綜放開采特厚煤層采場底板破壞規(guī)律研究

郭國強(qiáng)

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

煤炭資源作為我國能源重要構(gòu)成部分，其地位不言而喻，保障煤炭資源正常供應(yīng)的首要問題是安全高效開采，華北地區(qū)煤炭資源在我國煤炭資源總量中占比高達(dá)58%，但華北地區(qū)煤礦大都面臨奧陶紀(jì)灰?guī)r(簡稱奧灰)含水層帶來的水害問題[1-2]。采煤過程中原巖的應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破[3-5]，在采動影響下采場底板巖層受到擾動，底板產(chǎn)生的裂隙可能貫通至含水層，若不重視，則會造成礦井水害事故的發(fā)生，影響采煤工作的安全，甚至造成生命財產(chǎn)損失，準(zhǔn)確探查采場底板破壞深度是礦井防治底板突水的有效手段[6-9]。

大量學(xué)者對底板破壞深度進(jìn)行了理論研究[10-12]，李昂等[13]以陜西澄合礦區(qū)為工程背景，提出了精度高、適用性強(qiáng)的底板巖體擾動破壞深度擬合公式；樊正紅[14]通過經(jīng)驗公式計算了山西某礦工作面底板最大破壞深度，并據(jù)此進(jìn)行底板突水預(yù)測。通過理論計算能夠較為快速地分析底板最大破壞深度，但地下巖層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且煤層開采時對圍巖擾動程度并不相同，導(dǎo)致理論層面的研究具有很大的不確定性，要想獲得準(zhǔn)確的煤層底板破壞形態(tài)，必須進(jìn)行現(xiàn)場實測[15-18]，對底板破壞深度的實測手段有鉆孔注水法[19-20]、微震監(jiān)測法[21-22]、鉆孔應(yīng)力–應(yīng)變法[23]等，鉆孔注水法測試過程中需鉆機(jī)配合，施工難度大且易塌孔，測試費用較高；由于監(jiān)測原理影響，微震監(jiān)測對井下環(huán)境的要求較高，測試精度低，并不能適用所有礦井底板破壞深度監(jiān)測；鉆孔應(yīng)力–應(yīng)變法技術(shù)較為成熟，相比其他測試手段具有明顯的優(yōu)勢，更加關(guān)注地層實際的變化量，不受人為誤判干擾，所獲得的數(shù)據(jù)更加真實可靠，且后期監(jiān)測耗時較短。

目前國內(nèi)外對底板擾動破壞規(guī)律的研究主要集中在綜采開采工況，對綜放開采工況研究較少，因此，以山西榆樹坡煤礦5105 工作面為研究背景，在綜合考慮工作面底板巖層構(gòu)造發(fā)育、回采計劃等基礎(chǔ)上，選擇鉆孔應(yīng)力–應(yīng)變監(jiān)測法對底板變形破壞形態(tài)進(jìn)行4 個月的連續(xù)監(jiān)測，研究特厚煤層綜放開采工藝下采場底板破壞形態(tài)，以期為5105 工作面回采提供安全保障，同時對類似條件煤礦的底板破壞深度研究具有指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

陽煤集團(tuán)榆樹坡煤礦位于山西省寧武縣，設(shè)計年產(chǎn)量1.2 Mt，主采2 號、5 號煤層，其5 號煤層平均厚度15 m，位于太原組下部，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含1～6 層夾矸，為全區(qū)穩(wěn)定開采的特厚煤層，其頂板為泥巖，厚度22.65 m，底板為砂質(zhì)泥巖，厚度2.60 m，巖層柱狀如圖1所示。5105 工作面為5 號煤的首采面，采用綜放工藝進(jìn)行開采，工作面高程970～1 126 m，該工作面整體近NE?SW 方向布置，傾角為18°，工作面采寬177 m，采深381 m，為單巷掘進(jìn)，沒有鄰近工作面的巷道，工作面布置概況如圖2 所示。5105 工作面北東部為原神高速公路保護(hù)煤柱，上部為1201 工作面采空區(qū)和1201 小1 采空區(qū)，四周無其他采空區(qū)存在，工作面地表位于北同蒲鐵路東部，張家窯村西南部，地面溝谷縱橫，黃土覆蓋，局部有巖石出露，1201 工作面高程為311～437 m。

圖1 山西榆樹坡煤礦含煤地層柱狀Fig.1 Rock stratum histogram of Yushupo Coal Mine of Shanxi Province

