煤層開采底板破壞特征研究*

高耀龍

(山西大土河能源科技有限公司,山西 呂梁市 033000)

0 前言

我國(guó)是煤炭資源消耗大國(guó),煤炭對(duì)于我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要作用,隨著我國(guó)煤炭資源的大量回采[1-2],淺埋深煤層資源已趨于殆盡,煤炭企業(yè)不得不向深部開采。大采深生產(chǎn)已逐漸成為常態(tài),其比重越來越大,深部開采面臨“三高一擾動(dòng)”的威脅,這極大地影響煤礦安全生產(chǎn),嚴(yán)重阻礙了煤礦高產(chǎn)高效發(fā)展。以華北煤田為例,深部開采面臨底板奧灰水的影響,煤層開采突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)已是煤炭資源安全回采的關(guān)鍵,底板破壞深度是評(píng)價(jià)開采突水危險(xiǎn)性的關(guān)鍵所在[3-4]。

對(duì)于底板破壞研究,大量學(xué)者進(jìn)行了理論研究[5-6],李昂等[7]采用大量數(shù)據(jù)對(duì)底板破壞深度公式進(jìn)行了擬合;樊正紅[8]采用經(jīng)驗(yàn)公式得出底板破壞深度,并進(jìn)行了突水預(yù)測(cè)。但底板破壞是復(fù)雜擾動(dòng)過程,理論的研究不足以獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù),必須進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,目前,對(duì)于底板破壞的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試主要有鉆孔窺視法[9-10]、微震監(jiān)測(cè)法[11-12]及分段注水法[13-14],其中鉆孔窺視法不足以準(zhǔn)確獲得精確的數(shù)據(jù);微震監(jiān)測(cè)法受井下環(huán)境影響較大,數(shù)據(jù)精度大打折扣;分段注水法具有很好的優(yōu)勢(shì),通過判斷注水量變化能夠準(zhǔn)確得出其破壞深度,使監(jiān)測(cè)精度大大提高。

本文通過數(shù)值模擬分析底板破壞發(fā)育特征,通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試進(jìn)行驗(yàn)證,研究結(jié)果可為該區(qū)域煤層底板破壞深度提供參考。

1 工程概況

新水煤礦煤層底板主要為太原組下部的石英砂層以及本溪組的鋁土質(zhì)頁巖層和奧陶系灰?guī)r,主采5 號(hào)煤層,煤層厚度約2.36 m,煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。10407工作面標(biāo)高為＋416～＋448 m,工作面煤層平均厚度為2.38 m,屬于帶壓開采。5號(hào)煤層底板隔水層厚度為28.9～29.7 m,平均厚度為29.3 m。

2 底板破壞特征數(shù)值模擬

2.1 模型和參數(shù)

工作面回采后,必然會(huì)在底板發(fā)生破壞,其破壞程度呈現(xiàn)出一定規(guī)律的變化。遠(yuǎn)離工作面的破壞程度小,在不同的推進(jìn)距離下,其底板破壞形態(tài)也存在差異。為了更好地了解底板破壞程度,本次模擬試驗(yàn)選用FLAC 數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬,該軟件是基于三維快速拉格朗日算法和三維顯式有限差分法的模擬軟件,能夠很好地模擬巖石破壞形態(tài),特別對(duì)于巖石破壞后的形態(tài)特征具有很好的效果。根據(jù)該礦開采的實(shí)際情況,結(jié)合10407工作面開采實(shí)際地質(zhì)條件,模擬尺寸為200 m×180 m×40 m,共模擬8層巖層,包含附加在巖層上層的上覆巖層、5 號(hào)煤層、中粒砂巖層、鋁土泥巖層、砂質(zhì)泥巖層、中粒砂巖層、鋁土泥巖層和底板奧水灰?guī)r層。對(duì)工作面周邊進(jìn)行留設(shè)保護(hù)煤柱處理,數(shù)值模型如圖1所示,模擬參數(shù)見表1。

