膏體充填開采底板破壞機(jī)理及分區(qū)治理技術(shù)

軒召軍，常慶糧

（1.山東康格能源科技有限公司，山東 濟(jì)寧 272000；2.中國礦業(yè)大學(xué) 深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

我國研究者對(duì)于充填開采法防治承壓水上采煤下伏煤巖層的破壞進(jìn)行了大量理論研究和實(shí)踐應(yīng)用，但對(duì)于近距離高承壓水、復(fù)雜開采地質(zhì)條件下安全采煤的研究仍需進(jìn)一步開展研究。朱開鵬[1]、龐貴良[2]、黃建飛等[3]為了研究分析工作面開采過程中下伏煤巖的破壞深度及其規(guī)律，通過ADINA 數(shù)值模擬分析，得到在工作面采煤經(jīng)過正斷層區(qū)域時(shí)，下伏含水層突水的最危險(xiǎn)位置在工作面經(jīng)過斷層帶和頂板初次來壓的地段，且下伏煤巖層呈現(xiàn)“馬鞍型”破壞的形狀；孫?？萚4-5]、張培森等[6]為了研究分析工作面開采過程中下伏煤巖層的破斷規(guī)律和突水條件，將下伏煤巖層看作脆性巖體，通過構(gòu)建下伏導(dǎo)水和不導(dǎo)水的斷裂面力學(xué)分析模型，提出下伏煤巖層斷裂和突水機(jī)率隨著煤層采深的增加而增大，底板突水與礦山壓力有直接關(guān)系；宋文成等[7-8]為了研究分析工作面開采過程中下伏煤巖的破壞深度和規(guī)律，通過現(xiàn)場(chǎng)三維地應(yīng)力實(shí)測(cè)，并根據(jù)莫爾-庫倫準(zhǔn)則，通過FLAC3D數(shù)值模擬分析得出了不同采煤階段工作面下伏煤巖層的塑性破壞區(qū)和應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律；張士川等[9]、劉傳韜等[10-11]為了研究分析華北地區(qū)煤層工作面開采過程中下伏煤巖的破壞深度，采用現(xiàn)場(chǎng)物探和鉆探相結(jié)合的手段，探測(cè)了多個(gè)采煤工作面下伏煤巖層的破壞深度，通過探測(cè)工作面采煤前后下伏煤巖層的位移、變形破壞特征及應(yīng)力場(chǎng)分布，得出了工作面采煤前后下伏煤巖層變形破壞的深度及其影響因素。

岱莊煤礦屬于典型建筑物下、近距離高承壓水上采煤條件，井田范圍內(nèi)地表村莊共計(jì)78 個(gè)，村莊稠密，村莊下煤炭的可采儲(chǔ)量約7 900 萬t，占礦井總可采儲(chǔ)量的80 %，而其中3上煤層村莊下煤炭的可采儲(chǔ)量約5 000 萬t，占礦井所有村莊下煤炭可采儲(chǔ)量的63 %。該礦井地面村莊分布較多，礦區(qū)位于濟(jì)寧市區(qū)城鄉(xiāng)結(jié)合部，村莊所處位置優(yōu)越，所以不可能采取搬遷村莊的措施實(shí)現(xiàn)“三下”采煤。針對(duì)岱莊煤礦16#煤層在建筑物下和高承壓水上條件下安全開采，開展高承壓水上建筑物下長壁工作面充填開采技術(shù)的課題研究，初步選定在該煤礦1160 采區(qū)進(jìn)行膏體充填試采研究。采用膏體對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填處理，使充填體與采空區(qū)頂?shù)装逍纬身敯?充填體-底板相互關(guān)聯(lián)的支承體系，該技術(shù)通過控制底板破壞的深度，可以對(duì)地下水資源起到較好的保護(hù)作用，尤其是承壓水上采煤條件下，能夠明顯改善煤礦的安全生產(chǎn)條件；另一方面，該技術(shù)通過對(duì)地表下沉變形的有效控制，實(shí)現(xiàn)不搬遷采煤，可大大提高煤炭資源的采出率；而且，將礦山固體廢物作為充填材料進(jìn)行利用，變廢為寶，可大大改善礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境。

