侯俊華

（兗煤菏澤能化有限公司 趙樓煤礦，山東 鄆城 272400）

0 引言

隨著華北型煤礦開采年限增加，延深帶壓開采帶來的底板水害威脅問題逐漸引起重視。在特厚煤層綜放開采采動(dòng)影響下，工作面底板巖層受礦山壓力及卸載影響而發(fā)生變形破壞，產(chǎn)生的裂隙很有可能溝通底部含水層。準(zhǔn)確獲得采動(dòng)底板變形破壞深度對(duì)于特厚煤層綜放開采底板水害防治具有重要意義[1-2]。

許多學(xué)者對(duì)特厚煤層綜放開采底板變形破壞深度進(jìn)行了研究。劉杰[3]采用現(xiàn)場(chǎng)微震監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)特厚煤層綜放工作面頂?shù)装鍘r層破壞情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)分析。朱術(shù)云等[4]應(yīng)用應(yīng)變感應(yīng)法和鉆孔成像技術(shù)對(duì)特厚煤層綜放采動(dòng)底板巖層變形破壞特征進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。王一棟等[5]和李進(jìn)軍等[6]采用數(shù)值模擬方法獲得了煤層底板變形破壞深度。楊本水等[7]在對(duì)特厚煤層底板地層微觀及水理性質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，采用預(yù)埋分布式光纖感應(yīng)法和孔間電阻率CT法確定了采動(dòng)底板變形破壞最大深度。范紅偉等[8]通過理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，對(duì)近距離特厚煤層采動(dòng)影響下底板變形破壞深度進(jìn)行了研究。張鄭偉[9]和陳洋[10]采用應(yīng)變感應(yīng)法獲得了特厚煤層綜放開采條件下底板變形破壞深度。高銀貴等[11]采用光纖傳感技術(shù)和高密度并行電法勘探技術(shù)對(duì)特厚煤層工作面底板破壞特征進(jìn)行了研究。王升陽等[12]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法對(duì)煤層底板采動(dòng)破壞及滲流特征進(jìn)行了分析。郭國(guó)強(qiáng)[13]采用鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變技術(shù)開展現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，獲得了三位一體“空間-時(shí)間”全方位底板擾動(dòng)破壞數(shù)據(jù)并分析規(guī)律。本文在上述研究的基礎(chǔ)上，以兗礦能源集團(tuán)股份有限公司東灘煤礦特厚煤層綜放開采工作面為背景，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值模擬和理論分析方法對(duì)該工作面底板變形破壞深度進(jìn)行研究，以期為礦井特厚煤層綜放開采底板水害防治提供量化依據(jù)。

1 工程背景

東灘煤礦1305工作面位于礦井一采區(qū)，工作面東起開切眼（運(yùn)輸巷側(cè)切眼外幫距FS18斷層10 m，軌道巷側(cè)較運(yùn)輸巷側(cè)向東調(diào)斜30 m）；西至設(shè)計(jì)終采線（運(yùn)輸巷側(cè)位于F2斷層以東10 m處，軌道巷側(cè)較運(yùn)輸巷側(cè)向西調(diào)斜30 m）；北鄰1306綜放工作面（未采）；南鄰1304綜放工作面采空區(qū)。工作面標(biāo)高為-510～-590 m，平均標(biāo)高為-550 m；其上方地面標(biāo)高為+46.38～+50.34 m，平均標(biāo)高為+48.36 m。工作面開采山西組3號(hào)煤層，厚度為8.1～9.5 m，平均厚度為8.8 m，采用綜放開采方式。

工作面范圍內(nèi)煤層沉積穩(wěn)定，煤巖層走向NE-SW，傾向SE；煤層傾角為0～12°，平均傾角為6°?；卷斢苫抑粱野咨屑?xì)砂巖組成，巖性致密、堅(jiān)硬，厚度為16.3～23.2 m，平均厚度為20.2 m；直接頂由深灰色粉砂巖組成，厚度為1.3～5.2 m，平均厚度為3.2 m，呈東薄西厚變化特征；直接底由深灰色粉砂巖組成，厚度為3.6～4.5 m，平均厚度為4.0 m；基本底為強(qiáng)度較高的灰白色中細(xì)砂巖，東厚西薄，厚度為7.2～18.4 m，平均厚度為12.8 m。工作面頂?shù)装宓貙又鶢顖D如圖1所示。

2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

2.1 測(cè)試鉆孔及傳感器布設(shè)

