團柏煤礦帶壓開采條件下11-101工作面合理長度

李 剛，張 愷，蘇俊輝，王進波

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團柏煤礦帶壓開采條件下11-101工作面合理長度

李 剛1，張 愷1，蘇俊輝2，王進波1

(1. 遼寧工程技術大學礦業學院，遼寧 阜新 123000； 2. 霍州煤電集團團柏煤礦，山西 臨汾 031400)

山西省霍州團柏煤礦11-101工作面為帶壓開采。為預防回采期間底板突水事故，采用彈塑性理論、現場實測、數值模擬驗證相結合的方法，對不同工作面長度條件下底板破壞深度發育規律進行研究，進而確定該條件下開采的工作面合理長度。研究表明，隨著工作面推進，滯后工作面6 m左右底板首先發生拉伸破壞，底板破壞呈楔形。工作面長度在60~120 m，破壞深度隨著工作面長度增加呈線性增長，平均每增加10 m，破壞深度加深1 m。理論計算與數值模擬計算得出80 m工作面底板破壞深度為7~8 m，現場實測底板破壞深度為7.5 m，故工作面合理開采長度為80 m時，能夠確保11-101工作面生產安全。

帶壓開采；底板破壞規律；防治水；數值模擬

目前我國煤礦開采深度和強度不斷增加，煤炭資源開采突水事故頻繁發生，尤其是采場受底板承壓水威脅越來越嚴重。因此，眾多專家學者對底板的隔水性能，底板完整性和抗水能力進行了大量研究，目前最常用有效的治理底板突水方法是底板注漿加固技術[1]。荊自剛等[2]在20世紀80年代初首次將開采煤層底板由下到上分為承壓水導高帶、完整巖層帶、底板破壞帶即“下三帶”理論。20世紀90年代王作宇等[3]提出了原位張裂與零位破壞理論，該理論將礦壓、水壓對煤層底板的影響范圍劃分為超前壓力壓縮段、泄壓膨脹段和采后壓力壓縮穩定段。劉天泉等[4]從力學角度出發提出了“強滲通道”說，提出將底板是否具備突水通道作為判斷突水發生的主要判據。“巖水應力關系”學說認為底板突水是巖石、底板承壓水和應力共同作用的結果[5]。“下四帶”理論將煤層底板到含水層之間的巖層劃分為礦壓破壞帶、新增損傷帶、原始損傷帶和原始導高帶[6]。當前國內防治水探測技術主要有聲波檢測技術、鉆孔注水測試[7]、電剖面法[8]、地震波CT探測[9-13]技術。基于當前理論以及現有探測方法的基礎之上，以團柏煤礦11-101工作面為工程背景，采用鉆孔窺視技術，結合FLAC3D數值模擬和傳統理論計算，針對性的研究煤層底板變形破壞規律，為綜采工作面帶壓開采工作提供理論依據，從而保證團柏煤礦生產安全。

1 工程地質概況

團柏煤礦11號煤層首采區位于井田+400水平，首采區皮帶巷前進方向右翼，北至+400水平軌道巷，南至礦井邊界，東至10號煤首采區皮帶巷，西至堡后村及申村保安煤柱。采區南北長2.21 km，東西寬1.78 km，面積2.57 km2。采區北部、東部、西部均為11號煤層實體煤，采區周圍11號煤層實體煤北部為三采區10-308回采工作面，西部為10號煤二采區采空區及堡后與申村村莊保安煤柱，東部為10號煤首采區左翼采空區；采區南部以下團柏斷層為界，與霍寶干河煤礦相鄰。11-101工作面是11號煤首采區，11-101工作面布置如圖1所示。煤層厚度3.0~3.5 m，煤層傾角1°~9°，平均為4°。團柏煤礦11號煤厚度穩定，平均3.3 m，局部略薄。結構復雜，夾石0~6層，一般2~3層。頂板為灰黑色粉砂巖，局部為泥巖，厚度2~6 m。底板多為灰色黏土質泥巖，局部為粉砂巖，厚度2~10 m。

