cè)底板破壞深度見(jiàn)表3。

表3 實(shí)測(cè)底板破壞深度統(tǒng)計(jì)Tab.3 Measured failure depth of the floor

我國(guó)2017年修訂了《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》，未給出具體的預(yù)測(cè)底板破壞深度公式，可見(jiàn)底板破壞深度預(yù)測(cè)公式的普遍適用性降低，而需針對(duì)專門的問(wèn)題開(kāi)展相關(guān)研究。研究表明，底板破壞深度與采深、采寬、采高成正比，也與巖體力學(xué)性質(zhì)、煤層傾角有關(guān)，其中采深和工作面尺寸影響最大。與3105工作面位于同一采區(qū)的其他工作面，采寬均為180 m，采深平均為400 m，采高為3 m，煤層傾角平均為5°，頂?shù)装鍘r性一致，故南一采區(qū)工作面回采過(guò)程中底板破壞深度按3105工作面實(shí)測(cè)底板破壞深度15 m計(jì)算可行[11-12]。

5 結(jié)論

(1)桑樹(shù)坪煤礦3105工作面底板破壞深度為15 m，亦可應(yīng)用于同一采區(qū)其他工作面，為底板注漿加固層位選擇提供了技術(shù)參數(shù)。

(2)鉆孔壓水試驗(yàn)、聲波測(cè)試、鉆孔窺視3種技術(shù)手段測(cè)試底板破壞深度合理可靠，可推廣應(yīng)用于其他礦區(qū)。