柳 晶,李根威

(呂梁學(xué)院 礦業(yè)工程系,山西 呂梁 033000)

煤礦水害是現(xiàn)階段我國(guó)煤礦開采過程中的主要危害之一。采掘過程中,底板破壞深度過大會(huì)導(dǎo)致承壓水涌入回采工作面,嚴(yán)重影響開采進(jìn)度及工人的生命和財(cái)產(chǎn)安全。因此,研究帶壓保水開采引起的底板破壞深度十分重要。魏丹峰等[1]提出了“堵截法”和“疏導(dǎo)法”的保水開采方案,對(duì)煤礦安全生產(chǎn)和水資源保護(hù)具有重要意義。張玉軍等[2]針對(duì)鄂爾多斯盆地侏羅系煤田,提出了“先疏后采與邊采邊疏相結(jié)合”的疏控水技術(shù)。王厚柱等[3]對(duì)深部近距離煤層底板破壞規(guī)律進(jìn)行了研究。邵良杉等[4]建立了一種PSO-ELM-Boosting模型，用于預(yù)測(cè)底板破壞深度。宋文成等[5]研究了沿傾向承壓水開采時(shí)底板的破壞情況。劉偉韜等[6]對(duì)深部礦井帶壓開采底板破壞情況進(jìn)行了研究。孫卓越等[7]通過理論計(jì)算和數(shù)值模擬，對(duì)底板破壞深度進(jìn)行了計(jì)算。趙劍[8]通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和FLAC3D數(shù)值模擬，對(duì)承壓開采的破壞深度進(jìn)行了研究。張志巍等[9]研究了采動(dòng)與隱伏斷層雙重作用下底板的破壞特征情況。王進(jìn)尚等[10]利用高精度微震檢測(cè)技術(shù)對(duì)底板破壞深度進(jìn)行了研究。在此,針對(duì)義棠100602工作面的實(shí)際情況,利用理論計(jì)算、FLAC3D數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)確定工作面的破壞深度,為實(shí)際保水開采提供參考。

1 工程概況

井田內(nèi)奧灰水水位標(biāo)高為531.5～530.0 m,9號(hào)、10號(hào)煤層埋藏深度為350～500 m,煤層底板距奧灰系承壓水層約30 m,煤層底板奧灰水水壓為0～4.5 MPa,突水系數(shù)大于0.1 MPa/m,存在突水危險(xiǎn),威脅安全生產(chǎn)。100602工作面采用長(zhǎng)壁式采煤法,工作面斜長(zhǎng)140 m,推進(jìn)882 m,采用一次采全高的采煤工藝,煤層平均厚度7.73 m,煤層傾角4°～7°,平均5°,工作面南部為不帶壓開采,北部均為帶壓開采。開采方向由東北向西南進(jìn)行,開采初期對(duì)底板進(jìn)行了注漿加固治理,依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)提供的資料,工作面回采過程中未發(fā)現(xiàn)涌水情況。在100602工作面底板距離工作面開切眼185 m和195 m處打1#鉆孔和2#鉆孔,鉆孔深度分別為22.6 m和23.0 m,如圖1所示。在開始現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)時(shí),工作面距離1#鉆孔和2#鉆孔孔口分別為65 m和75 m。

圖1 100602工作面底板鉆孔柱狀圖

2 理論計(jì)算分析

基于底板破壞經(jīng)驗(yàn)公式,分別計(jì)算不同工作面和采高時(shí)的底板破壞深度。工作面斜長(zhǎng)取70 m和140 m兩種,采高取4.4 m、5.4 m和7.7 m三種,分類對(duì)比開采方式對(duì)底板破壞深度的差異性。

第一種經(jīng)驗(yàn)公式是基于多因素分析計(jì)算不同采高h(yuǎn)和工作面斜長(zhǎng)L下的底板破壞深度[11]。

(1)

式中:h1為底板采動(dòng)破壞深度,m;L為工作面斜長(zhǎng),m;h0為煤層埋深,取350 m。

第二種經(jīng)驗(yàn)公式是20世紀(jì)80年代研究人員根據(jù)開采工作面斜長(zhǎng)進(jìn)行單因素分析,總結(jié)出了計(jì)算底板破壞深度的經(jīng)驗(yàn)公式[12]。

h1=1.86+0.11L.