根據(jù)應(yīng)變感應(yīng)法及鉆孔成像技術(shù)特征[4]，結(jié)合東灘煤礦開采實(shí)際條件，在不影響正常生產(chǎn)的情況下選擇在1305工作面下部的東翼第一回風(fēng)巷中布設(shè)2個(gè)測(cè)試鉆孔（圖2）。1號(hào)測(cè)試鉆孔中布設(shè)應(yīng)變傳感器對(duì)底板變形破壞深度進(jìn)行實(shí)測(cè)，2號(hào)測(cè)試鉆孔用于成像觀測(cè)，2個(gè)測(cè)試鉆孔水平間距約10 m。1號(hào)測(cè)試鉆孔孔口在底板與巷道交接處，垂直于巷道方向向工作面底板施工；2號(hào)測(cè)試鉆孔在距離巷道底板約2 m處垂直巷道方向向上施工。測(cè)試鉆孔剖面如圖3所示，其中1號(hào)測(cè)試鉆孔布置的4個(gè)應(yīng)變傳感器自上至下依次為測(cè)點(diǎn)1-4，1-3，1-2，1-1，分別位于3號(hào)煤層底板下垂深16，20，24，29 m處。測(cè)試鉆孔主要參數(shù)見表1。

表 1 測(cè)試鉆孔主要參數(shù)Table 1 Main parameters of test boreholes

表 2 工作面采動(dòng)底板變形感應(yīng)距Table 2 Deformation induction distances of mining floor of working face

圖 1 1305工作面頂?shù)装宓貙又鶢顖DFig. 1 Strata column of 1305 working face roof and floor

圖 2 測(cè)試鉆孔布置平面Fig. 2 Plane of test boreholes layout

圖 3 測(cè)試鉆孔剖面Fig. 3 Profile of test boreholes

2.2 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

整個(gè)測(cè)試過程歷時(shí)46 d，1號(hào)測(cè)試鉆孔共進(jìn)行30次應(yīng)變測(cè)試，2號(hào)測(cè)試鉆孔進(jìn)行了4次成像觀測(cè)。

1號(hào)測(cè)試鉆孔各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變?cè)隽侩S工作面距傳感器距離變化曲線如圖4所示（每個(gè)傳感器有10個(gè)通道，其中8個(gè)工作通道，1個(gè)地線通道，1個(gè)公共線通道；8個(gè)工作通道中1和5、2和6、3和7、4和8是對(duì)稱的）。測(cè)點(diǎn)1-4在距工作面115 m出現(xiàn)了較明顯的應(yīng)變感應(yīng)，直至距工作面44.9 m時(shí)，該測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變感應(yīng)信號(hào)全部中斷，認(rèn)為是由于受底板破壞影響劇烈，導(dǎo)致傳感器受損[7，9-10]；與測(cè)點(diǎn)1-4相比，測(cè)點(diǎn)1-3、測(cè)點(diǎn)1-2和測(cè)點(diǎn)1-1的應(yīng)變感應(yīng)程度較弱，應(yīng)變?cè)隽棵黠@變小，超前距分別為110，102，96 m。隨著工作面逐漸推進(jìn)到鉆孔位置和推過鉆孔，4個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變?cè)隽坎町愋暂^明顯：測(cè)點(diǎn)1-4應(yīng)變?cè)隽孔畲?，且在距工作?4.9 m位置出現(xiàn)信號(hào)中斷現(xiàn)象；其他3個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變?cè)隽枯^小，且在推過一定距離后各個(gè)通道均有可靠的數(shù)據(jù)。

圖 4 1號(hào)測(cè)試鉆孔各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變?cè)隽侩S工作面推進(jìn)距離變化曲線Fig. 4 Strain increment curves of measuring points in No.1 test borehole during working face advance

圖 5 工作面推進(jìn)不同距離時(shí)底板下垂深10 m處2號(hào)測(cè)試鉆孔孔壁圖像Fig. 5 Images of No.2 test borehole wall at 10 m vertical depth of floor with different working face advance distances

根據(jù)圖4可得工作面采動(dòng)底板變形感應(yīng)距（表2）?？梢姴蓜?dòng)礦壓在底板的傳播具有較好的周期性，不同深度應(yīng)變傳感器所反映的水平方向超前距及滯后距基本一致。

工作面推進(jìn)不同距離時(shí)底板下垂深10 m處2號(hào)測(cè)試鉆孔孔壁圖像如圖5所示。2號(hào)測(cè)試鉆孔距工作面50 m時(shí)，底板下垂深10 m處發(fā)生塑性破壞，出現(xiàn)裂隙；隨著工作面不斷推進(jìn)，該處破壞程度越來越大，裂隙逐漸擴(kuò)展直至貫通。這與1號(hào)測(cè)試鉆孔的應(yīng)變感應(yīng)具有很好的一致性：測(cè)點(diǎn)1-4距工作面44.9 m時(shí)出現(xiàn)了傳感器損壞，表明該處底板存在較強(qiáng)的塑性變形，底板變形破壞深度已達(dá)16 m；底板下垂深20 m以下各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變?cè)隽枯^小且同步，表明底板巖層以彈性變形為主。

