采后底板破壞深度探測(cè)與數(shù)值模擬研究

付 翔 楊 勇 史文豹

(1.安徽恒源煤電股份有限公司 祁東煤礦,安徽 宿州 234000;2.安徽理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,安徽 淮南 232001)

近年來,隨著煤炭開采深度和強(qiáng)度的不斷增加,煤層底板突水事故發(fā)生的可能性在大大增加,隨著工作面開采擾動(dòng),極易造成底板突水事故,嚴(yán)重威脅煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于底板破壞深度理論、破壞范圍以及預(yù)測(cè)公式進(jìn)行大量研究。施龍青[1]基于“三帶”理論基礎(chǔ)對(duì)開采煤層底板提出“四帶”劃分;杜芳軍[2]采用工字鋼地梁對(duì)煤層底板進(jìn)行壓力控制和監(jiān)測(cè);黃慶享[3]通過現(xiàn)場實(shí)測(cè)、相似模擬和數(shù)值模擬等分析手段,建立了巷道底板極限平衡深度計(jì)算模型,得出巷幫極限平衡區(qū)寬度與巷道底板破壞深度成線性增長關(guān)系;張蕊[4]通過逐步修正模型邊界條件、反復(fù)調(diào)整力學(xué)參數(shù)等,結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測(cè)的結(jié)果對(duì)煤層底板破壞特征進(jìn)行分析,揭示了礦山壓力在底板傳播規(guī)律;王家臣[5]基于底板馬鞍形破壞規(guī)律和直流電法測(cè)試原理,研究了工作面回采過程中底板巖層電性特征的變化;魯海峰[6]將底板層狀巖體視為橫觀各向同性連續(xù)體,根據(jù)煤層上覆載荷分布特點(diǎn),推導(dǎo)出煤層采動(dòng)后的底板任一點(diǎn)應(yīng)力解析解,準(zhǔn)確預(yù)測(cè)采動(dòng)底板破壞深度;張風(fēng)達(dá)[7]基于多元非線性分析,構(gòu)建深部煤層底板破壞深度模型,擬合出新的底板破壞深度預(yù)測(cè)公式;姜耀東[8]、趙毅鑫[9]、高尚[10]和牛秀清[11]等針對(duì)承壓水底板進(jìn)行相似模擬實(shí)驗(yàn),研究底板破壞深度;程學(xué)豐[12]、張平松[13]等利用CT 技術(shù)獲得煤層采動(dòng)過程中底板破壞的動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律和變形破壞特征。

綜上所述,大多數(shù)學(xué)者都是采用理論分析、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場探測(cè)等手段對(duì)煤層采動(dòng)底板破壞范圍進(jìn)行預(yù)測(cè)、實(shí)測(cè),均取得了較好的效果,在此基礎(chǔ)上,本次祁東煤礦擬采用地質(zhì)雷達(dá)物探及數(shù)值模擬計(jì)算的綜合方法來對(duì)8231工作面采后底板破壞范圍及發(fā)育程度進(jìn)行研究,為與本礦區(qū)相近工作面采后底板突水提供一定的參考依據(jù)。

1 工程背景

該8231工作面位于井田東翼一水平三采區(qū),為三采區(qū)82煤首采工作面。走向布置:工作面東至切眼,靠近F7正斷層,平距約72 m;西至工作面設(shè)計(jì)收作線,靠近三采區(qū)軌道上山,平距約76 m;南至工作面風(fēng)巷,靠近-420 m 等高線;北部至工作面機(jī)巷位置。工作面上方為7131采空區(qū)、7130機(jī)巷,法向距離約30～33 m。工作面起止標(biāo)高-421.5～-464.1 m,工作面里段面寬70 m(平距),走向長640 m,外段面寬160 m(平距),走向長440 m,回采面積109 954 m2。82煤層厚度變化較大,在29線以東,煤厚在1.2～1.9 m,平均煤厚M=1.49 m,層間含一層泥巖夾矸,厚約0.3～0.9 m;從29線以西至收作線,煤厚在2.1～2.7 m,平均煤厚M=2.31 m,層間含一層泥巖夾矸,厚約0.4～0.7 m;82煤層產(chǎn)狀變化較大,煤層傾向在340～20°之間,傾角6～15°,平均為11°。