表1 數(shù)據(jù)模擬煤巖體力學(xué)參數(shù)

圖1 數(shù)值模型

2.2 模擬結(jié)果

在煤層開采過程中,采用分布開挖法進(jìn)行開挖,開挖過程中對(duì)不同開挖距離下的應(yīng)力特征進(jìn)行記錄,得出煤層推進(jìn)過程中應(yīng)力分布特征,如圖2所示。

圖2 煤層推進(jìn)過程中應(yīng)力分布特征

由圖2可知,在煤層推進(jìn)過程中,受采動(dòng)影響,原始應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破,使應(yīng)力重新分布,在水平推進(jìn)方向上形成了釋放區(qū)、集中區(qū)、降低區(qū)3 個(gè)區(qū)域。對(duì)于應(yīng)力釋放區(qū),由于工作面回采后,頂板發(fā)生垮落,應(yīng)力一部分得到釋放,但是工作面頂板沒有完全下落,保留了一部分應(yīng)力,所以形成了應(yīng)力的釋放區(qū);對(duì)于應(yīng)力集中區(qū),當(dāng)工作面回采后,煤層被挖出形成了巷道,由于巷道圍巖的支撐作用,在巷道圍巖中形成了應(yīng)力升高區(qū),這部分應(yīng)力的升高使應(yīng)力出現(xiàn)集中,因此,在煤壁的支撐區(qū)內(nèi)形成了應(yīng)力集中的現(xiàn)象;應(yīng)力降低區(qū)是由于中部形成的集中區(qū)導(dǎo)致的,出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)對(duì)應(yīng)的區(qū)域必然有應(yīng)力降低區(qū)。煤層開挖后底板破壞情況如圖3所示,由圖3可知,煤層回采后煤層底板遭到破壞,產(chǎn)生了大量裂隙,其裂隙發(fā)育程度隨著遠(yuǎn)離工作面大大降低。這是因?yàn)檫h(yuǎn)離工作面受采動(dòng)影響較小,其裂隙發(fā)育程度較低,而在近煤層底板附近由于直接受采動(dòng)影響,其裂隙發(fā)育程度較大,裂隙最大發(fā)育深度為9.01 m,因此,煤層底板破壞的最大深度為9.01 m。

圖3 煤層推進(jìn)過程中煤層底板破壞情況

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

對(duì)于煤層底板破壞深度的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,目前主要有微震監(jiān)測(cè)法、鉆孔成像法及聲波法。以上方法由于設(shè)備自身特征受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響較大,測(cè)試準(zhǔn)確度會(huì)大大降低。而鉆孔注水法是一種成熟的測(cè)試底板破壞深度的研究方法,因此,本次選擇采用鉆孔注水法測(cè)試底板破壞深度。

3.1 測(cè)試原理

鉆孔注水法測(cè)試技術(shù)原理如圖4所示。該裝置主要由測(cè)試部分、操作部分、高壓封堵部分3種結(jié)構(gòu)組成。工作面回采后,煤層底板受到采動(dòng)影響必然發(fā)生破壞,產(chǎn)生裂隙,因在垂直方向上受到采動(dòng)影響的程度不同,底板破壞的強(qiáng)度也不相同,當(dāng)達(dá)到一定深度后,裂隙停止發(fā)育,該位置就是底板破壞深度,可通過不同階段注水量的差異來判斷底板的破壞深度。

圖4 鉆孔分段注水原理

3.2 測(cè)試結(jié)果與分析

在工作巷道內(nèi)布置3 個(gè)鉆孔,編號(hào)分別是Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。3個(gè)鉆孔的深度分別為38.04m、38.48 m、38.49 m。傾角分別為－19°、－25°、－33°,測(cè)試壓力為0.2 MPa,鉆機(jī)選用杭鉆ⅢA 型鉆機(jī)、KBY 雙液注漿泵及其相應(yīng)配套設(shè)備,總測(cè)試時(shí)間65 d,進(jìn)行了64次壓水試驗(yàn),單栓塞測(cè)試數(shù)據(jù)如圖5所示,雙栓塞測(cè)試數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖5 單栓塞鉆孔分段注水量曲線