1 工程概況

岱莊煤礦位于山東省濟(jì)寧市境內(nèi)，南距濟(jì)寧市6 km，區(qū)內(nèi)鐵路、公路、水路運(yùn)輸條件便利，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力150 萬t，2000 年元月建成投產(chǎn)，核定年生產(chǎn)能力為320 萬t。岱莊煤礦歸類為瓦斯礦井，井筒布置在礦井中部，設(shè)計(jì)兩立井分水平開拓，采用中央并列式通風(fēng)方式。礦井分為-410 m 水平上組煤和-580 m 水平下組煤。-410 m 水平主要開采3上、3下煤層，-580 m 水平主要開采16#、17#煤層。根據(jù)該礦地質(zhì)水文鉆孔探明16#煤層距離底板十三灰平均為21.6 m，距離底板奧灰平均為61.1 m，煤層與含水層間的位置關(guān)系如圖1。

圖1 煤層與含水層間的位置關(guān)系圖Fig.1 Location relationship between coal seam and aquifer

16#煤層底板奧灰含水層的最大突水系數(shù)約為0.12 MPa/m，根據(jù)煤炭開采先易后難的原則，岱莊煤礦研究決定對(duì)11605 工作面鄰近地質(zhì)條件相對(duì)簡單的11607 工作面先行進(jìn)行膏體充填試驗(yàn)開采。11607工作面設(shè)計(jì)傾斜和走向平均長度分別為120、1 000 m。工作面地面標(biāo)高在+37.1～+41.4 m 之間，平均標(biāo)高為+40.3 m；工作面底板標(biāo)高在-443.5～-516.9 m 之間，平均標(biāo)高為-501.3 m。工作面埋深在480.6～558.3 m 之間，平均埋深541.6 m。工作面內(nèi)16#煤層厚度在1.65～2.35 m 之間，平均煤厚2.16 m，傾角小于12°，煤層局部含細(xì)粒砂巖夾矸，厚度在0.10～0.27 m 之間。

2 膏體充填開采底板破壞機(jī)理

2.1 等效巷道理論

長壁膏體充填工作面如圖2。

圖2 長壁膏體充填工作面示意圖Fig.2 Schematic diagram of longwall paste filling working face

當(dāng)工作面未采用充填開采時(shí)，隨著工作面不斷向前推進(jìn)，當(dāng)頂板懸露長度達(dá)到一定程度時(shí)，頂板便會(huì)發(fā)生初次破斷和周期性的破斷，礦山壓力顯現(xiàn)較為強(qiáng)烈且明顯；而當(dāng)采用充填開采時(shí)，由于工作面后方采空區(qū)不斷被膏體充填，對(duì)頂?shù)装宓募皶r(shí)支護(hù)作用，可將開切眼看成不斷向前推進(jìn)的等效巷道[5-7]，由于等效巷道暴露的寬度較小，相對(duì)于未采用充填開采時(shí)其礦壓顯現(xiàn)不明顯，直接頂不會(huì)發(fā)生周期性的破斷，基本頂同樣也不會(huì)發(fā)生周期性的來壓，于是大大改善采空區(qū)頂?shù)装宓膰鷰r條件。所以充填開采下伏煤巖層破壞深度可以采用等效巷道理論進(jìn)行理論計(jì)算[5-7]。

對(duì)于膏體充填工作面等效成移動(dòng)巷道（或短壁工作面）的探究，關(guān)鍵問題在于如何確定等效移動(dòng)巷道的空間效應(yīng)和時(shí)間效應(yīng)。

2.2 等效巷道寬度空間效應(yīng)

隨著工作面后方采空區(qū)充填的膏體材料的固化凝結(jié)，隨著充填體齡期的增加，對(duì)頂?shù)装宓闹С凶饔靡搽S之增加，等效巷道的寬度并非工作面控頂距，而應(yīng)是煤壁至工作面后方某一位置的充填體的距離。此位置的充填體應(yīng)在強(qiáng)度上滿足一定要求。針對(duì)承壓水上開采的具體問題，分析認(rèn)為充填體強(qiáng)度足以達(dá)到將上覆巖層自重荷載傳遞給底板，達(dá)到平衡底板水壓荷載時(shí)，充填體強(qiáng)度稱為耐水壓強(qiáng)度，并將該位置的充填體看作等效移動(dòng)巷道的一幫，該位置距離工作面煤壁的寬度為等效移動(dòng)巷道的寬度。