(2)

具體的計(jì)算結(jié)果如表1所示。從經(jīng)驗(yàn)公式和計(jì)算結(jié)果分析可知,工作面斜長(zhǎng)與底板破壞深度呈正相關(guān),與采高關(guān)系較為復(fù)雜,可能受多種因素影響,不能直觀表現(xiàn)出線性相關(guān)性。

表1 底板破壞深度計(jì)算結(jié)果

通過理論計(jì)算,綜合兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式可確定,工作面斜長(zhǎng)為70 m時(shí),底板破壞深度范圍確定為9.56～11.61 m;工作面斜長(zhǎng)為140 m時(shí),底板破壞深度范圍確定為14.53～17.26 m。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

模擬軟件采用FLAC3D,基于兩個(gè)鉆孔對(duì)底板巖性的探測(cè)結(jié)果,賦予模型其他的地層參數(shù),煤層傾角按照5°考慮。煤層開采厚度模型建立4.4 m、5.4 m、7.7 m三種,工作面斜長(zhǎng)模擬建立70 m和140 m兩種。計(jì)算開始前各應(yīng)力場(chǎng)處于平衡狀態(tài),之后在煤層底板施加4.5 MPa的承壓水水壓,然后按照不同方案對(duì)工作面進(jìn)行開挖。為保證每次開挖模擬的真實(shí)性,將采空區(qū)垮落、冒落碎脹后對(duì)上覆巖層的支撐作用列入考慮范圍內(nèi)。最終建立的模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高=250 m×130 m×95 m,三維模型如圖2所示。

圖2 三維數(shù)值模型

3.2 底板破壞特征分析

繪制在采動(dòng)礦壓和水壓共同作用下,煤層底板采動(dòng)破壞帶深度的垂直應(yīng)力云圖和剪應(yīng)力云圖,如圖3和圖4所示。由于煤層底板奧灰水水壓為0～4.5 MPa,為便于對(duì)比分析,定義底板垂直應(yīng)力小于4.5 MPa時(shí)的區(qū)域?yàn)榈装逍箟悍秶?/p>

圖3 采動(dòng)破壞帶深度的垂直應(yīng)力云圖

對(duì)比圖3(a)和圖3(b)發(fā)現(xiàn),采高為4.4 m的條件下,工作面斜長(zhǎng)為70 m時(shí),底板泄壓區(qū)深度為17.3 m;工作面斜長(zhǎng)為140 m時(shí),底板泄壓區(qū)深度降為9.6 m。這是由于隨著工作面的增長(zhǎng),采空區(qū)兩幫所受壓力增大,頂板垮落時(shí)垮落范圍增大,垮落高度也增加,冒落碎脹后施加給底板上的巖石重量增大,說明底板泄壓區(qū)深度隨工作面斜長(zhǎng)增加而減小。從底板損傷屈服破壞機(jī)理方面分析,底板巖層屈服破壞主要由采場(chǎng)四周超前支承壓力作用于底板上產(chǎn)生的剪切破壞引起，工作面斜長(zhǎng)的增加也會(huì)導(dǎo)致剪切力增大,剪切破壞加劇,底板破壞更加嚴(yán)重,隨著工作面的推進(jìn)會(huì)對(duì)底板造成二次動(dòng)壓傷害。由此可知,工作面斜長(zhǎng)增加導(dǎo)致底板發(fā)生塑性破壞屈服的范圍增大,而底板垂直應(yīng)力的泄壓區(qū)深度有所減小,表明底板破壞深度與底板泄壓區(qū)深度呈反比。分別對(duì)比圖3(c)和圖3(d)、圖3(e)和圖3(f)發(fā)現(xiàn)，其底板泄壓區(qū)深度分別為16.9 m和8.3 m、16.2 m和8.4 m,也符合上述分析結(jié)果。采高對(duì)于底板泄壓區(qū)的影響,分別對(duì)比圖3(a)、3(c)、3(e)與圖3(b)、3(d)、3(f),其底板泄壓區(qū)深度分別為17.3 m、16.9 m、16.2 m與9.6 m、8.3 m、8.4 m,其最終結(jié)果表明,采高逐漸增大時(shí)底板泄壓區(qū)深度無(wú)明顯變化,說明采高對(duì)底板泄壓區(qū)深度的影響較為微弱,即對(duì)底板破壞深度的影響較為微弱。從垂直應(yīng)力云圖發(fā)現(xiàn),其在垂直方向的應(yīng)力區(qū)范圍與塑性區(qū)范圍大抵相同,只是各區(qū)段應(yīng)力大小分布和集中情況略有不同,分析原因可能是由于采高對(duì)底板淺層的破壞和應(yīng)力重新分布造成的影響不同導(dǎo)致的。

工作面推進(jìn)過程中沿煤層傾斜方向底板的剪應(yīng)力云圖如圖4所示。工作面開始推進(jìn)后,會(huì)在工作面兩端形成泡狀的剪應(yīng)力區(qū),這說明工作面兩端由于受到采空區(qū)的超前應(yīng)力影響形成了剪切應(yīng)力區(qū)。