2 數(shù)值模擬

2.1 建立計(jì)算模型

根據(jù)8231綜采工作面的工程地質(zhì)和開采技術(shù)條件,建立8231工作面回采對(duì)其下覆底板巖層影響的三維計(jì)算模型。?？臻g尺寸x方向?yàn)?10 m,y方向?yàn)?00 m(x和y組成水平面),z方向?yàn)?68 m。整個(gè)模型由264 160 個(gè)單元組成,采用摩爾-庫侖破壞準(zhǔn)則;在8231工作面計(jì)算模型中,包含所模擬的82煤及其頂?shù)装鍘r層,采用巖層傾角11°;在模擬計(jì)算過程中,對(duì)模型的底部位移和模型的側(cè)面位移進(jìn)行限制,并施加相對(duì)應(yīng)的垂直載荷,作用于模型的頂部,以模擬上覆巖層的重量。三維計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 三維計(jì)算模型

2.2 模擬結(jié)果與分析

隨著對(duì)8231工作面進(jìn)行回采,其底板巖層會(huì)受到垂直加卸載及水平拉剪復(fù)合作用,產(chǎn)生變形,裂隙擴(kuò)展,直至形成采場底板破壞帶。根據(jù)8231工作面回采模擬計(jì)算結(jié)果,沿煤層傾斜方向,截取工作面前方10 m、5 m 處刨面。在工作面前方10 m 處,采場底板尚沒有破壞,實(shí)體煤處于正在發(fā)生剪切破壞狀態(tài),此時(shí),在工作面實(shí)體煤內(nèi),主應(yīng)力主要集中于實(shí)體煤和直接頂內(nèi),應(yīng)力集中對(duì)煤層底板影響較小,而上下順槽兩幫內(nèi)均存在應(yīng)力集中,受掘進(jìn)擾動(dòng)和采動(dòng)高應(yīng)力影響,巷道底板破壞明顯,破壞影響范圍約為6.12 m;在工作面前方5 m 處,工作面前方實(shí)體煤底板開始破壞,破壞形式以拉剪復(fù)合破壞為主,主要是由于工作面前方實(shí)體煤受超前支承壓力作用,在5 m 范圍內(nèi)的實(shí)體煤已經(jīng)存在破壞,底板巖層有了一定的可變形空間,加劇對(duì)底板破壞,如圖2和圖3所示。

圖2 沿傾向82 31工作面前方不同位置主應(yīng)力分布/MPa

圖3 沿傾向82 31工作面前方不同位置主應(yīng)力分布及破壞

沿傾斜方向截取工作面后方5 m、10 m、20 m、50 m 處刨面,隨著工作面推進(jìn),8231工作面后方底板破壞范圍逐漸增大,在工作面后方20 m 之后逐漸穩(wěn)定。同時(shí),在底板巖層0～7 m范圍內(nèi),破壞形式主要為拉剪復(fù)合破壞;在底板7 m 以下巖層中,破壞形式主要為剪切破壞;在工作面后方5 m 處,工作面底板破壞影響范圍約為20.16 m;在工作面后方20 m 處,工作面底板破壞影響范圍約為26.17 m;在工作面后方50 m 處,工作面底板破壞影響范圍仍約為26.17 m,其中在0～7 m 范圍內(nèi)為已經(jīng)破壞區(qū)域,破壞程度大,而在工作面底板7～26.17 m 范圍內(nèi)正在發(fā)生拉剪復(fù)合破壞,破壞程度相對(duì)較小。沿傾向方向8231 工作面后方不同位置主應(yīng)力分布云圖及破壞特征如圖4和圖5所示。

圖4 沿傾向方向82 31工作面后方不同位置主應(yīng)力分布云圖

圖5 沿傾向方向82 31工作面后方不同位置破壞特征

綜上所述,采場底板破壞起始于工作面前方約5 m 處,隨著工作面回采底板破壞范圍逐漸擴(kuò)大,在工作面后方20 m 之后基本穩(wěn)定,最大破壞影響范圍約為0～26.17 m;而上下順槽底板破壞影響范圍約為0～26.28 m,稍大于工作面底板破壞深度,分析原因在于:上下順槽受到掘進(jìn)擾動(dòng)后其底板已經(jīng)破壞,隨著工作面回采,受超前支承壓力影響,其底板破壞深度進(jìn)一步增加,而采場底板僅受到一次采動(dòng)擾動(dòng)影響。

3 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)

3.1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理

地質(zhì)雷達(dá)(Ground Penetrating Radar,簡稱GPR)是利用頻率介于106～109Hz的無線電波來確定地下介質(zhì)的一種地球物理探測(cè)儀器,通過發(fā)射天線將高頻短脈沖電磁波定向送入地下,電磁波在傳播過程中遇到存在電性差異的地層或目標(biāo)體就會(huì)發(fā)生反射和透射,接收天線收到反射波信號(hào)并將其數(shù)字化,然后由電腦以反射波波形的形式記錄下來[14-15],地質(zhì)雷達(dá)工作的基本原理如圖6所示。