隨著膏體充填工藝的不同，等效巷道的寬度也將隨之改變[4-6]，充填體凝固速度、工作面日進(jìn)尺、充填步距、控頂距等參數(shù)都影響著等效巷道的寬度，進(jìn)而引起工作面下伏煤巖層破壞的深度改變。等效巷道寬度與底板破壞深度關(guān)系如圖3。

圖3 等效巷道寬度與底板破壞深度關(guān)系Fig.3 The relationship between equivalent roadway width and floor failure depth

1）在工作面開切眼開掘后采煤機(jī)割煤以前，工作面采動(dòng)影響只有開切眼的開掘，而前面已經(jīng)分析了開切眼看作1 條等效移動(dòng)的巷道，該巷道寬度為開切眼的寬度Lq。

2）當(dāng)工作面割煤進(jìn)尺為1 個(gè)充填步距時(shí)，相對(duì)于等效移動(dòng)巷道進(jìn)行了拓幫加寬。在充填體固化凝結(jié)前，等效巷道的寬度為：Lz+Lb（其中Lb為1 個(gè)充填步距，Lz為支架頂梁長度），如圖3（a）。

3）隨著工作面向前割煤繼續(xù)推進(jìn)，當(dāng)工作面割煤進(jìn)尺達(dá)到2 個(gè)充填步距時(shí)，相對(duì)于等效移動(dòng)巷道繼續(xù)進(jìn)行了拓幫加寬。該時(shí)期第1 個(gè)充填帶的齡期為1 d，則此時(shí)等效巷道的寬度為（Lz+Lb）～（Lz+2Lb）。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用的實(shí)踐表明，為了保證下伏煤巖層計(jì)算破壞深度值的安全性，等效巷道的寬度最大?。↙z+2Lb），如圖3（b）。

4）采空區(qū)采取膏體材料充填后，隨著充填體的凝結(jié)固化，其強(qiáng)度不斷增大，對(duì)采空區(qū)頂?shù)装迤鸬街С凶饔茫?dāng)充填體強(qiáng)度足以達(dá)到將上覆巖層自重荷載傳遞給底板，達(dá)到平衡底板水壓荷載時(shí)，此時(shí)將該位置的充填體看作等效移動(dòng)巷道的一幫。則此時(shí)等效巷道的寬度為Lz+nLb（充填體達(dá)到耐水壓強(qiáng)度的天數(shù)為n）。如圖3（c）。

5）當(dāng)整個(gè)膏體充填工作面達(dá)到停采線之后回撤液壓支架前，此時(shí)工作面已經(jīng)停止向前割煤推進(jìn)，采空區(qū)充填體的固化凝結(jié)，隨著充填體強(qiáng)度不斷增大，等效巷道的寬度減小，停采后的工作面煤壁與充填帶之間的距離為最終等效巷道的寬度，此時(shí)膏體充填工作面等效巷道寬度最大為Lq+nLb，寬度最小為開切眼寬度Lq。不同狀態(tài)的膏體充填工作面的等效巷道寬度不同，等效巷道最寬為Lz+n×Lb，此時(shí)底板破壞深度最大。

2.3 等效巷道作用時(shí)間效應(yīng)

根據(jù)一般巷道的變形觀測(cè)結(jié)果，自巷道掘成到其變形穩(wěn)定要經(jīng)歷30～40 d，而巷道變形主要組成部分為巷道圍巖松動(dòng)圈變形，因此推斷巷道底板破壞范圍的形成也不是一蹴而就的。膏體充填工作面等效成移動(dòng)的巷道，其底板破壞深度也應(yīng)具有時(shí)間效應(yīng)，而目前對(duì)于巷道底板破壞深度的時(shí)間效應(yīng)并沒相關(guān)研究，本研究暫不考慮等效巷道的時(shí)間效應(yīng)[4-6]。需要說明的是不考慮等效巷道時(shí)間效應(yīng)的計(jì)算方法對(duì)承壓水上開采的安全性是有利的。

