城郊煤礦深埋超長(zhǎng)工作面采動(dòng)底板擾動(dòng)破壞深度研究

王 偉，戴 磊，段李宏，楊 斌

(永煤集團(tuán)股份有限公司，河南 永城 476600)

煤炭資源是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中具有十分重要的作用，隨著煤礦開(kāi)采強(qiáng)度越來(lái)越大，我國(guó)煤炭開(kāi)采已經(jīng)進(jìn)入到深部區(qū)域[1，2]，且為了緩解采掘接替，設(shè)計(jì)的采煤工作面切眼長(zhǎng)度不斷增大，面臨的高承壓巖溶水害影響越來(lái)越嚴(yán)重[3-5]，礦井底板突水事故風(fēng)險(xiǎn)明顯增加。對(duì)于底板帶壓開(kāi)采，要查清采動(dòng)底板變形破壞特點(diǎn)及其對(duì)底板阻水能力的影響，特別是斷層帶附近或褶曲軸部底板巖層阻水能力薄弱，是底板帶壓安全開(kāi)采的最薄弱部位。由此可見(jiàn)，掌握采動(dòng)底板變形規(guī)律和破壞深度對(duì)于礦井深部帶壓安全、高效生產(chǎn)具有重要意義[6-8]。目前底板破壞深度的探測(cè)方法主要有鉆孔注水觀測(cè)法[9]、地震CT法[10]、超聲波探測(cè)法[11，12]、數(shù)值模擬法[13-16]等。

本文以河南省正龍煤業(yè)有限公司城郊煤礦為例，在深部二水平21105大采長(zhǎng)工作面進(jìn)行了斷層帶和完整底板采動(dòng)過(guò)程中的變形破壞特征現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究，綜合采用應(yīng)力、水壓力測(cè)試法、應(yīng)變感應(yīng)法獲得了深部二水平大埋深大采長(zhǎng)工作面二2煤層開(kāi)采過(guò)程中斷層附近、正常底板破壞深度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，為礦井水害防治治理及帶壓安全開(kāi)采提供了評(píng)價(jià)依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。

1 工作面概況

21105工作面位于城郊煤礦二水平南翼十一采區(qū)，主采二2煤層，煤厚1.67～3.29m，平均2.75m。工作面外段煤層傾角整體較平緩，約1°～6°，里段煤層整體傾角較大，約5°～13°；二2煤層位穩(wěn)定，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，以亮、鏡煤為主，為半亮型；煤層底板標(biāo)高-738.3～-828.2m，埋深770.5～861.4m，上段走向長(zhǎng)約1461m，下段走向長(zhǎng)約1116m，傾向長(zhǎng)約356m，面積452878m2。工作面直接底為深灰色泥巖，薄層狀，基本底為灰色細(xì)粒砂巖，厚度3.40～22.05m，平均厚度11.32m，是工作面回采的直接充水水源，富水性較弱，主要以消耗靜儲(chǔ)量為主。距工作面底板間距45.7m的太原組上段灰?guī)r含水層是間接充水含水層，單位涌水量為0.152L/(s·m)，太原組上段灰?guī)r含水層靜水壓力為4.3MPa，是威脅礦井安全生產(chǎn)不可忽視的因素。

2 測(cè)試方法及技術(shù)原理

2.1 應(yīng)力和水壓力測(cè)試方法

斷層附近應(yīng)力和水壓力測(cè)試方法是通過(guò)在斷層兩盤(pán)及破碎帶處施工鉆孔，在孔內(nèi)不同深度處設(shè)置應(yīng)力傳感器及水壓力傳感器，分別測(cè)試采動(dòng)過(guò)程該位置巖層的采動(dòng)礦山壓力及孔隙水壓力顯現(xiàn)情況，然后通過(guò)對(duì)比各測(cè)點(diǎn)傳感器采前、采后反映的變形情況來(lái)確定斷層是否活化。

2.2 應(yīng)變感應(yīng)法

應(yīng)變感應(yīng)法測(cè)試是在工作面底板施工鉆孔，在孔內(nèi)不同深度位置埋設(shè)應(yīng)變傳感器，通過(guò)測(cè)試采動(dòng)過(guò)程底板測(cè)點(diǎn)位置的巖層變形程度來(lái)確定底板受采動(dòng)影響程度和深度范圍。

