超千米采深煤層底板應(yīng)力分布物理模擬研究

盧 鋼

（1.河北煤炭科學(xué)研究院有限公司，河北 邢臺(tái) 054000；2.河北省礦井微震重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 邢臺(tái) 054000）

0 引 言

隨著我國(guó)煤炭行業(yè)的發(fā)展，煤礦開采不可避免的往深部進(jìn)行，目前，中東部地區(qū)多數(shù)煤礦已進(jìn)入深部開采。采掘打破原巖應(yīng)力的平衡，煤層底板應(yīng)力擾動(dòng)區(qū)域存在微裂隙的擴(kuò)張，對(duì)于含水層導(dǎo)升、構(gòu)造活化等存在重要的相關(guān)關(guān)系。尤其在深部開采面臨的高水壓、高礦壓、高地應(yīng)力復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境，應(yīng)力變化誘發(fā)突水事故威脅顯著增大。因此，研究深部開采煤層底板應(yīng)力擾動(dòng)意義重大。

對(duì)于煤礦開采過程中底板應(yīng)力分布特征問題，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者做了深入的研究。王路軍[1]提出采動(dòng)應(yīng)力擾動(dòng)因子表達(dá)式，得到了煤體在擾動(dòng)和未擾動(dòng)條件下應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng)規(guī)律；王文林[2]模擬得出了復(fù)雜應(yīng)力擾動(dòng)下巷道圍巖變形規(guī)律，巷道在鄰面回采東亞影響下應(yīng)力集中顯著增強(qiáng)；任波[3]通過數(shù)值模擬和微震監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法，研究了注漿前后破碎帶的圍巖應(yīng)力分布差異，注漿后應(yīng)力異常區(qū)減小，圍巖穩(wěn)定；劉毅[4]對(duì)淺部工作面超前支撐壓力進(jìn)行實(shí)測(cè)研究，得到其影響范圍及峰值位置；郜慧強(qiáng)[5]通過數(shù)值模擬研究了工作面底板的垂直應(yīng)力，包括實(shí)體煤及采空區(qū)。以上專家對(duì)采動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行了大量研究，但是對(duì)于大采深條件下底板應(yīng)力分布特征，研究較少。本文以邢東礦超千米采深工作面為研究背景，采用室內(nèi)物理模擬方法研究底板應(yīng)力重分布影響范圍及特點(diǎn)，為類似條件工作面的開采提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 工程背景

邢東礦2125 工作面標(biāo)高-1 038—-1 136 m，地面標(biāo)高+53—+55 m。開采煤層為2 號(hào)煤，煤厚3.7～4.6 m，傾角平均10°，向切眼方向煤厚和傾角逐漸增加。工作面內(nèi)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，總體呈單斜構(gòu)造，底板標(biāo)高在-1 050—-1 130 m，僅在運(yùn)料巷靠近切眼部分存在NE 向向斜構(gòu)造。

2 煤下包括野青灰?guī)r含水層、伏青灰?guī)r含水層、大青灰?guī)r含水層以及奧陶系灰?guī)r含水層。2 號(hào)煤底板距下伏的野青含水層為44 m，距下伏的伏青含水層為90 m，距下伏的大青含水層為135 m，距下伏的奧灰含水層為174 m。

為研究采動(dòng)應(yīng)力重分布影響范圍及對(duì)各底板含水層的影響，在底板各含水層分別布置應(yīng)力盒，監(jiān)測(cè)采后應(yīng)力變化。

2 模擬方案

2.1 模擬范圍及相似比尺

根據(jù)邢東礦2125 工作面附近鉆孔資料，確定此次模擬的垂向范圍以及相似比尺。選定模擬的確切剖面，確定具體尺寸。實(shí)驗(yàn)室模型架尺寸（長(zhǎng)度×高度×厚度）為502 cm×120 cm×22 cm。模擬開采煤層為2 號(hào)煤層，模型覆蓋范圍包括奧灰頂面到開采煤層，考慮實(shí)驗(yàn)條件，確定幾何相似比尺、時(shí)間相似比尺分別為200、14.142。

2.2 邊界條件

根據(jù)各巖層的密度結(jié)合容重相似常數(shù)，確定模型各巖層密度。由于模型頂界面為地表以下1 040.15 m 處巖層，需計(jì)算模型頂界面邊界條件，即壓強(qiáng)：