分析認(rèn)為，當(dāng)采空區(qū)無充填體支護(hù)時(shí)，底板在水壓和礦山壓力的作用下逐漸鼓起，煤壁處支承壓力和底板彎矩逐漸增大，采空區(qū)進(jìn)行充填后，隨著充填體強(qiáng)度逐漸增加，充填體阻止了頂板的繼續(xù)下沉并將頂板載荷傳遞給底板，當(dāng)充填體傳遞的載荷使底板隔水層受力平衡時(shí)，煤壁處底板彎矩不再增加，此時(shí)底板破壞深度不會(huì)繼續(xù)增加。而底板從“開挖-支架支護(hù)-暴露的待充區(qū)-充填體支護(hù)”所經(jīng)歷的時(shí)間也就是等效巷道礦山壓力作用的時(shí)間。其計(jì)算公式[5-7]為：

式中：T 為等效巷道作用時(shí)間，d；Lz為支架的長度，m；Lb為1 個(gè)充填步距，m；v 為工作面推進(jìn)速度，m/d；t 為充填體達(dá)到耐水壓強(qiáng)度的時(shí)間，d。

2.4 底板破壞深度

基于等效巷道理論膏體充填工作面底板塑性破壞區(qū)的形態(tài)如圖4，當(dāng)工作面底板發(fā)生破壞，產(chǎn)生塑性破壞范圍時(shí)，將工作面底板塑性破壞范圍劃分成：主動(dòng)極限范圍（如圖4 的I 區(qū)）、過渡范圍（如圖4 的II 區(qū)）和被動(dòng)極限范圍（如圖4 的III 區(qū)）。

圖4 等效巷道底板破壞深度計(jì)算模型Fig.4 Calculation model of equivalent roadway floor failure depth

由塑性滑移線場(chǎng)理論可推導(dǎo)出底板破壞深度計(jì)算公式[8-10]：

式中：hpo為膏體充填工作面下伏煤巖破壞的深度，m；la為巷道兩幫塑性區(qū)寬度，m；φ 為煤層底板內(nèi)摩擦角，（°）。

3 底板破壞數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模擬模型及方案

本次模擬采用FLAC[12-14]數(shù)值模擬軟件，運(yùn)用連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日差分法。結(jié)合岱莊煤礦現(xiàn)場(chǎng)11607 工作面綜合柱狀圖和煤層下伏煤巖L10-2、L10-4、11607-2 和15-2 號(hào)4 個(gè)地質(zhì)鉆孔實(shí)際情況，本次數(shù)值模擬以11607 工作面下部最脆弱的隔水層地點(diǎn)為數(shù)值模擬原型地點(diǎn)，11607-2 號(hào)地質(zhì)鉆孔顯示該處11607 工作面下部十三灰隔水層厚度僅為24 m 左右。構(gòu)建模型高度、長度和寬度分別為114.6、200、200 m，16#開采煤層與模型最上部邊界距離39.6 m，與模型下底部邊界距離75 m，設(shè)計(jì)模型中開采煤層與下部奧灰上界距離為61.1 m，與下部十三灰上界距離21.6 m，構(gòu)建數(shù)值模擬模型如圖5。設(shè)計(jì)模型中16#煤層與模型最頂端邊界的距離為39.6 m，而16#煤層的埋深為541.6 m，則上部覆巖自重荷載施加在模型上部邊界的載荷為12.55 MPa。

圖5 數(shù)值模擬模型與邊界條件Fig.5 Numerical simulation models and boundary conditions

設(shè)計(jì)模型中11607 膏體充填工作面傾斜長度為120 m，在模型左端50 m 布置開切眼，11607 工作面割煤高度2 m，自模型左端向右開采推進(jìn)距離為100 m。模擬工作面首先進(jìn)行采煤作業(yè)，采空區(qū)再緊跟著充填作業(yè)，膏體充填體凝固形成承載結(jié)構(gòu)，采空區(qū)的充填步距與工作面每日進(jìn)尺保持一致。設(shè)計(jì)模型左右兩邊界之間寬度為200 m，為降低模擬邊界的影響，開切眼設(shè)置在距離模型左邊界50 m 處，自開切眼向右開采100 m，模型右邊界留設(shè)邊界煤柱寬度為50 m。