圖6 雙栓塞鉆孔分段注水量曲線

對(duì)于煤層開采底板破壞深度,采用巖石滲透系數(shù)進(jìn)行確定,其計(jì)算公式為:

式中,K為煤層滲透系數(shù),m/d;Q為壓水試驗(yàn)注水量,m3/d;P為壓水試驗(yàn)注漿壓力,MPa;L為注漿壓力段長(zhǎng)度,m;α為測(cè)試系數(shù),取值范圍為1～1.2。

在進(jìn)行全孔注水試驗(yàn)過程中,I號(hào)鉆孔測(cè)試長(zhǎng)度為13.92 m,Ⅱ號(hào)鉆孔測(cè)試長(zhǎng)度為8.72 m,因此在采用公式(1)計(jì)算時(shí),α取1.1進(jìn)行計(jì)算,以開采前后滲透系數(shù)增量及開采前后滲透系數(shù)比值作為底板破壞深度的判別指標(biāo),得出計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 各階段滲透系數(shù)曲線

由圖5、圖6、圖7 可知,Ⅰ號(hào)鉆孔測(cè)試深度從7.5 m 開始到12.3 m 結(jié)束,在工作面前方－50 m處時(shí)鉆孔注水量逐漸降低;在工作面前方－40～－20 m 保持不變;距離工作面前方－20 m 時(shí)注水量增大,在測(cè)點(diǎn)上方時(shí)注水量達(dá)到最大值。開采對(duì)于底板注水量的影響從工作面前方－50 m 時(shí)開始,是一個(gè)應(yīng)力增大的過程,但沒有裂隙產(chǎn)生,屬于壓密階段,裂隙閉合;當(dāng)從工作面前方20 m 到工作面上方時(shí),屬于巖體受壓塑性變形階段,產(chǎn)生大量裂隙,注水量隨之增加。Ⅱ號(hào)鉆孔注水量變化可分為3個(gè)階段,當(dāng)回采到工作面前方4～15 m 時(shí),煤層底板受到采動(dòng)影響,裂隙有一定程度的發(fā)育,但受到壓縮應(yīng)力影響,底板裂隙基本保持不變,鉆孔注水量基本不變。隨著工作面的不斷推進(jìn),當(dāng)推進(jìn)到工作面前方15 m 至工作面后方18 m 時(shí),煤層底板巖體受壓塑性變形,產(chǎn)生大量裂隙,鉆孔注水量較大;當(dāng)推進(jìn)到工作面后方18 m 到80 m 時(shí),應(yīng)力降低,水平裂隙開展降低,鉆孔注水量減少,整體上Ⅱ號(hào)鉆孔注水量小于Ⅰ號(hào)鉆孔,裂隙發(fā)育深度未達(dá)到Ⅱ號(hào)鉆孔深度。由于測(cè)試過程中Ⅱ號(hào)鉆孔注水量較小,認(rèn)定底板破壞深度小于Ⅱ號(hào)鉆孔測(cè)試深度,因此,取消了Ⅲ號(hào)鉆孔測(cè)試觀測(cè)。綜合鉆孔注水量可知,鉆孔破壞深度在8.98～9.03 m 之間。

4 結(jié)語

(1)采用數(shù)值模擬方法分析得出,應(yīng)力在水平推進(jìn)方向上形成了釋放區(qū)、集中區(qū)、降低區(qū)3 個(gè)區(qū)域,煤層底板最大破壞深度為9.01 m。

(2)采用鉆孔注水量法對(duì)開采前后底板注水量進(jìn)行了測(cè)試,將開采后滲透系數(shù)增量大于0.2及開采后與開采前滲透系數(shù)比值大于2作為底板破壞深度判別指標(biāo),分析得出煤層底板最大破壞深度為8.98～9.03 m,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)值模擬,為礦井安全生產(chǎn)提供了重要參數(shù)。