式中：h 為省去的模型頂界面到地表的高度，為5.2 m。

模型底界面以下為奧陶系灰?guī)r含水層，需計(jì)算底界面承壓水水壓。以抽水觀測(cè)孔水位數(shù)據(jù)為根據(jù)，繪制奧陶系灰?guī)r等水位線圖，以此為依據(jù)，確定臨近工作面奧陶系灰?guī)r水位線為+1.5 m，結(jié)合奧陶系灰?guī)r頂面埋深，確定模擬范圍底界面水壓為+11.5 MPa。模型及底界面加載裝置如圖1 所示，模型頂界面加載裝置如圖2 所示。

圖1 模型觀測(cè)點(diǎn)及底界面加載裝置Fig.1 Model observation point and bottom interface loading device

圖2 模型頂界面加載裝置Fig.2 Model top interface loading device

2.3 觀測(cè)系統(tǒng)

應(yīng)力通過埋設(shè)應(yīng)力盒的方法測(cè)試，應(yīng)力盒連接靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)，實(shí)時(shí)接收應(yīng)力數(shù)據(jù)。應(yīng)力盒布置如圖3 所示，壓力盒的埋設(shè)及固定如圖4 所示。

圖3 模型應(yīng)力盒布置示意Fig.3 The stress boxes layout of model

圖4 壓力盒的埋設(shè)及固定Fig.4 Embedding and fixing of the stress boxes

由于邢東礦2125 工作面停采線正前方是原2222 工作面采空區(qū)，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱?125 推進(jìn)方向取剖面，在推進(jìn)方向前方設(shè)置老采空區(qū)，研究采動(dòng)對(duì)老采空區(qū)及保護(hù)煤柱底板的擾動(dòng)。

開挖方法為全部垮落法。根據(jù)工作面采線記錄，確定采線每天推進(jìn)平均約1.43 m，結(jié)合模型相似常數(shù)，得到在模型尺度下，采線每天移動(dòng)10 cm。工作面走向長(zhǎng)度230 cm，需要23 d 全部采完。采煤過程中，隨工作面推進(jìn)距離的不同，觀測(cè)記錄模型底板巖層應(yīng)力變化及裂隙演化過程。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 煤層底板應(yīng)力數(shù)據(jù)分析

3.1.1 應(yīng)力盒實(shí)驗(yàn)結(jié)果

首先分析臨近2 煤底板鋪設(shè)的應(yīng)力盒數(shù)據(jù)，沿著2 煤底板從開切眼到老采空區(qū)中央選擇7 個(gè)應(yīng)力盒，編號(hào)分別為應(yīng)力盒1～7，應(yīng)力盒1 距開切眼55 cm。

此處應(yīng)力為應(yīng)力盒讀取數(shù)據(jù)，都為變化值，應(yīng)力初始值（原巖應(yīng)力）設(shè)置為0，應(yīng)力盒應(yīng)力變化如圖5～圖10 所示。

圖5 應(yīng)力盒1 應(yīng)力變化曲線Fig.5 The stress change curve of stress box 1

由圖5 可知應(yīng)力盒1 應(yīng)力變化。在工作面推進(jìn)到距此處25 cm 時(shí)，應(yīng)力逐步顯現(xiàn)；到達(dá)應(yīng)力盒所在位置時(shí)，應(yīng)力集中現(xiàn)象最明顯，壓應(yīng)力達(dá)到最大值-0.12 MPa；工作面通過此位置后，該處發(fā)生離層，壓應(yīng)力迅速降低并轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力，在工作面距離開切眼50 cm 時(shí)，該位置拉應(yīng)力達(dá)到最大值，為0.08 MPa；隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，該位置頂?shù)装褰佑|，重新壓實(shí)，拉應(yīng)力降低并迅速轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，最終在120 cm 之后趨于穩(wěn)定，恢復(fù)到接近原巖應(yīng)力狀態(tài)。