本次模擬主要針對(duì)11607 膏體充填工作面在不同充填體強(qiáng)度、充填步距及充填率條件下，研究分析膏體充填工作面不同充填工藝參數(shù)與底板破壞深度之間的關(guān)系，并分析底板巖層形、應(yīng)力場(chǎng)及塑性區(qū)分布等特征?，F(xiàn)場(chǎng)11607 膏體充填工作面采用“三八”工作制度，首先進(jìn)行采煤作業(yè)，采空區(qū)再緊跟著充填作業(yè)，最后進(jìn)行工作面檢修，同時(shí)膏體充填體凝固，其中采空區(qū)的充填步距與工作面每日進(jìn)尺保持一致，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件設(shè)計(jì)數(shù)值模擬方案為：①方案Ⅰ：模擬設(shè)定11607 工作面采空區(qū)在充填率為98%，充填的步距2.4 m/d 時(shí)，模擬充填體的28 d 強(qiáng)度分別為3、4、5、7 MPa；②方案Ⅱ：模擬設(shè)定11607 工作面采空區(qū)在膏體充填體的強(qiáng)度（28 d 強(qiáng)度）為5 MPa，充填率為98%的條件下，模擬膏體充填體的充填步距分布為1.2、2.4、3.6 m。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果

根據(jù)數(shù)值模擬方案Ⅰ的模擬結(jié)果，在采空區(qū)充填率為98%，充填的步距2.4 m/d 條件下，不同充填體的28 d 強(qiáng)度時(shí)膏體充填工作面底板破壞深度、巖層變形及塑性區(qū)分布等規(guī)律的模擬結(jié)果如圖6（在11607 工作面推進(jìn)方向的中部截取剖面）。

圖6 不同膏體28 d 強(qiáng)度數(shù)值模擬塑性區(qū)情況Fig.6 Numerical simulation of plastic zone of 28 d strength of different paste

由圖6 分析可知，當(dāng)11607 工作面充填膏體28 d 強(qiáng)度自3 MPa 上升至7 MPa 時(shí)，工作面上覆煤巖層下沉量峰值同樣呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，下沉量峰值自250 mm 下降至200 mm，工作面底板未發(fā)生明顯變形底鼓現(xiàn)象。當(dāng)11607 工作面充填膏體28 d 強(qiáng)度自3 MPa 上升至7 MPa 時(shí)，工作面下伏煤巖層已貫通的塑性區(qū)深度未發(fā)現(xiàn)明顯改變，只有其范圍稍有變小趨勢(shì)。

根據(jù)數(shù)值模擬方案Ⅱ的模擬結(jié)果，在膏體充填體的28 d 強(qiáng)度為5 MPa，充填率為98%的條件下，模擬膏體充填體的不同充填步距時(shí)工作面底板破壞深度、巖層變形及塑性區(qū)分布等規(guī)律的模擬結(jié)果如圖7（在11607 工作面推進(jìn)方向的中部截取剖面）。

由圖7 可以看出，當(dāng)11607 工作面充填步距自1.2 m 上升至3.6 m 時(shí)，工作面上覆煤巖層下沉量峰值同樣呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，下沉量峰值自180 mm 上升至250 mm，工作面底板發(fā)生明顯變形底鼓現(xiàn)象，底鼓峰值自180 mm 上升至200 mm。當(dāng)11607 工作面充填步距自1.2 m 上升至3.6 m 時(shí)，工作面下伏煤巖層已貫通的塑性區(qū)深度未發(fā)現(xiàn)明顯改變。當(dāng)充填步距分別為1.2、2.4、3.6 m 時(shí)，工作面下伏煤巖層已貫通的塑性區(qū)深度均大致為3.6 m 左右，工作面下伏煤巖層已貫通至底部泥巖和細(xì)粒砂巖層。工作面下伏煤巖層的塑性區(qū)呈現(xiàn)層狀破壞至最終貫通的過程。當(dāng)充填步距為2.4 m 時(shí)，工作面下部煤巖層塑性區(qū)擴(kuò)展至粉砂巖層，距離約為6.3 m 處；當(dāng)充填步距為3.6 m 時(shí)，工作面下部煤巖層塑性區(qū)深度仍在下部距離約為6.3 m 處粉砂巖層，但塑性區(qū)的范圍有進(jìn)一步增大的趨勢(shì)。