圖2 榆樹坡煤礦5105 工作面布置概況Fig.2 Layout of working face 5105 in Yushupo Coal Mine

5105 工作面屬帶壓開采，工作面底板隔水層平均厚度為32.3 m，底板承受的最大實際水壓為1.27 MPa，主要充水水源為5 號煤上覆砂巖水、上覆2 號煤1201 工作面采空積水和底板奧灰水，若底板破壞深度較大，將導(dǎo)致底板有效隔水層厚度變薄或失效，不利于奧灰水防治，在綜放開采下，由于煤層采動引起的底板破壞很有可能造成底板突水，對此必須加以重視。

2 底板擾動破壞理論分析

極限破壞理論(塑性滑移線理論)是目前研究底板擾動破壞深度及其規(guī)律的主要理論，極限破壞理論認(rèn)為煤層底板在極限應(yīng)力作用下產(chǎn)生塑性破壞區(qū)[24-25]。工作面開采后采面煤壁和兩側(cè)煤柱在支承壓力作用下引起底板滑移破壞形成3 個分區(qū)，即主動破壞區(qū)Ⅰ、被動破壞區(qū)Ⅱ、過渡區(qū)Ⅲ，如圖3 所示。

圖3 極限狀態(tài)采場兩側(cè)煤柱體下方底板塑性滑移破壞區(qū)Fig.3 Plastic slip failure zone of bottom plate under coal pillar on both sides of stope in limit state

按照極限破壞理論，建立采煤工作面一側(cè)煤柱支承壓力對底板巖體采動破壞的滑移線力學(xué)模型，可以確定出極限支承壓力條件下破壞區(qū)的最大深度及長度，底板巖體破壞深度及采空區(qū)內(nèi)底板巖體水平方向破壞長度計算公式[3]及過程如下：

式中：h3max為底板采動最大破壞深度；M為底板巖體最大破壞深度距工作面端部的水平距離；N為采空區(qū)內(nèi)底板巖體沿水平面方向的最大破壞長度；φd為底板巖體內(nèi)摩擦角；x0為沿工作面傾斜方向煤柱內(nèi)部屈服區(qū)長度。

借鑒其他礦區(qū)資料[13]，將內(nèi)摩擦角φd=37°、x0=13 m代入式(1)?式(3)可計算出5015 工作面的底板最大破壞深度為26.8 m，同時繪制出底板采動破壞滑移線形態(tài)，如圖4 所示，圖中M為OE長度；N為ED長度。

圖4 5105 工作面底板采動破壞理論滑移線形態(tài)Fig.4 Theoretical slip line morphology of floor failure in working face 5105

3 現(xiàn)場監(jiān)測

3.1 鉆孔應(yīng)力–應(yīng)變監(jiān)測技術(shù)

煤層底板鉆孔應(yīng)力–應(yīng)變監(jiān)測技術(shù)是在工作面未受采動影響區(qū)域布設(shè)鉆孔，鉆孔內(nèi)預(yù)先安裝應(yīng)力–應(yīng)變傳感器，同時用水泥砂漿進(jìn)行封堵，封堵之后傳感器在未受采動影響的前提下，讀數(shù)為原巖應(yīng)力條件下的應(yīng)變；當(dāng)傳感器處于超前支承壓力影響的范圍以內(nèi)時，讀數(shù)發(fā)生改變，利用同一個傳感器前后讀數(shù)的差值，可計算出回采時煤體對底板的附加應(yīng)變，進(jìn)而可得出煤體對底板的附加應(yīng)力，通過附加應(yīng)力可計算出應(yīng)力值。通過對附加應(yīng)力數(shù)據(jù)分析，進(jìn)一步判斷底板破壞深度。

3.2 監(jiān)測方案

為測試采場下底板擾動破壞深度，依據(jù)榆樹坡煤礦5105 工作面構(gòu)造發(fā)育情況及回采計劃，同時參考上述塑性滑移線理論計算結(jié)果(圖4)，確定測點布設(shè)位置。分別在其進(jìn)風(fēng)巷道J17 和J19 鉆場布置7 個鉆孔(即7 條測線)，共布設(shè)應(yīng)力–應(yīng)變傳感器91 臺(即91 個測點)，以確保布設(shè)點位可覆蓋底板破壞范圍，保證工作面回采至測試點前50 m 時鉆孔具備測試條件，具體布設(shè)方案見表1，測線布置如圖5 所示。監(jiān)測點具備測試條件后即進(jìn)行每日一次的數(shù)據(jù)采集，監(jiān)測時間為4個月。