本次測(cè)試所用應(yīng)變傳感器對(duì)圍巖變形反應(yīng)比較靈敏，圍巖的變形程度可由傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)予以顯現(xiàn)。在工作面距離傳感器位置較遠(yuǎn)，采動(dòng)礦壓尚未波及到測(cè)點(diǎn)時(shí)，傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)相對(duì)穩(wěn)定，當(dāng)采動(dòng)礦壓波及到測(cè)點(diǎn)時(shí)，傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)會(huì)隨波及程度呈同步變化。工作面臨近測(cè)點(diǎn)時(shí)傳感器連續(xù)讀數(shù)變化急劇增大，甚至超出應(yīng)變傳感器的接收量程，待工作面推過(guò)測(cè)點(diǎn)一定距離測(cè)試數(shù)據(jù)明顯下降并趨于穩(wěn)定，由此反映出采動(dòng)應(yīng)力集中的影響范圍。

3 測(cè)孔設(shè)計(jì)與傳感器布置

3.1 測(cè)孔設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)選定在運(yùn)輸巷1105P14測(cè)點(diǎn)附近進(jìn)行斷層和完整地段鉆孔測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試布置2個(gè)應(yīng)變觀測(cè)鉆孔。測(cè)孔1主要跟蹤監(jiān)測(cè)斷層破碎帶，布置于測(cè)點(diǎn)1105P14點(diǎn)處，在F1105P-5斷層北側(cè)上盤(pán)，孔口距離斷層揭露位置20m，距離下工作面切眼約65m；測(cè)孔2位于測(cè)孔1北側(cè)10m位置，主要對(duì)完整地段進(jìn)行測(cè)試。兩個(gè)測(cè)試鉆孔平面布置及實(shí)際監(jiān)測(cè)范圍如圖1所示，測(cè)孔設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 測(cè)孔平面布置及實(shí)際監(jiān)測(cè)范圍

3.2 傳感器布置

3.2.1 測(cè)孔1布設(shè)方案

測(cè)孔1自煤層底板垂深10.5m以下范圍分別設(shè)置一個(gè)應(yīng)變傳感器、一個(gè)應(yīng)力傳感器、一個(gè)水壓力傳感器，傳感器之間垂深相距0.5m。各傳感器布設(shè)參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 測(cè)孔設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)

表2 測(cè)試孔1各傳感器布設(shè)深度參數(shù)標(biāo)

3.2.2 測(cè)孔2布設(shè)方案

測(cè)孔2自煤層底板垂深18m以下范圍設(shè)置4個(gè)應(yīng)變傳感器探頭和1個(gè)應(yīng)力傳感器，自上至下探頭位置對(duì)應(yīng)層位分別為粉砂巖、細(xì)粒砂巖及砂質(zhì)泥巖，各傳感器布設(shè)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 測(cè)試孔2各傳感器埋設(shè)深度參數(shù)

3.3 鉆孔施工相關(guān)技術(shù)要求

測(cè)試鉆孔開(kāi)孔孔徑為146mm，鉆進(jìn)6m后下?127mm孔口管6m，采用水泥漿進(jìn)行固管，耐壓值不小于4.0MPa，并持續(xù)30min以上，然后用?108mm鉆頭鉆進(jìn)至終孔深度。鉆進(jìn)過(guò)程鉆孔出水時(shí)，用水泥漿加固后再重新透孔鉆進(jìn)，鉆進(jìn)過(guò)程全孔取芯，巖芯采取率達(dá)到70%以上，并做好了編錄工作；應(yīng)變傳感器自下而上安裝，全部安裝完畢后用1∶1水泥漿(加速凝劑)從孔底向上進(jìn)行注漿澆灌密實(shí)。

4 測(cè)孔觀測(cè)結(jié)果分析

4.1 斷層部位測(cè)孔1觀測(cè)結(jié)果及分析

在工作面回采過(guò)程中測(cè)孔1垂深10.5m位置處1#應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)變化曲線如圖2所示，工作面推進(jìn)至距測(cè)點(diǎn)45.0m位置即開(kāi)始顯現(xiàn)出了明顯的應(yīng)變感應(yīng)，工作面距離測(cè)孔40.0m左右應(yīng)變?cè)隽恐颠_(dá)到最大，然后保持較大幅度波動(dòng)，直至工作面推進(jìn)至距離測(cè)點(diǎn)9.2m位置，測(cè)點(diǎn)傳感器應(yīng)變感應(yīng)信號(hào)輸出全部中斷，說(shuō)明受礦壓劇烈擾動(dòng)作用傳感器受損。