圖4 采動(dòng)破壞帶深度的剪應(yīng)力云圖

對(duì)比圖4(a)、圖4(c)和圖4(e),工作面斜長(zhǎng)70 m時(shí),當(dāng)工作面采高從4.4 m提升到5.4 m再提升到7.7 m時(shí),底板剪應(yīng)力的范圍有增大的趨勢(shì),剪應(yīng)力最大值也增大;對(duì)比圖4(b)、圖4(d)和圖4(f)，當(dāng)工作面斜長(zhǎng)為140 m時(shí),該規(guī)律同樣適用。這是由于開采高度增加,工作面兩端所受超前支撐力增大,兩幫受到的剪切力相應(yīng)增大。工作面斜長(zhǎng)增加時(shí),采空區(qū)跨度增大,上覆巖層彎曲垮落,給兩幫施加的力增大,故剪應(yīng)力也呈增大趨勢(shì)。由此可知,工作面作業(yè)生產(chǎn)時(shí),如果采高較大或者工作面斜長(zhǎng)較長(zhǎng)則要做好巷道幫部的支護(hù)措施,避免發(fā)生剪切破壞,導(dǎo)致巷道失穩(wěn)變形。

綜合數(shù)值模擬的垂直應(yīng)力云圖和剪應(yīng)力云圖分析可知,采高不會(huì)對(duì)底板破壞深度造成直接影響,加強(qiáng)巷道支護(hù)措施即可保證安全施工，而工作面斜長(zhǎng)增長(zhǎng)會(huì)直接對(duì)底板破壞深度造成影響,且呈正相關(guān)。由垂直應(yīng)力云圖分析可知,工作面斜長(zhǎng)為70 m時(shí),底板破壞深度范圍為8.3～9.6 m,工作面斜長(zhǎng)為140 m時(shí),底板破壞深度范圍為16.2～17.3 m。這一模擬結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本一致。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析

4.1 實(shí)測(cè)方法及探頭布置

測(cè)試采用的探頭是由12個(gè)應(yīng)變片制成的空心包體,每個(gè)探頭都有12個(gè)應(yīng)變片,即12個(gè)測(cè)試通道。測(cè)試采用微震檢測(cè)法,其原理是巖石在應(yīng)力作用下發(fā)生破壞時(shí)產(chǎn)生微震并發(fā)出聲波以釋放能量,能量的變化與巖體失穩(wěn)變化同時(shí)發(fā)生,通過測(cè)試能量的變化從而表征其失穩(wěn)狀況，評(píng)價(jià)巖體是否發(fā)生失穩(wěn)破壞并確定發(fā)生破裂的位置。

100602工作面實(shí)際開采狀況為工作面斜長(zhǎng)140 m,平均機(jī)采高度為5.4 m,在開始布置檢測(cè)鉆孔前工作面距開切眼135 m。檢測(cè)鉆孔布置于100602工作面回風(fēng)順槽內(nèi),共布置2個(gè)檢測(cè)鉆孔,1#鉆孔距離開切眼185 m,2#鉆孔距離開切眼195 m。每個(gè)鉆孔以不同傾角和方位角沿工作面煤壁下隅角布置,每個(gè)鉆孔內(nèi)設(shè)6個(gè)應(yīng)變探頭,每個(gè)探頭有12個(gè)通道。實(shí)驗(yàn)器材為KX-81型空心包體式三軸應(yīng)力計(jì)、KBJ-12型應(yīng)變儀和數(shù)據(jù)處理軟件。檢測(cè)鉆孔中的每個(gè)探頭編號(hào)為1-1號(hào)至1-6號(hào)和2-1號(hào)至2-6號(hào),鉆孔及探頭的具體布置方式如圖5所示。檢測(cè)時(shí)間從工作面距1號(hào)檢測(cè)孔孔口65 m處開始,直至工作面推過1號(hào)檢測(cè)孔孔口70 m處,每天檢測(cè)1次數(shù)據(jù),測(cè)試期限為3個(gè)月。