表1 測線和測點的布設(shè)方案Table 1 Layout of measuring lines and measuring points

圖5 5105 工作面底板破壞深度測線布置Fig.5 Survey lines for floor failure depth of working face 5105

3.3 監(jiān)測結(jié)果及分析

通過對7 條測線中91 臺傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)采集，共獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)10 920 組，并對各測線測點的應(yīng)變與工作面推進(jìn)度之間關(guān)系進(jìn)行分析，研究采動影響下底板破壞深度。

3.3.1 測線1

圖6 為測線1 中各測點微應(yīng)變、微應(yīng)變速率與推進(jìn)度關(guān)系。分析可知，測線1 中測點的微應(yīng)變啟動距離在7.6～11.6 m，即測點的微應(yīng)變在距離工作面7.6～11.6 m 發(fā)生較明顯變化，意味著工作面煤層開采對底板擾動破壞影響范圍起始點從距離工作面約11.6 m處開始，這與煤體強(qiáng)度、煤層厚度有關(guān)，該啟動距離與工作面回采巷道超前支護(hù)距離相吻合；而工作面推過測點后，底板擾動影響明顯減弱，不再受覆巖層垮落壓實影響的范圍為測點進(jìn)入采空區(qū)?25～?35 m，此后底板巖層變形逐漸趨于穩(wěn)定，底板擾動破壞深度不再向深部延伸。從圖6 中可看出，18 號和19 號測點微應(yīng)變值雖然在距工作面10.0～11.6 m 后開始降低，但減幅量小于300 με，微應(yīng)變速率表現(xiàn)較為平緩，地層在該測點區(qū)間應(yīng)為彈性變形；21?24 號測點在工作面剛推過不到10 m，巖層發(fā)生較明顯起伏變化，正好處于1 個周期來壓范圍內(nèi)，但隨著覆巖層垮落和壓實，在該測點區(qū)間的底板巖層逐漸恢復(fù)到初始狀態(tài)，且微應(yīng)變變化較小，不超過200 με；25?28 號測點，該區(qū)間底板巖層處于擾動破壞滑移線影響過渡帶，不僅微應(yīng)變量發(fā)生了較大變化，最大變化量超過450 με，且?guī)r層變形后無法恢復(fù)，最大微應(yīng)變量變化發(fā)生在27 號測點，其到工作面垂直距離為18.5 m，點位到工作面水平距離為13.7 m；29?34 號和91 號測點對應(yīng)的微應(yīng)變量雖然有增減幅的變化，但變化幅度較小，地層基本上處于彈性變形范圍。

圖6 測線1 中各測點微應(yīng)變、微應(yīng)變速率與推進(jìn)度關(guān)系Fig.6 Relationship between micro-strain,micro-strain rate and advancing degree of each measuring point in survey line 1

3.3.2 測線2

圖7 為測線2 中各測點微應(yīng)變、微應(yīng)變速率與推進(jìn)度關(guān)系。分析可知，測線2 與測線1 的微應(yīng)變啟動距基本一致，這是因為2 條測線布設(shè)位置較近，底板巖層變形規(guī)律基本一致。采后測點微應(yīng)變穩(wěn)定值所對應(yīng)的工作面推進(jìn)距離為?29.8～?35.0 m，此后采空區(qū)上覆巖層頂板基本壓實，底板巖層變形不再受開采擾動影響，破壞深度也不再向深部發(fā)展。圖7 可看出，1?4號測點微應(yīng)變值在達(dá)到工作面啟動距后出現(xiàn)了增長趨勢，即相應(yīng)的傳感器處于拉伸狀態(tài)，意味著地層有向巷道及采空區(qū)隆起的趨勢，這是由于測線2 中1?4 號測點所對應(yīng)的水平距靠近巷道一側(cè)，覆巖垮落并不充分；5?13 號測點在工作面推過測點后出現(xiàn)了明顯的拉伸狀態(tài)，并有明顯的拐點，意味著采空區(qū)垮落的矸石逐漸壓實底板，但位于兩巷下方的底板很難恢復(fù)至初始狀態(tài)，尤其是9 號測點，最大微應(yīng)變量變化值接近1 400 με，結(jié)合塑性滑移線理論可知，9 號測點處于滑移帶位置，與工作面水平距為13.4 m、垂距為18 m；此后，測點14?17、90 號測點對應(yīng)的微應(yīng)變量變化值均較小，處于彈性壓縮和彈性拉伸范圍。