圖2 1#應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)變化曲線

在工作面回采過(guò)程中測(cè)孔1垂深11.0m位置處22#應(yīng)力傳感器監(jiān)測(cè)變化曲線如圖3所示，附加應(yīng)力也呈先增大然后逐漸減小變化規(guī)律。應(yīng)力隨著工作面的推進(jìn)逐漸增加到最大值2.0MPa，這時(shí)工作面距離鉆孔距離約15.7m，接著呈一定周期性進(jìn)行下降。由于受到斷層的影響，應(yīng)力傳感器位置處一開(kāi)始因工作面距離斷層位置較遠(yuǎn)而受采動(dòng)影響較小，應(yīng)力傳感器變化不大，但到距離鉆孔30m位置后，采動(dòng)礦壓對(duì)斷層影響明顯增大，再加上應(yīng)力傳感器靈敏程度不如水壓力和應(yīng)變傳感器，所以感應(yīng)距離與另外兩種明顯不同。受斷層影響，絕對(duì)值總體是很小的，最大值僅2.0MPa，說(shuō)明采動(dòng)后雖然產(chǎn)生了裂隙，但影響較小。

圖3 22#應(yīng)力傳感器監(jiān)測(cè)變化曲線

在工作面回采過(guò)程中測(cè)孔1垂深11.5m位置處水12#水壓傳感器監(jiān)測(cè)變化曲線如圖4所示，水壓力呈先增大然后逐漸減小直至工作面推過(guò)鉆孔后變?yōu)?的變化規(guī)律。水壓力從一開(kāi)始的156kPa，然后隨著工作面的推進(jìn)增加到最大值270kPa，這時(shí)工作面距離鉆孔距離約47m，稍微超前應(yīng)變感應(yīng)距離，接著呈一定周期性下降。分析認(rèn)為，由于受到斷層的影響，鉆孔埋深水壓力傳感器位置處一開(kāi)始仍處于相對(duì)封閉儲(chǔ)水的地質(zhì)環(huán)境，開(kāi)始采動(dòng)受超前集中應(yīng)力影響在沒(méi)有發(fā)生破裂之前水壓呈上升趨勢(shì)，但絕對(duì)值總體是很小的，最大值僅0.27MPa。

圖4 12#水壓傳感器監(jiān)測(cè)變化曲線

通過(guò)測(cè)孔1的3個(gè)傳感器監(jiān)測(cè)變化曲線分析認(rèn)為，斷層位置處圍巖受采動(dòng)擾動(dòng)劇烈，工作面距離測(cè)孔40.0m應(yīng)變?cè)隽恐狄堰_(dá)到最大，然后保持較大幅度波動(dòng)，推進(jìn)至距離測(cè)點(diǎn)9.2m位置信號(hào)中斷，說(shuō)明采動(dòng)擾動(dòng)深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于10.5m；水壓力、附加應(yīng)力均呈先增大然后逐漸減小變化規(guī)律，說(shuō)明圍巖受采動(dòng)影響后產(chǎn)生了裂隙，但影響較小。

4.2 完整部位測(cè)孔2觀測(cè)結(jié)果及分析

4.2.1 底板采動(dòng)過(guò)程測(cè)點(diǎn)應(yīng)變感應(yīng)特征

4個(gè)應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)變化曲線如圖5所示，除9#傳感器外均顯現(xiàn)“超前”和“滯后”特點(diǎn)。采動(dòng)過(guò)程中煤層底板應(yīng)變感應(yīng)底板不同垂深位置測(cè)點(diǎn)在工作面推進(jìn)過(guò)程的應(yīng)變感應(yīng)特點(diǎn)也表現(xiàn)出較明顯的差異：底板下垂深18m位置9#應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)變化曲線如圖5(a)所示，在工作面推進(jìn)至距測(cè)點(diǎn)47.0m位置即顯現(xiàn)出明顯的應(yīng)變感應(yīng)，后期感應(yīng)一直比較強(qiáng)烈，應(yīng)變感應(yīng)增量變化幅度達(dá)15779με，直至推進(jìn)至距離測(cè)點(diǎn)5.7m位置，應(yīng)變感應(yīng)信號(hào)輸出全部中斷，傳感器受損；底板下垂深22m位置4#應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)變化曲線如圖5(b)所示，工作面推進(jìn)至距測(cè)點(diǎn)42m位置開(kāi)始顯現(xiàn)出明顯的應(yīng)變感應(yīng)，但在工作面推過(guò)測(cè)試鉆孔后應(yīng)該感應(yīng)程度急劇增加，超前應(yīng)變感應(yīng)增量變化幅度達(dá)12023με，在工作面推進(jìn)過(guò)程，該測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變感應(yīng)一直比較強(qiáng)烈，應(yīng)變感應(yīng)增量變化幅度達(dá)14693με，直至工作面推過(guò)測(cè)點(diǎn)27m位置，應(yīng)變感應(yīng)信號(hào)輸出全部中斷，說(shuō)明底板采動(dòng)破壞深度超過(guò)了22.0m；3#應(yīng)變傳感器和1#應(yīng)變傳感器在工作面推進(jìn)過(guò)程的應(yīng)變感應(yīng)程度相對(duì)較弱，不但超前感應(yīng)距相對(duì)較小，均在38m(圖5c、圖5d)以內(nèi)，而且底板采動(dòng)過(guò)程的應(yīng)變感應(yīng)變化幅度比較平緩，特別是1#應(yīng)變傳感器應(yīng)變感應(yīng)增量最大值僅873με，2個(gè)應(yīng)變傳感器在整個(gè)觀測(cè)過(guò)程基本保持了正常的工作狀態(tài)，取得了連續(xù)的應(yīng)變感應(yīng)數(shù)據(jù)，說(shuō)明底板采動(dòng)破壞深度未超過(guò)27.0m。完整部位測(cè)孔2采動(dòng)底板超前和滯后應(yīng)變感應(yīng)增量極值統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。