圖6 地質(zhì)雷達(dá)基本原理圖

3.2 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)方案

8231工作面底板破壞深度地質(zhì)雷達(dá)探測(cè),設(shè)備選用中國電波研究所生產(chǎn)的LTD-2100型地質(zhì)探測(cè)雷達(dá),主頻為100 MHz的雷達(dá)天線。采用手動(dòng)打標(biāo)進(jìn)行定位,測(cè)量位置選在工作面回風(fēng)巷道、運(yùn)輸巷道及工作面內(nèi)分別進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)。在探測(cè)過程中,將地質(zhì)雷達(dá)天線置于巷道底板平穩(wěn)移動(dòng),具體探測(cè)位置及軌跡如圖7所示。地質(zhì)探測(cè)過程選擇自動(dòng)增益,介電常數(shù)選為5.5。

圖7 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)位置及軌跡

3.3 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)電磁波在不同介質(zhì)中的傳播速度不同,其發(fā)射波的振幅、頻率等均不同,進(jìn)而在地質(zhì)雷達(dá)結(jié)果圖中呈現(xiàn)的色彩具有明顯的差異。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果,選取工作面內(nèi)、運(yùn)輸巷道內(nèi)具有代表性的地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果圖對(duì)工作面底板破壞范圍進(jìn)行分析。

8231運(yùn)輸巷道底板地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)電磁波反射波變化特征,在底板0～24.21 m 范圍內(nèi),電磁波反射波波形雜亂、振幅較高且寬,同向軸錯(cuò)斷,在探測(cè)結(jié)果圖中呈現(xiàn)出雜亂的亮色區(qū)域斑塊;而在24.21 m 以下,反射波能量衰減較為均勻,波形變化不大,振幅變化均衡,在探測(cè)結(jié)果圖中呈現(xiàn)出相同埋深色彩均一,不同埋深反射波色彩有規(guī)律衰減,如圖8所示。從圖8可推斷出,在8231運(yùn)輸巷道底板受巷道掘進(jìn)擾動(dòng)和工作面回采超前支承壓力雙重作用下,其0～24.21 m 范圍巖層呈現(xiàn)地質(zhì)結(jié)構(gòu)異常、巖層不同程度的拉剪破壞。

圖8 82 31運(yùn)輸巷道底板雷達(dá)探測(cè)結(jié)果

8231工作面底板地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)電磁波反射波變化特征,在底板0～23.9 m 范圍內(nèi),巖層電磁波反射波波形雜亂、振幅更高且寬,同向軸錯(cuò)斷,在探測(cè)結(jié)果圖中也呈現(xiàn)出雜亂的亮色區(qū)域斑塊;而在23.9 m 以下,反射波能量衰減較為規(guī)律,波形變化均勻,振幅變化均衡,在探測(cè)結(jié)果圖中也呈現(xiàn)相同埋深色彩均一,不同埋深反射波色彩有規(guī)律衰減,如圖9 所示。從圖9可推斷出,8231 工作面底板受采動(dòng)擾動(dòng)影響,其底板采動(dòng)破壞影響范圍可達(dá)0～23.9 m。

圖9 82 31工作面底板雷達(dá)探測(cè)結(jié)果

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)對(duì)8231工作面及其運(yùn)輸巷道底板巖層探測(cè)結(jié)果分析,受采動(dòng)擾動(dòng)影響,8231工作面底板破壞影響深度在23.9～24.21 m,其值與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。

4 結(jié) 論

(1)礦井采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)采后底板破壞深度進(jìn)行探測(cè),可以根據(jù)反射波的波形、振幅等變化特點(diǎn)對(duì)巖層內(nèi)異常區(qū)域進(jìn)行定性分析,預(yù)判巖層的完整性,進(jìn)而獲得采場底板破壞影響范圍。

(2)對(duì)比地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)和數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果,8231工作面采后底板破壞深度大體一致,可以判定其采后底板破壞影響深度約為23.9～26.28 m。

(3)地質(zhì)雷達(dá)可以探測(cè)出復(fù)雜多變地下巖層地質(zhì)異常區(qū)。由于受到干擾較多,對(duì)于高測(cè)試精度還有待提高。為獲得更真實(shí)詳細(xì)的工作面采后底板破壞范圍,需要進(jìn)一步提高探測(cè)手段。