圖7 測線2 中各測點微應(yīng)變、微應(yīng)變速率與推進(jìn)度關(guān)系Fig.7 Relationship between micro-strain,micro-strain rate and advancing degree of each measuring point in survey line 2

結(jié)合測線1 和測線2 可知，27 號測點和9 號測點分別為2 條測線的微應(yīng)變量變化最大區(qū)間值，所對應(yīng)的底板擾動破壞深度距工作面垂距為18.0～18.5 m，水平距13.4～13.7 m。

3.3.3 測線3

圖8 為測線3 中各測點隨采面靠近時的實際微應(yīng)變量及微應(yīng)變速率變化情況。由圖10 可知，測線3 中測點的微應(yīng)變啟動距離在10.9～13.8 m，較測線1、2 偏大，這與工作面放頂煤量相關(guān)，頂板放煤量越大其超前壓力越大，支承壓力峰值靠近煤體深部。測線3 中的11 個測點啟動微應(yīng)變與0 m(工作面推進(jìn)度為零)微應(yīng)變差值在42 號測點達(dá)到15 051.5 με，相比其他測點的微應(yīng)變差值量變化大，36 號測點應(yīng)變差值量雖然達(dá)到539.7με，但仍處于主滑移帶范圍內(nèi)。因此，底板擾動破壞深度在測線3 中42 號測點位置表現(xiàn)明顯，該點到工作面垂直距離為28 m，到工作面水平距離為21.3 m。

圖8 測線3 中各測點微應(yīng)變、微應(yīng)變速率與推進(jìn)度關(guān)系Fig.8 Relationship between micro-strain,micro-strain rate and advancing degree of each measuring point in survey line 3

3.3.4 測線4

圖9 給出了測線4 中各測點隨采面距離變化的實際微應(yīng)變量及微應(yīng)變速率。分析可知，測線4 中測點的微應(yīng)變啟動距離在9.3～24.2 m，較測線3 變化范圍廣，更偏向于煤體深部而遠(yuǎn)離進(jìn)風(fēng)巷道。測線4 中的14 個測點啟動微應(yīng)變與0 m(工作面推進(jìn)度為零)微應(yīng)變差值在52 號測點達(dá)到了15 157.8 με，相比其他測點的微應(yīng)變差值量變化大；除此之外，48 號測點應(yīng)變差值量也達(dá)到3 269.2 με，由此可知，底板破壞深度滑移線從48 號開始，并隨著采面推進(jìn)而不斷向深部遞進(jìn)，至52 號測點達(dá)到最大值。52 號測點處于主滑移帶范圍內(nèi)，該點到工作面垂直距離為22 m，到工作面水平距離為35.2 m。

圖9 測線4 中各測點微應(yīng)變、微應(yīng)變速率與推進(jìn)度關(guān)系Fig.9 Relationship between micro-strain,micro-strain rate and advancing degree of each measuring point in survey line 4

3.3.5 測線5

圖10 給出了測線5 中各測點隨采面距離變化的實際微應(yīng)變量及微應(yīng)變速率。分析可知，測線5 中測點的微應(yīng)變啟動距離在9.3～15.5 m，大部分測點啟動微應(yīng)變與0 m(工作面推進(jìn)度為零)微應(yīng)變差值在1.9～388.7 με 變化。但67 號測點，啟動微應(yīng)變與0 m(工作面推進(jìn)度為零)微應(yīng)變差值達(dá)到51 659 με，由此可以判斷，67 號測點處于主滑移帶范圍內(nèi)，該點到工作面垂直距離為21.7 m，到工作面水平距離61.6 m。

圖10 測線5 中各測點微應(yīng)變、微應(yīng)變速率與推進(jìn)度關(guān)系Fig.10 Relationship between micro-strain,micro-strain rate and advancing degree of each measuring point in survey line 5

3.3.6 測線6

圖11 給出了測線6 中各測點隨采面距離變化的實際微應(yīng)變量及微應(yīng)變速率。分析可知，測線6 中測點的微應(yīng)變啟動距離在9.3～10.9 m。73?75 號測點啟動微應(yīng)變與0 m(工作面推進(jìn)度為零)微應(yīng)變差值變化區(qū)間范圍較小，僅有?2.9～25.9 με，地層基本上處于彈性變形范圍，并無明顯的突跳點。74 號測點在進(jìn)入采空區(qū)后可能會出現(xiàn)較為明顯的微應(yīng)變量，其到工作面垂直距離12.4 m、到工作面水平距離68.9 m。