由圖6 可知應(yīng)力盒2 應(yīng)力變化。在工作面推進(jìn)到距此位置50 cm 時(shí)，應(yīng)力逐步顯現(xiàn)；到達(dá)應(yīng)力盒所在位置時(shí)，應(yīng)力集中現(xiàn)象最明顯，壓應(yīng)力達(dá)到最大值-1.56 MPa；工作面通過此位置后，該處發(fā)生離層，壓應(yīng)力迅速降低并轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力，在工作面距離開切眼30 cm 時(shí)，該位置拉應(yīng)力達(dá)到最大值，為0.54 MPa；隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，該位置頂?shù)装褰佑|，重新壓實(shí)，拉應(yīng)力降低并迅速轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，最終在130 cm 趨于穩(wěn)定。

圖6 應(yīng)力盒2 應(yīng)力變化曲線Fig.6 The stress change curve of stress box 2

由圖7 可知應(yīng)力盒3 應(yīng)力變化。在工作面推進(jìn)到距此位置50 cm 時(shí)，應(yīng)力逐步顯現(xiàn)；到達(dá)應(yīng)力盒所在位置時(shí)，應(yīng)力集中現(xiàn)象最明顯，壓應(yīng)力達(dá)到最大值-1.31 MPa；工作面通過此位置后，該處發(fā)生離層，壓應(yīng)力迅速降低并轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力，在工作面距離開切眼30 cm 時(shí)，該位置拉應(yīng)力達(dá)到最大值，為0.32 MPa；隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，該位置頂?shù)装褰佑|，重新壓實(shí)，拉應(yīng)力降低并迅速轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，在開采結(jié)束6 h 之后，煤柱垮落，誘使其進(jìn)一步壓實(shí)，恢復(fù)到原巖應(yīng)力狀態(tài)。

圖7 應(yīng)力盒3 應(yīng)力變化曲線Fig.7 The stress change curve of stress box 3

由圖8 可知應(yīng)力盒4 應(yīng)力變化。在工作面推進(jìn)到距此位置50 cm 時(shí)，應(yīng)力逐步顯現(xiàn)；到達(dá)應(yīng)力盒所在位置時(shí)，應(yīng)力集中現(xiàn)象最明顯，壓應(yīng)力達(dá)到最大值-1.02 MPa；工作面通過后，該處發(fā)生離層，壓應(yīng)力迅速降低并轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力，在工作面距離開切眼20 cm 時(shí)，該位置拉應(yīng)力達(dá)到最大值，為0.34 MPa；隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，該位置頂?shù)装褰佑|，重新壓實(shí)，拉應(yīng)力降低并迅速轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，在開采結(jié)束6 h 之后，煤柱垮落，誘使其進(jìn)一步壓實(shí)，后逐漸趨于穩(wěn)定。煤柱垮落對(duì)該位置影響很大。

圖8 應(yīng)力盒4 應(yīng)力變化曲線Fig.8 The stress change curve of stress box 4

由圖9 可知應(yīng)力盒5 應(yīng)力變化。此處為煤柱下方，工作面推進(jìn)到距此處50 cm 時(shí)，煤層底板應(yīng)力開始有影響；推進(jìn)到距此處20 cm 時(shí)，應(yīng)力集中達(dá)到最大，最大應(yīng)力為-0.29 MPa；之后煤柱發(fā)生坍塌，應(yīng)力集中減弱，應(yīng)力逐漸釋放，最終恢復(fù)原巖應(yīng)力狀態(tài)。

圖9 應(yīng)力盒5 應(yīng)力變化曲線Fig.9 The stress change curve of stress box 5

圖10 應(yīng)力盒6 應(yīng)力變化曲線Fig.10 The stress change curve of stress box 6

由圖10 可知應(yīng)力盒6 應(yīng)力變化。此處為老采空區(qū)底板，應(yīng)力變化散亂，與工作面推進(jìn)無明顯關(guān)系。在煤柱垮落時(shí)受到垮落沖擊，壓應(yīng)力急劇增大，最終趨于穩(wěn)定。

在老采空區(qū)距離煤柱較遠(yuǎn)處的應(yīng)力盒7，在整個(gè)開采及開采結(jié)束后的過程中應(yīng)力值一直在原巖應(yīng)力上下擺動(dòng)，工作面的推進(jìn)以及煤柱的坍塌對(duì)其都沒有造成影響。

3.1.2 數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過上述應(yīng)力數(shù)據(jù)分析可以得出以下結(jié)論。

