承壓水上方煤層帶壓開采底板破壞規(guī)律與風險分析

王劍輝

(山西離柳焦煤集團 宏巖煤礦,山西 呂梁 033000)

1 工程概況

煤礦帶壓開采時容易受到底板承壓水害的威脅[1-2]。我國華北地區(qū)煤田的煤層底板普遍存在太原組灰?guī)r含水層和奧陶系灰?guī)r含水層,尤其是奧陶系灰?guī)r含水層厚度大、巖溶發(fā)育、補給面積大、水位較高、水量極為豐富,是華北煤田開采下組煤的主要水害威脅[3-4]。宏巖煤礦井田內(nèi)對煤層開采影響大的地下水為奧陶系巖溶水,最大水壓約為3 MPa,現(xiàn)階段開采的9號煤層底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、頁巖、鋁質(zhì)泥巖等巖性較弱的巖石,具有極高的底板突水風險。因此,擬采用理論計算、數(shù)值模擬、現(xiàn)場測試等方法對底板破壞規(guī)律與風險性進行分析與評價。

2 承壓水上方煤層底板破壞特征

煤層開采的過程中,隨著工作面的逐漸推進,采場底板的支承壓力也會相應(yīng)發(fā)生變化,當開采產(chǎn)生的擾動應(yīng)力大于煤層底板巖石的極限強度時,底板會產(chǎn)生塑性破壞,整體的承壓能力降低。在底板水壓的作用下,底板承壓水會向上導(dǎo)升,當導(dǎo)升高度達到采動應(yīng)力導(dǎo)致的底板塑性破壞區(qū)后便會向采場內(nèi)部涌水,容易導(dǎo)致水害事故。煤層底板承壓水應(yīng)力分布與塑性破壞區(qū)如圖1所示。

圖1 煤層底板承壓水應(yīng)力分布與塑性破壞區(qū)

圖中,γ為覆巖容重,kN/m3;H為煤層埋深,m;xa為超前支承壓力峰值點到工作面的距離,m;l1為底板塑性破壞區(qū)到工作面的最大距離,m;l2為采空區(qū)到工作面的底板塑性區(qū)距離,m;Hm為垮落帶高度,m;φ為底板巖石的內(nèi)摩擦角,(°);h為底板塑性破壞區(qū)深度,m.

根據(jù)圖1所示的力學模型,對煤層開采造成的底板最大破壞深度進行分析。在底板abf幾何區(qū)域內(nèi),巖石受到較高的支承壓力作用,此區(qū)域內(nèi)的巖石在垂直方向被壓縮,在水平方向上對abec巖石做擠壓運動。abec區(qū)域內(nèi)的巖石受到的水平擠壓力向右上方的acd巖石傳遞,最終導(dǎo)致采空區(qū)的底板巖石出現(xiàn)底鼓,并容易導(dǎo)致底板承壓水涌入采空區(qū)。工作面底板的塑性破壞區(qū)最大深度見式(1)[5]:

(1)

底板塑性破壞區(qū)到工作面最大距離的計算公式見式(2):

(2)

采空區(qū)到工作面底板塑性區(qū)距離的計算公式見式(3):

(3)

底板支承壓力峰值點到工作面的距離見式(4):

(4)

式中:K為支承壓力集中系數(shù),取2.5;σc為巖石抗壓強度,取15 MPa.

根據(jù)現(xiàn)場實測勘探數(shù)據(jù),取γ=25 kN/m3,H=580 m,φ=16°.將數(shù)據(jù)帶入上式,最終得到底板塑性破壞區(qū)到工作面的最大距離l1為2.6 m,底板支承壓力峰值點到工作面的距離xa為5.37 m,采空區(qū)到工作面的底板塑性區(qū)距離l2為11.18 m,工作面底板的塑性破壞區(qū)最大深度Hmax為9.06 m.

3 底板破壞特征數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型的建立

根據(jù)宏巖煤礦9號煤層工作面的地質(zhì)條件,運用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立長500 m、高100 m、寬300 m的長方體模型,在煤層上方施加10 MPa的地應(yīng)力。限制模型四周的水平位移以及模型底部的垂直位移。在模型的底部邊界施加3 MPa的水壓邊界模擬底板的承壓水。數(shù)值模擬采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型。模型的巖性參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)值模擬巖性參數(shù)

3.2 底板破壞深度變化特征

為分析工作面布置長度對底板塑性區(qū)發(fā)育深度的影響,在數(shù)值模型中分別模擬100 m、120 m、140 m、160 m、180 m、200 m共計6種不同工作面長度的模型,計算的走向開采長度均為100 m,最終得到工作面長度與底板破壞深度變化關(guān)系如圖2所示。底板的破壞深度隨工作面長度變化呈現(xiàn)出非線性增長的趨勢,在工作面長度為120～160 m的過程中,底板破壞深度快速增加,當長度大于160 m后,底板破壞深度的上升趨勢逐漸平緩。