將應(yīng)變測(cè)試和鉆孔成像結(jié)果對(duì)比分析，可獲得1305工作面綜放開采底板變形破壞深度不超過20 m。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立和邊界條件

結(jié)合1305工作面開采實(shí)際和地層賦存條件，進(jìn)行3號(hào)煤層頂?shù)装宓貙訋r組劃分，建立工作面頂?shù)装骞こ痰刭|(zhì)模型，尺寸為400 m×300 m×154 m（長(zhǎng)×寬×高），模型縱剖面如圖6所示。工作面頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)見表3。模型邊界條件：側(cè)向邊界水平方向固定，垂直方向自由；底面邊界垂直和水平方向均固定；基于埋深考慮，模型頂部施加11.0 MPa等效荷載。采用FLAC3D軟件，模型共劃分91 362個(gè)單元、96 596個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖 6 工作面頂?shù)装骞こ痰刭|(zhì)模型縱剖面Fig. 6 Profile of engineering geological model for working face roof and floor

表 3 工作面頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)Table 3 Physical and mechanical parameters of working face roof and floor strata

3.2 模擬結(jié)果分析

3號(hào)煤層開采完畢后塑性區(qū)分布如圖7所示。由圖7（a）可得底板變形破壞深度為20 m；由圖7（b）-圖7（e）可知，底板下4 m內(nèi)呈面狀破壞，底板下12 m呈環(huán)狀破壞，且采空區(qū)四周較大范圍呈剪切破壞，底板下18 m破壞范圍明顯變小，底板下20 m基本沒發(fā)生破壞。表明隨著距工作面底板距離越遠(yuǎn)，受采動(dòng)礦壓影響越小，塑性區(qū)范圍越小，工作面綜放開采底板變形破壞深度不超過20 m。

圖 7 3號(hào)煤層開采完畢后塑性區(qū)分布Fig. 7 Distribution of plastic zone after No.3 coal seam mining

4 理論計(jì)算

根據(jù)斷裂力學(xué)和彈塑性理論[14]，可得底板變形破壞深度計(jì)算公式：

式中：h為底板變形破壞深度，m；x0為塑性區(qū)寬度，即煤層屈服區(qū)長(zhǎng)度，m；φ0為底板巖體平均內(nèi)摩擦角，（°）。

根據(jù)采動(dòng)礦壓理論[15]，塑性區(qū)寬度計(jì)算公式為

式中：M為采高，m；φ為煤層與頂?shù)装彘g的內(nèi)摩擦角，（°）；K為應(yīng)力集系數(shù)；ρ為頂板巖層平均密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；H為平均采深，m；C為煤層與頂?shù)装彘g的黏聚力，Pa。

綜合1305工作面地質(zhì)及開采條件，基于式（2）得到的塑性區(qū)寬度計(jì)算結(jié)果，選取經(jīng)驗(yàn)公式x0=0.015H，并代入式（1），可得

根據(jù)1305工作面實(shí)際條件，平均采深H=600 m，底板巖體平均內(nèi)摩擦角φ0=38°，代入式（3）可得1305工作面底板變形破壞深度為19.2 m。

5 結(jié)論

（1） 采用應(yīng)變感應(yīng)法和鉆孔成像技術(shù)對(duì)1305工作面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，發(fā)現(xiàn)工作面推進(jìn)過程中，底板受采動(dòng)礦壓作用在水平和垂直方向上存在明顯的顯現(xiàn)特征，水平方向上超前測(cè)點(diǎn)50 m附近、底板淺部10 m深度位置開始受采動(dòng)礦壓影響，工作面推過一定距離后底板變形破壞劇烈；底板不同深度水平方向上超前距和滯后距變化范圍分別為96～115 m和48～52 m，工作面綜放開采底板變形破壞深度為16～20 m，垂深20 m以下底板巖層以彈性變形為主。

（2） 通過數(shù)值模擬分析了采動(dòng)底板不同深度塑性區(qū)分布特征，發(fā)現(xiàn)底板下18 m破壞范圍明顯變小，底板下20 m基本沒發(fā)生破壞。

（3） 通過理論計(jì)算獲得該工作面底板變形破壞深度為19.2 m。

（4） 通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值模擬和理論計(jì)算3種方法綜合分析，可知1305工作面綜放開采底板變形破壞深度不超過20 m。