圖5 鉆孔及探頭布置圖

4.2 數(shù)據(jù)分析

由于采動(dòng)影響會(huì)引起檢測(cè)探頭應(yīng)變片感應(yīng)數(shù)值的變化,通過應(yīng)變片感應(yīng)數(shù)值變化計(jì)算出每天的增量,該應(yīng)變片的最大感應(yīng)幅度ε為4×10-3。由于探測(cè)應(yīng)變片靈敏度很高,可認(rèn)為超過此值時(shí)應(yīng)變片已發(fā)生破壞,即底板巖層由于擾動(dòng)影響發(fā)生變形,產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形和位移而導(dǎo)致探頭破壞,即巖石發(fā)生破壞,底板破壞深度已到達(dá)此處。當(dāng)應(yīng)變片感應(yīng)幅度未超過此值時(shí),認(rèn)為巖石發(fā)生彈性變形,巖石和應(yīng)變片均能回到原來(lái)的狀態(tài)或繼續(xù)保持受壓狀態(tài),即巖石未發(fā)生破壞,底板破壞深度未達(dá)到此處。由于數(shù)據(jù)繁多,下面取破壞深度附近的2個(gè)探頭所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析說明。小于這2個(gè)探頭垂深的其他探頭經(jīng)分析均已發(fā)生損壞,即底板破壞深度超過此處。大于這2個(gè)探頭垂深的探頭經(jīng)分析只發(fā)生彈性變形,且能回到原來(lái)的狀態(tài)或繼續(xù)保持受壓狀態(tài),證明底板破壞深度未到達(dá)此處。這2個(gè)檢測(cè)探頭附加應(yīng)變曲線如圖6所示。

(a)2-4號(hào)檢測(cè)探頭(垂深17.10 m)

安裝成功一周內(nèi)測(cè)試數(shù)據(jù)穩(wěn)定,無(wú)高度離散現(xiàn)象或超最大應(yīng)變現(xiàn)象,說明所有探頭及其應(yīng)變片均工作正常,可以繼續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。在距離工作面前方較遠(yuǎn)處,數(shù)據(jù)變化相對(duì)平穩(wěn),當(dāng)工作面推進(jìn)至鉆孔上方時(shí),應(yīng)變探頭數(shù)據(jù)出現(xiàn)較為明顯的躍升或下沉,不同埋深位置的探頭應(yīng)變呈現(xiàn)不同大小的波動(dòng)，隨著埋深的增加波動(dòng)范圍逐漸變小。測(cè)孔位置對(duì)采動(dòng)地壓顯示出明顯的超前感和滯后感。當(dāng)工作面與孔口的距離較遠(yuǎn)時(shí),數(shù)據(jù)相對(duì)穩(wěn)定,僅出現(xiàn)略微波動(dòng),推斷是由工作面前加固維護(hù)巷道時(shí),人工引起的擾動(dòng)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)略微波動(dòng)。

分析2-4號(hào)探頭(圖6(a)),發(fā)現(xiàn)工作面距探頭上方30 m左右的所有通道的應(yīng)變數(shù)值均增大,并隨著工作面的推進(jìn)持續(xù)上漲。在工作面推過探頭上方10～20 m時(shí)附加應(yīng)變?chǔ)胖颠_(dá)到最大值(4×10-3),說明應(yīng)變片已經(jīng)被破壞,造成這種情況的主要原因是工作面推過探頭上方10 m左右時(shí),恰處于采空區(qū)頂板垮落、碎脹、壓實(shí)的階段,故對(duì)底板壓力作用大,造成的破壞更強(qiáng)烈。隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn),所有通道應(yīng)變片的數(shù)值下降后不再發(fā)生變化,工作面推進(jìn)不會(huì)對(duì)其造成影響,再次說明所有通道均已破壞,即底板破壞深度到達(dá)此處,破壞深度超過17.10 m。

分析1-5號(hào)探頭(圖6(b)),隨著工作面臨近1-5號(hào)探頭垂直上方,在20 m左右時(shí)數(shù)據(jù)就開始出現(xiàn)波動(dòng),且幅度逐漸變大。檢測(cè)探頭通道應(yīng)變最大達(dá)到1.769 ×10-3,未超過應(yīng)變片的最大感應(yīng)幅度(4×10-3),且隨著工作面繼續(xù)推進(jìn),工作面超過檢測(cè)探頭上方40 m左右時(shí),所有通道數(shù)據(jù)均逐漸變緩且回歸穩(wěn)定,后續(xù)只有微小波動(dòng)出現(xiàn)。說明在這個(gè)過程中,隨著工作面推進(jìn),底板在17.58 m深處受壓發(fā)生變形,之后數(shù)據(jù)波動(dòng)表明巖體彈性勢(shì)能不斷釋放和積聚導(dǎo)致發(fā)生彈性變形,之后數(shù)據(jù)回歸穩(wěn)定說明巖體能回到原來(lái)的狀態(tài),未發(fā)生塑性破壞,即底板破壞深度未到達(dá)此處。還可以發(fā)現(xiàn)1-5號(hào)探頭的附加應(yīng)變?cè)诠ぷ髅嫱七^且回歸穩(wěn)定后略大于安裝之前的數(shù)據(jù),說明底板部分壓實(shí),底板巖體處于較之前壓力更大的應(yīng)力平衡狀態(tài)。