圖7 數(shù)值模擬不同充填步距時(shí)塑性區(qū)變化Fig.7 The variation of plastic zone at different filling steps

綜上分析得出，膏體充填工作面掘出開切眼后，隨著工作面不斷向前推進(jìn)采煤，在工作面后方采空區(qū)進(jìn)行膏體充填采空區(qū)，采空區(qū)頂板不再發(fā)生初次垮落和周期性垮落來壓，進(jìn)而相當(dāng)于在采煤過程中把開切眼整體向前不斷推進(jìn)，而開切眼其實(shí)就是1條特殊的巷道，所以膏體充填工作面相當(dāng)于1 條不斷向前推進(jìn)的特殊巷道產(chǎn)生的礦山壓力，對(duì)頂?shù)装鍑鷰r應(yīng)力場(chǎng)的擾動(dòng)程度較低，其礦山壓力顯現(xiàn)與開掘巷道很類似，區(qū)別在于采空區(qū)充填體附件的垂直應(yīng)力最大值和塑性區(qū)范圍相對(duì)于煤壁附近要小，而充填體附近的垂直位移最大值相對(duì)于煤壁附近要大。綜上數(shù)值模擬結(jié)果分析和前面理論計(jì)算，并結(jié)合岱莊煤礦11607 膏體充填工作面現(xiàn)場(chǎng)開采實(shí)際，參考大量開采實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)推測(cè)，理論估計(jì)11607 工作面采用膏體充填采空區(qū)技術(shù)后下伏煤巖層破壞的深度在4.6～8.4 m 之間。

4 工程應(yīng)用

4.1 底板突水分區(qū)域防治方案

根據(jù)前期岱莊煤礦11607 工作面的地質(zhì)報(bào)告和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，依據(jù)工作面下伏煤巖層導(dǎo)水裂隙的種類，將11607 工作面下伏煤巖層大致歸類以下3 類：①底板完整區(qū)；②構(gòu)造發(fā)育區(qū)；③底板薄弱區(qū)。分別針對(duì)底板完整塊段、水文探測(cè)異?；蚋邏骸⒌装灞∪趸驑?gòu)造發(fā)育塊段等不同劃區(qū)，針對(duì)性的提出了分區(qū)防治底板突水的技術(shù)措施和安全保障方法。

1）11607 工作面底板完整區(qū)域僅采用膏體充填采空區(qū)，不對(duì)底板進(jìn)行處理，充填采空區(qū)的膏體材料設(shè)計(jì)質(zhì)量濃度為78%，煤矸石量、粉煤灰量、膠結(jié)料分別為1 600、400、60 kg/m3。

2）底板薄弱區(qū)域，結(jié)合模擬和現(xiàn)場(chǎng)膏體充填工作面礦壓影響范圍，初步確定薄弱區(qū)域向外50 m范圍進(jìn)行底板注漿改造。

3）斷層影響區(qū)域，結(jié)合模擬和現(xiàn)場(chǎng)膏體充填工作面礦壓影響范圍，初步確定對(duì)F11605-2、F11605-3、DF16斷層向外50 m 范圍進(jìn)行底板注漿加固和封堵改造。而針對(duì)工作面內(nèi)揭露的小斷層，須結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鉆探實(shí)際情況，綜合分析考慮是否進(jìn)行底板注漿加固和封堵改造。

4）高水壓區(qū)和探測(cè)水文異常區(qū)，11607 工作面采取膏體充填采空區(qū)技術(shù)后對(duì)采場(chǎng)四周的礦壓影響范圍小于50 m，所以初步設(shè)計(jì)對(duì)工作面已探明的下伏煤巖層高水壓區(qū)（水壓大于4.4 MPa）和探測(cè)水文異常的區(qū)域進(jìn)行疏降處理，其疏降范圍為工作面左右和前后100 m 范圍之內(nèi)。