圖11 測線6 中各測點微應(yīng)變、微應(yīng)變速率與推進(jìn)度關(guān)系Fig.11 Relationship between micro-strain,micro-strain rate and advancing degree of each measuring point in survey line 6

3.3.7 測線7

圖12 給出了測線7 中各測點采面距離變化的實際微應(yīng)變量及微應(yīng)變速率。分析可知，測線7 的變化規(guī)律與測線1 和測線2 較為相似，這與3 條測線鉆孔布置的方位角和傾角相近有關(guān)，測線7 中變化最大為77 號測點，其啟動微應(yīng)變與0 m(工作面推進(jìn)度為零)微應(yīng)變差值為943.4 με，到工作面垂直距離為11.5 m，到工作面水平距離為3.7 m。除此之外，其他測點微應(yīng)變量變化范圍較小，基本上處于彈性變形區(qū)間。

圖12 測線7 中各測點微應(yīng)變、微應(yīng)變速率與推進(jìn)度關(guān)系Fig.12 Relationship between micro-strain,micro-strain rate and advancing degree of each measuring point in survey line 7

3.4 討 論

通過對7 條測線上各測點微應(yīng)變、微應(yīng)變速率與推進(jìn)度關(guān)系的分析可知，距離工作面7.6～11.6 m，底板才表現(xiàn)出明顯的形變，最大啟動距可以達(dá)到24.2 m，最小啟動距僅有5.2 m，而啟動距的大小往往與工作面采煤工藝、煤體強(qiáng)度、煤層厚度、埋深、構(gòu)造等實際情況相關(guān)。由以上研究結(jié)果可得到7 條測線底板擾動破壞較大值，并繪制測點與工作面相對位置，如圖13 所示，5105 綜放工作面底板最大破壞深度與工作面垂距達(dá)到28 m，水平距離達(dá)到21.3 m。

圖13 5105 工作面底板破壞深度趨勢Fig.13 Floor failure depth trend of working face 5105

結(jié)合圖4 知，實測得到的底板破壞深度擬合線與理論分析底板塑性滑移線形態(tài)較為吻合，但不可否認(rèn)，理論計算得到的底板最大破壞深度與實測數(shù)據(jù)存在一定誤差，這是因為理論分析是以理想狀態(tài)為研究背景，與工程實際有著一定偏差。

依據(jù)上述底板最大破壞深度實測數(shù)據(jù)，對5105 工作面底板進(jìn)行注漿改造，若底板最大破壞深度在太原組地層內(nèi)發(fā)育，未波及奧灰含水層，建議注漿層位選擇在最大破壞深度至奧灰含水層頂面，或之下一定深度，滿足安全隔水厚度即可；若底板最大破壞深度波及到奧灰含水層，則注漿層位應(yīng)選擇在底板最大破壞深度以下，奧灰含水層中，改造一定厚度含水層使其變?yōu)楦羲畬?，為帶壓開采安全性提供保障。

4 結(jié) 論

a.通過理論分析以及鉆孔應(yīng)力–應(yīng)變法現(xiàn)場實測對榆樹坡煤礦5105 工作面底板破壞深度進(jìn)行研究，通過分析監(jiān)測點微應(yīng)變量、微應(yīng)變速率、微應(yīng)變啟動距、啟動微應(yīng)變與0 m 微應(yīng)變差值等關(guān)鍵值，得到5105 工作面底板最大破壞深度距離工作面垂距為28 m，水平距為21.3 m。研究結(jié)果對于現(xiàn)場實際工程具有一定的應(yīng)用價值，該數(shù)值對奧灰水害防治技術(shù)設(shè)計中重要參數(shù)選取和優(yōu)化意義重大。

b.考慮到傳統(tǒng)的測試手段對深部底板巖體破壞規(guī)律監(jiān)測存在易塌孔、周期長、誤差大等不足，采用預(yù)埋式應(yīng)力–應(yīng)變測試法對采動過程中底板巖體破壞形態(tài)進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測，獲得數(shù)據(jù)上萬組，有效避免了傳統(tǒng)測試技術(shù)無法對底板擾動破壞規(guī)律進(jìn)行全方位現(xiàn)場實測的弊端。

c.對特厚煤層綜放采面底板擾動破壞規(guī)律及其深度的研究，可為下組煤開采奧灰水害防治起到重要的指導(dǎo)作用，對底板有效隔水層的安全留設(shè)和底板注漿層位選擇提供重要技術(shù)參數(shù)，為今后解決相似條件下特厚煤層綜放開采誘發(fā)的底板水患問題提供科學(xué)指導(dǎo)。