（1）在工作面推進(jìn)過程中底板應(yīng)力的變化過程及影響范圍。

底板各點(diǎn)應(yīng)力變化過程為“原巖應(yīng)力-壓應(yīng)力增大-壓應(yīng)力最大值-壓應(yīng)力轉(zhuǎn)為拉應(yīng)力（應(yīng)力釋放）-拉應(yīng)力轉(zhuǎn)為壓應(yīng)力（逐漸壓實(shí)）-逐漸恢復(fù)到原巖應(yīng)力”6 個(gè)階段，應(yīng)力變化過程類似為正弦曲線形態(tài)。

綜合分析底板各位置的應(yīng)力影響情況，底板淺部應(yīng)力重分布影響范圍為工作面前方50 cm，轉(zhuǎn)化成現(xiàn)場(chǎng)尺度為100 m。

工作面后方重新壓實(shí)至原巖應(yīng)力狀態(tài)的步距為130 cm，轉(zhuǎn)化成現(xiàn)場(chǎng)尺度為260 m。

（2）臨近老采空區(qū)的影響。

煤柱垮落使其自身應(yīng)力得到釋放，壓應(yīng)力減小；使周圍受到垮落沖擊，壓應(yīng)力增大。煤柱垮落對(duì)底板應(yīng)力的影響范圍為周圍80 cm，轉(zhuǎn)化成現(xiàn)場(chǎng)尺度為160 m。

由于保護(hù)煤柱的作用，工作面推進(jìn)并不能影響臨近老空區(qū)的應(yīng)力。

3.2 各巖層應(yīng)力與工作面推進(jìn)關(guān)系

選取距開切眼55 cm 處一列應(yīng)力盒，分析其應(yīng)力變化情況。在2 煤底板以下依次為野青頂面應(yīng)力盒（圖11）、野青底面應(yīng)力盒（圖12）、伏青頂面應(yīng)力盒（圖13）、大青頂面應(yīng)力盒（圖14）及奧灰頂面應(yīng)力盒（圖15）。

圖11 野青頂面應(yīng)力變化曲線Fig.11 The stress change curve of Yeqing limestone top interface

圖12 野青底面應(yīng)力變化曲線Fig.12 The stress change curve of Yeqing limestone bottom interface

圖13 伏青頂面應(yīng)力變化曲線Fig.13 The stress change curve of Fuqing limestone top interface

圖14 大青頂面應(yīng)力變化曲線Fig.14 The stress change curve of Daqing limestone top interface

由各應(yīng)力變化曲線對(duì)比分析可知以下結(jié)論。

（1）底板由淺入深，各巖層應(yīng)力的變化受工作面推進(jìn)的影響程度變?nèi)?。?yīng)力起伏的峰值及峰值差變小。起伏趨勢(shì)變緩，峰值越來越不明顯。

（2）野青灰?guī)r以深的應(yīng)力監(jiān)測(cè)區(qū)域，在工作面采動(dòng)的過程中沒有明顯的峰值出現(xiàn)。

（3）伏青以下大青、奧灰附近巖層應(yīng)力的變化與工作面的推進(jìn)沒有關(guān)系，其應(yīng)力大體在原巖應(yīng)力附近徘徊，在工作面采完之后最終應(yīng)力有一定程度的釋放，壓應(yīng)力減小。采動(dòng)對(duì)底板的應(yīng)力影響范圍到達(dá)伏青灰?guī)r附近，底板應(yīng)力影響深度為90 m。

圖15 奧灰頂面應(yīng)力變化曲線Fig.15 The stress change curve of Ordovician limestone top interface

4 結(jié) 論

（1）根據(jù)物理模擬試驗(yàn)結(jié)果，水平向超前支撐壓力影響范圍為100 m，工作面后方重新壓實(shí)至原巖應(yīng)力狀態(tài)的步距為260 m。邢東2125 工作面實(shí)測(cè)超前支撐壓力影響范圍92 m，試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)較為吻合。

（2）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)底板破壞帶深度45 m，試驗(yàn)所得底板90 m 有應(yīng)力擾動(dòng)，反映底板破壞帶之下還存在一定區(qū)域，雖然沒有發(fā)生顯著破壞，但采掘打破其原巖應(yīng)力平衡，產(chǎn)生了應(yīng)力擾動(dòng)。