圖5 4個(gè)應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)變化曲線

表4 測(cè)孔2采動(dòng)底板超前和滯后應(yīng)變感應(yīng)增量極值統(tǒng)計(jì)

4.2.2 底板采動(dòng)過(guò)程測(cè)點(diǎn)應(yīng)力感應(yīng)特征

23#應(yīng)力傳感器附加應(yīng)力隨工作面推進(jìn)過(guò)程的變化關(guān)系曲線如圖6所示，總體上仍呈先增大然后逐漸減小變化規(guī)律，和斷層附近底板的變化規(guī)律具有相似性，但具體附加應(yīng)力增量明顯比斷層附近的應(yīng)力高。附加應(yīng)力隨著工作面的推進(jìn)逐漸增加到最大值14MPa，這時(shí)工作面距離鉆孔距離約9.4m，接著呈一定波動(dòng)性變化規(guī)律下降。分析認(rèn)為，整個(gè)采動(dòng)過(guò)程中煤層底板30m位置處經(jīng)歷了采前應(yīng)力集中、采后卸壓和應(yīng)力恢復(fù)三個(gè)變化階段。根據(jù)工作面地質(zhì)條件估算，該應(yīng)力傳感器埋深約840m，按照上覆荷載正常0.025MPa/m進(jìn)行估算，則該處正常情況下豎直應(yīng)力約為21MPa，若再考慮應(yīng)力集中系數(shù)，則附加應(yīng)力應(yīng)該遠(yuǎn)大于21MPa。但實(shí)際測(cè)試的附加應(yīng)力最大值僅為14MPa。由此可見(jiàn)，整個(gè)采動(dòng)過(guò)程中該位置受礦山壓力影響相對(duì)較小，沒(méi)有發(fā)生較大變形，不會(huì)引起該處巖體發(fā)生破壞，驗(yàn)證了該孔4個(gè)應(yīng)變感應(yīng)數(shù)據(jù)所反應(yīng)的變形破壞深度止于27m的實(shí)測(cè)分析結(jié)論。

圖6 23#應(yīng)力傳感器監(jiān)測(cè)變化曲線

綜合分析認(rèn)為，21105工作面底板采動(dòng)破壞深度介于22.0～27.0m。根據(jù)鄰近陳四樓煤礦開(kāi)展的《陳四樓煤礦煤層底板擾動(dòng)規(guī)律及突水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)研究》的結(jié)果[17]，底板破壞深度(h)和采深(H)之間的預(yù)測(cè)公式：h=6.3615lnH-26.946。已知工作面埋深770.5～861.4m，則工作面采動(dòng)對(duì)煤層底板破壞深度h為15.34～16.05m，遠(yuǎn)小于實(shí)測(cè)的22.0～27.0m，說(shuō)明大埋深大采長(zhǎng)工作面實(shí)際底板擾動(dòng)破壞深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于淺部煤層，回采期間工作面突水危險(xiǎn)性更高。

5 結(jié) 論

1)應(yīng)變、應(yīng)力、水壓力測(cè)試方法是一種確定煤層底板破壞深度的有效、可靠方法，也是對(duì)礦井深部采區(qū)煤層底板破壞深度實(shí)測(cè)的一種有效手段。

2)斷層位置處圍巖受采動(dòng)擾動(dòng)劇烈，工作面距離測(cè)孔40.0m應(yīng)變?cè)隽恐狄堰_(dá)到最大，采動(dòng)擾動(dòng)深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于10.5m；水壓力、附加應(yīng)力均呈先增大然后逐漸減小變化規(guī)律，說(shuō)明圍巖受采動(dòng)影響后產(chǎn)生了裂隙，但整體影響較小。

3)根據(jù)完整段底板不同深度測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)比，測(cè)得21105工作面煤層底板采動(dòng)破壞帶深度介于22.0～27.0m，為城郊煤礦大埋深大采長(zhǎng)工作面的水害治理方案設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。