含水層上工作面回采誘發頂底板破壞及應力演化規律試驗研究

2018-05-31 11:55:55張培森王文苗安羽楓武守鑫

中國煤炭 2018年5期

張培森魏杰王文苗安羽楓武守鑫

(1.山東科技大學礦業與安全工程學院，山東省青島市，266590；2. 礦山災害預防控制國家重點實驗室培育基地，山東省青島市，266590)

煤層底板水害問題具有影響范圍廣、水量大、危害嚴重等特點，全國重點煤礦受水害威脅的礦井達到將近50%。因此，對礦井開采過程中工作面底板破壞機理進行研究具有重要意義。國內關于煤礦底板突水已有大量研究成果，但目前對于底板突水機制的研究多局限于理論分析，而在開采擾動及含水層水壓作用下工作面頂底板應力變化及巖層破壞情況方面仍值得深入研究。

1 模型建立及試驗設計

1.1 模擬對象

五溝煤礦F4斷層為三維正斷層，走向NE-NEE，傾角70°，落差0～30 m，位于1016里工作面風巷外段及風巷外側，巷道走向與其走向基本一致，與巷道外幫相距30～60 m，控制程度可靠。F5斷層為中型正斷層，傾角65°，落差0～25 m，分別與F6、F4-1兩條斷層于工作面西側相連接，延伸至礦井外，長度約1500 m，與1018運輸巷相鄰長度約500 m。

1.2 相似條件及測點布置

本試驗采用二維相似材料模擬試驗平臺，試驗臺尺寸為1.9 m×0.22 m×1.8 m，模型的幾何常數比為1∶200；容重相似比為1∶1.5；強度相似比為1∶300。試驗所使用的材料為普通河沙、石灰和石膏，河沙的粒徑小于1.5 mm，采用云母鋪設在分層之間模擬巖層層理結構，斷層帶內的充填體采用泥巖進行模擬。本次試驗在F4斷層垂直方向上不同高度處布置6個測點，在1018里工作面靠近F4、F5斷層處分別布置3個測點，測點1和測點6距離斷層3 cm，其他各測點之間間距5 cm。測點1～3和4～6分別布置在鄰近F5斷層和F4斷層工作面煤層底板處，用以觀測工作面推進時煤層底板的應力變化情況，測點8～10用來監測F4斷層上盤界面距離煤層底板10 cm、14 cm和20 cm深度處的垂直向應力，測點11～13用來監測F4斷層下盤界面10 cm、14 cm和20 cm深度處的垂直向應力，測點同時位于第一灰巖含水層(以下簡稱“一灰”)、第二灰巖含水層(以下簡稱“二灰”)和第三灰巖含水層(以下簡稱“三灰”)與斷層交點處，模型設計如圖1所示。

1.3 開采方案

該試驗在含水層位置放入水袋，并在水袋中注水，水袋充水后會產生膨脹，以此模擬含水層水壓。制作水袋時，將水袋兩邊采用膠水密封，同時用連接器制作一個進水口，用塑料軟管連接進水口并延伸到模型外，以便模型開挖前對水袋注水，水袋一端緊貼斷層鋪設。模型開挖后，由于采空區的應力降低，水袋會向工作面底板方向膨脹，以此模擬實際工作面回采后，含水層對工作面的影響。模型的開挖順序為從距F5斷層55 cm處向F5斷層開挖，然后向F4斷層方向開挖，含水層模擬如圖2所示。

圖1 模型設計圖

圖2 含水層鋪設示意圖

2 工作面開采誘發頂底板巖層破壞及應力變化規律研究

2.1 工作面開采誘發頂底板巖層破壞規律研究

工作面開采后，隨著工作面推進，煤層頂板出現上覆巖層的垮落、彎曲、下沉等覆巖運動，如圖3所示。由圖3可以看出，1018里工作面直接頂的初次垮落步距為22 cm，周期垮落步距為6 cm；老頂的初次來壓為36 cm，周期來壓為6 cm。

當工作面推進到45 cm處，也就是距F5斷層10 cm處時，工作面底板出現了裂隙破壞，在向F4斷層方向開采時，當工作面距離F4斷層12 cm時，工作面底板同樣出現了裂隙破壞，如圖4所示。

圖3 覆巖運動與工作面推進相似模擬試驗圖

圖4 相似模擬試驗底板破壞圖

由圖4可知，工作面距離斷層越近，底板受采動影響越明顯，底板破壞深度及范圍越大。工作面接近斷層時，工作面底板的塑性破壞區容易與斷層接觸，由于煤層底板有多處含水層，水壓作用會使工作面底板衍生出導水通道，最終導致突水事故的發生。

2.2 工作面開采過程中應力變化規律研究

1018里工作面開采過程中，分別向F4、F5斷層兩個方向推進，先向F5斷層方向推進，后向F4斷層方向推進，工作面開采過程中測點處底板應力變化如圖5所示。

圖5 底板應力變化曲線

由圖5(a)可以看出，在開采初期，各個應力測點并未發生變化，隨著工作面的推進，各個測點開始逐漸出現應力反應，并逐漸增大。工作面繼續推進，應力向斷層方向轉移，當工作面推進至35 cm時，測點1處的應力達到峰值，隨后逐漸減小，最終出現負值；工作面持續推進，應力繼續向斷層側轉移，測點2處的應力隨后也達到峰值并逐漸減小，由于工作面沒有推過測點2，所以并未出現負值。測點2的應力峰值較測點1應力峰值更大，這是由于斷層帶的巖體具有緩沖變形和二次應力吸收作用，應力被限制在斷層一側，出現應力集中現象。雖然測點3處的應力并未達到峰值，但是可以預計，測點3距離斷層最近，其峰值會更大。圖5(b)所反映的應力變化規律與圖5(a)基本相同，但由于開切眼距離測點4較近，所以開采初期測點值就開始變化，隨著工作面推進，測點5、6處的應力值也開始出現變化。3個應力測點峰值依次增大，和測點1～3所表現出的規律基本一致，也是由于斷層阻礙應力傳播并限制在斷層一側，同時阻礙回采后的地下空間變形，使得回采工作面越接近斷層，應力越集中。

3 采動對斷層活化規律研究

為了研究工作面開采過程中，采動對斷層界面及灰巖含水層的影響，布置了測點8～12進行應力監測。測點10和13的位置距離煤層底板較遠，所產生的應力沒有影響到該測點位置，測點數據為零。隨著工作面的推進，測點8、9、11和12分別產生了應力變化，如圖6所示。

圖6 斷層界面應力變化曲線圖

由圖6可以看出，在開采初期，測點應力值沒有變化，工作面繼續回采，各測點逐漸出現應力變化，且處于同一推進步距時，上盤界面的應力值要高于下盤界面的應力值，這也是由于斷層帶具有屏障作用，導致斷層帶一側應力集中；圖6(b)體現出的應力變化規律與圖6(a)基本一致，差別在于在同一推進步距下測點8和11的應力值要比測點9和12的應力值大，這是因為測點8和11較測點9和12距離1018里工作面更近，因而受到1018里工作面采動的影響更大，應力值也就越大。

由于測點11、12、13分別位于一灰、二灰、三灰與斷層的交界處，因此，3個測點的應力值也能反映出工作面回采對灰巖水的影響。由圖6可以看出，工作面回采對三灰水沒有影響，在同一步距時，測點11的應力值明顯高于測點12，這是由于一灰含水層位置距離工作面更近。由此說明，一灰含水層對工作面安全生產影響更大，當工作面回采至距離斷層較近時，需要對含水層采取加固措施。