圖2 工作面長度與底板破壞深度變化關(guān)系

3.3 底板支承壓力分布特征

隨著工作面的逐漸開采,底板的支承壓力分布特征如圖3所示。當工作面開采100 m時,底板應(yīng)力值約為26 MPa,隨著工作面的逐漸推進,應(yīng)力值逐漸上升,最大值達到了38 MPa.同時在工作面推進方向上,平均每推進10 m會產(chǎn)生小幅度的應(yīng)力攀升,這主要是由于周期來壓導(dǎo)致的循環(huán)性應(yīng)力增高。根據(jù)底板應(yīng)力的數(shù)值可知,采空區(qū)內(nèi)部存在著一定范圍的卸壓區(qū),越靠近工作面,卸壓區(qū)的卸壓效果越明顯。

圖3 煤層底板支承壓力分布

煤層底板的塑性破壞區(qū)隨著工作面的推進周期性移動,底板塑性區(qū)表現(xiàn)出來周期性的張拉破壞—重新壓實—張拉破壞形式,這與工作面的周期來壓密切相關(guān),也與圖3所示的采空區(qū)中的小幅度應(yīng)力升高密切相關(guān)。工作面向前推進時,底板應(yīng)力隨著支承壓力峰值點的遷移而增加,達到應(yīng)力峰值點并引發(fā)塑性破壞,當工作面推進過后,底板應(yīng)力迅速釋放,發(fā)生剪切滑移破壞。因此,工作面后方0～40 m范圍內(nèi)的巖體最易形成導(dǎo)水通道。

綜合分析可知,在煤層開采的動載荷作用以及承壓水壓力的綜合作用下導(dǎo)致了底板塑性破壞區(qū)的發(fā)育,破壞區(qū)域主要發(fā)育在工作面附近到采空區(qū)觸矸區(qū)范圍內(nèi)。此區(qū)域主要為垂直應(yīng)力的卸壓區(qū),底板巖石主要以張拉破壞為主,破壞深度約為9 m,數(shù)值模擬的計算數(shù)值與式(1)計算的工作面底板的塑性破壞區(qū)最大深度相近。

4 底板破壞深度現(xiàn)場測試

4.1 測試方案

為判斷宏巖煤礦9號煤層的底板破壞深度,根據(jù)現(xiàn)場試驗條件,采用鉆孔分段壓水觀察水量變化,以此對煤層底板的破壞深度進行研究。取測試段的長度為2 m,壓水測試的時間為20 min,壓水的壓力為0.2 MPa,每隔5 min記錄1次水量的變化?，F(xiàn)場試驗的鉆孔布置如圖4所示。

圖4 壓水試驗鉆場布置示意

測試孔的編號與測試深度分別為3號孔(7.51 m,12.37 m)、4號孔(12.4 m,14.43 m)、5號孔(14.43 m,20.00 m)。由于4號鉆孔與5號鉆孔的壓水量基本保持不變,而根據(jù)圖5所示的3號鉆孔測試結(jié)果可知,最大壓水量為28.6 L/min,最小壓水量為19.8 L/min,變化量較大,壓水量出現(xiàn)變化主要在3號鉆孔,因此,可以判定底板的破壞發(fā)生在3號鉆孔的測試范圍內(nèi)。根據(jù)圖5(b)所示的雙塞壓分段水流量變化特征,只有3號鉆孔在(8.98 m,9.03 m)區(qū)間內(nèi)的流量滿足判別標準,表明此區(qū)間內(nèi)的底板破壞較為發(fā)育。

圖5 3號鉆孔測試曲線

4.2 突水風險評價

根據(jù)宏巖煤礦地質(zhì)測試資料,底板承壓水的壓力值約為3 MPa.根據(jù)前文的理論計算、數(shù)值模擬、現(xiàn)場實測,底板的破壞深度為9～9.06 m.為保證工程可靠性,擬推斷9號煤層的底板最大破壞深度為9.5 m,底板承壓水的隔水層厚度為30.5 m,根據(jù)式(5)所示的突水系數(shù)進行計算:

T=P/M

(5)

式中:T為底板突水系數(shù),MPa/m;P為底板承壓水的水頭,MPa;M為隔水層厚度,m.

根據(jù)計算結(jié)果,最終推斷9號煤層的突水系數(shù)為0.098 MPa/m.根據(jù)煤礦防治水條例,隔水層在地質(zhì)條件良好的賦存地帶,突水系數(shù)需小于0.1 MPa/m.因此,9號煤層開采時滿足安全開采的需求,但由于兩值的計算結(jié)果較為接近,需要加強底板防治水工作。

5 結(jié) 語

1) 理論分析了煤層底板承壓水應(yīng)力分布與塑性破壞區(qū)的力學模型,根據(jù)理論計算得到底板塑性破壞區(qū)到工作面的最大距離為2.6 m,底板支承壓力峰值點到工作面的距離為5.37 m,采空區(qū)到工作面的底板塑性區(qū)距離為11.18 m,工作面底板的塑性破壞區(qū)最大深度為9.06 m.

2) 運用FLAC3D進行多場耦合計算,表明隨著煤層開采,底板的破壞深度隨工作面長度變化呈現(xiàn)出非線性增長的趨勢,底板塑性區(qū)表現(xiàn)出張拉破壞—重新壓實—張拉破壞形式。底板的破壞深度約為9 m.

3) 根據(jù)現(xiàn)場鉆孔分段壓水測試結(jié)果,煤層底板的破壞深度為8.98～9.03 m.突水系數(shù)約為0.098 MPa/m.表明9號煤層開采時滿足安全開采的需求,但接近于臨界值,需要加強底板防治水工作。