圖7為檢測(cè)探頭的附加應(yīng)力曲線，σ1、σ2、σ3為三向主應(yīng)力。距底板越近的探頭受到的采動(dòng)附加應(yīng)力增量值越大,由于數(shù)據(jù)較多,未能全部列出。分析曲線整體變化趨勢(shì)發(fā)現(xiàn),附加應(yīng)力增量值的變化規(guī)律與應(yīng)變?cè)隽孔兓?guī)律一致。σ1為與垂直應(yīng)力方向接近的主應(yīng)力,隨著工作面的不斷推進(jìn),附加應(yīng)力增量值的減小，表明其受到了擠壓作用;附加應(yīng)力增量值的增加,表明此方向巖體膨脹,受到了拉應(yīng)力作用。隨著深度的增加底板附加應(yīng)力的增量值規(guī)律變化趨向一致,且應(yīng)力增量幅度整體逐漸減小。其中,2-4號(hào)探頭在工作面推進(jìn)到距2-4號(hào)探頭垂直上方30 m處時(shí)出現(xiàn)應(yīng)力擾動(dòng),之后偶有略微回彈現(xiàn)象；隨著工作面推過探頭上方10 m后應(yīng)力劇烈波動(dòng),發(fā)生分流,附加應(yīng)力趨于平緩不能回到初始狀態(tài)(證明彈性在之前已大部分損失),說明巖石產(chǎn)生塑性變形。探頭應(yīng)力波動(dòng)范圍為-2.5～+20.0 MPa,差值22.5 MPa。結(jié)合底板鉆孔圖說明2-4號(hào)探頭處在砂巖、泥巖互層中,砂巖、泥巖互層的切應(yīng)力為17.234 MPa,可以確定2-4號(hào)探頭處已破壞,底板破壞深度超過此處(底板垂深17.10 m)。

(a)2-4號(hào)檢測(cè)探頭(垂深17.10 m)

1-5號(hào)探頭也是在工作面推進(jìn)到距離1-5號(hào)探頭垂直上方30 m處時(shí)出現(xiàn)應(yīng)力擾動(dòng),并不斷有應(yīng)力回彈現(xiàn)象,此后工作面臨近和過后都出現(xiàn)劇烈波動(dòng),但后期仍能回到初始應(yīng)力附近,證明巖石發(fā)生彈性變形且并未被破壞。探頭應(yīng)力波動(dòng)范圍為-1.0～+4.0 MPa,差值為5 MPa,結(jié)合底板鉆孔圖說明1-5號(hào)探頭處在泥巖中,泥巖的切應(yīng)力為7.002 MPa,可以確定探頭未發(fā)生破壞,底板破壞深度未到達(dá)此處(底板垂深17.58 m)。分析結(jié)果與附加應(yīng)變實(shí)測(cè)曲線一致。綜合各探頭附加應(yīng)變和附加應(yīng)力曲線數(shù)據(jù),可以判斷100602工作面底板破壞深度應(yīng)介于2-4號(hào)檢測(cè)探頭和1-5號(hào)檢測(cè)探頭之間,即底板破壞深度范圍為17.10～17.58 m。

5 結(jié)論

1)依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算發(fā)現(xiàn),采高對(duì)底板破壞深度無(wú)直接影響,工作面斜長(zhǎng)為70 m時(shí),底板破壞深度范圍確定為9.56～11.61 m,工作面斜長(zhǎng)為140 m時(shí),底板破壞深度范圍確定為14.53～17.26 m。

2)數(shù)值模擬結(jié)果表明，采高對(duì)底板破壞深度影響不大,但采高越大對(duì)采空區(qū)兩幫施加的應(yīng)力越大,且會(huì)對(duì)沿空留巷側(cè)造成較大剪應(yīng)力,故需依據(jù)實(shí)際幫體強(qiáng)度合理確定采高;工作面會(huì)對(duì)底板破壞程度直接造成影響,且呈正相關(guān)關(guān)系。模擬確定工作面斜長(zhǎng)70 m時(shí)，底板破壞深度范圍為8.3～9.6 m,工作面斜長(zhǎng)為140 m時(shí),底板破壞深度范圍為16.2～17.3 m。

3)結(jié)合理論計(jì)算分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),確定義棠煤礦100602工作面底板的破壞深度應(yīng)為17.10～17.58 m。