4.2 應(yīng)用效果

通過現(xiàn)場(chǎng)考察岱莊煤礦11607 工作面開采實(shí)際，在11607 工作面軌道巷內(nèi)進(jìn)行觀測(cè)下伏煤巖層破壞深度的注水試驗(yàn)。選擇在距離11607 工作面停采線150 m 的位置進(jìn)行，布置編號(hào)1#和2#2 個(gè)位置的探測(cè)點(diǎn)，2 個(gè)探測(cè)點(diǎn)之間的距離約為15 m，1#和2#2 個(gè)探測(cè)點(diǎn)均布置4 個(gè)觀測(cè)下伏煤巖層破壞深度的注水試驗(yàn)鉆孔，注水試驗(yàn)鉆孔之間的距離為2 m。1#探測(cè)點(diǎn)內(nèi)布置的各注水鉆孔與16#煤層仰角和俯角均為60°，觀測(cè)下伏煤巖層破壞深度依次是2、3、5、7 m。2#探測(cè)點(diǎn)內(nèi)布置的各注水鉆孔與16#煤層垂直，觀測(cè)下伏煤巖層破壞深度依次是2、3、5、7 m。

1#探測(cè)點(diǎn)各鉆孔注水量變化曲線如圖8，通過分析可知：深度為3 m 的1-2#鉆孔和深度為5 m 的1-3#鉆孔注入的水量變化相對(duì)較大，波動(dòng)變化較為明顯，而深度為2 m 的1-1#鉆孔和深度為7 m 的1-4#鉆孔注入的水量較低，且波動(dòng)變化不明顯，說明工作面下伏煤巖層深度在3～5 m 以內(nèi)煤巖體裂隙較為發(fā)育，深度大于工作面下伏煤巖體裂隙發(fā)育程度較低，綜上分析得出：11607 工作面采用膏體充填采空區(qū)技術(shù)之后，底板深度小于3～5 m。

圖8 1#探測(cè)點(diǎn)各鉆孔注水量Fig.8 Water injection into each borehole at test point 1#

2#探測(cè)點(diǎn)各鉆孔注水量變化曲線如圖9，分析可知：2-1#、2-2#、2-3#和2-4#4 個(gè)鉆孔注入的水量相對(duì)于1#探測(cè)點(diǎn)各鉆孔較小，其中根據(jù)深度為2 m的2-2#鉆孔和深度為8 m 的2-4#鉆孔注入的水量均為0 L/min，說明工作面下伏煤巖層深度在2 m 以內(nèi)煤巖體裂隙較為發(fā)育，深度大于工作面下伏煤巖體裂隙發(fā)育程度較低，綜上分析得出：11607 工作面采用膏體充填采空區(qū)技術(shù)之后，2#探測(cè)點(diǎn)下伏煤巖層的破壞深度約2 m 左右。

圖9 2#探測(cè)點(diǎn)注水試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Water injection test results of station 2#

5 結(jié) 語

1）提出了等效巷道理論，即采用充填開采時(shí)，可將開切眼看成不斷向前推進(jìn)的特殊巷道。基于等效巷道理論，當(dāng)工作面推進(jìn)速度為1.2～3.6 m/d，充填體耐水壓強(qiáng)度不超過2 d 的情況下，膏體充填工作面底板破壞深度為4.6～8.4 m。

2）根據(jù)岱莊煤礦前期11607 工作面的地質(zhì)報(bào)告和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，依據(jù)工作面下伏煤巖層導(dǎo)水裂隙的種類，將11607 工作面底板煤巖層劃分為底板完整區(qū)、構(gòu)造發(fā)育區(qū)、底板薄弱區(qū)。并針對(duì)底板不同劃區(qū)，提出分區(qū)防治底板突水的技術(shù)措施和安全保障方法。

3）通過現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)法進(jìn)行探測(cè)，設(shè)置注水壓力值在0.15～0.2 MPa 之間，注水時(shí)間在15～25 min之間，現(xiàn)場(chǎng)記錄數(shù)據(jù)的間隔時(shí)間為5 min/次。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)結(jié)果分析得出底板最大破壞深度在3 m 左右。