11號煤底板標高+100~+480 m，根據鉆孔資料顯示開采范圍內奧灰水水位標高最高為+493 m，煤層帶壓，11號煤首采區實測帶壓0.9~2.7 MPa。隔水層巖性為泥巖、砂質泥巖、粉砂巖、鋁質泥巖等，厚26 m左右。據巖性組合分析，泥巖、砂質泥巖、鋁質泥巖隔水性能很強，但強度低，砂巖為弱透水層，強度高。據初步分析，此段地層結構為泥質巖夾層的軟、硬地層相互疊置的組合結構。

圖1 11-101工作面布置圖

2 底板破壞深度理論計算

2.1 突水系數

MT/T 1091—2008《煤礦床水文地質、工程地質及環境地質勘查評價標準》附錄E中，突水系數計算公式為：

式中s為突水系數，MPa/m；為底板承壓水壓力，MPa；為底板隔水層厚度，m；p為底板導水破壞深度，m。

按式(1)計算時，底板受構造破壞塊段突水系數一般不大于0.06 MPa/m，正常塊段不大于0.15 MPa/m。由團柏煤礦11-101首采區實測地質條件，底板承壓水壓力取2.7 MPa，底板隔水層厚度取26 m。為了使11-101工作面安全生產，理論上底板導水破壞深度不得大于8 m。

2.2 破壞深度理論計算

煤層開采對底板巖層破壞深度的確定方法主要有彈塑性力學方法和回歸分析法等。

①彈塑性理論計算[14]利用彈塑性理論，可以求得采場底板最大破壞深度max為：

②經驗公式法 《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》中給出的采場底板破壞深度的統計計算公式：

1=0.008 5+0.166 5+0.107 9–4.357 9 (3)

式中1為底板破壞深度，m；為開采深度，m；為煤層傾角，(°)；為工作面長度，m。

根據團柏煤礦現場實測，煤層埋深取325 m；底板巖石的平均抗壓強度取17.0 MPa；工作面長度取值80 m。

綜合彈塑性理論計算和經驗公式得到團柏煤礦綜采工作面長度取值為80 m時，最大破壞深度為7.7 m，小于底板安全導水破壞深度8 m，滿足安全生產要求。

3 底板破壞深度數值計算

由前文分析可知，隔水層厚度和水壓值是突水風險性大小的決定性因素，而不同工作面長度會產生不同的下三帶高度，從而導致突水。因此根據隔水層厚度合理的確定工作面長度具有很大的實際意義。筆者通過FLAC3D對不同工作面長度及不同工作面推進距離的圍巖應力狀態和底板巖層破壞特征進行分析[15-16]。

3.1 數值模型建立

數值模型建立的地質條件：團柏煤礦11號煤層平均埋深為325 m，煤層平均厚度3.3 m，采用綜合機械化開采。根據團柏煤礦首采工作面煤層頂底板的地質情況建立簡化模型。模型由六面體單元構成，計算長×寬×高=400 m× 200 m×150 m，共劃分345 000個正六面體單元360 570個節點，模型限制水平移動，底板固定。模型上表面為應力邊界，煤層上部模擬了200 m上覆巖層，并且對計算模型范圍內分層巖層中物理性質相近的巖層，簡化為單一巖層。模型上部邊界施加載荷為5 MPa，模擬上覆巖層自重邊界，材料破壞符合摩爾–庫倫準則，模型如圖2所示。模擬所采用的巖體力學參數通過實驗室得出。團柏煤礦11號煤層11-101工作面煤層及頂底板力學特征如表1。

圖2 數值模擬力學模型示意圖

表1 巖石力學性質參數

3.2 數值模擬過程分析

為了分析不同工作面長度對底板破壞深度的影響，分別對40 m、60 m、80 m、100 m、120 m、140 m 6種工作面長度進行模擬(圖3)，工作面推進距離均為100 m。

通過對6種不同工作面長度模擬可以得出底板破壞規律，在60~120 m工作面長度與底板破壞深度之間呈線性增長，工作面長度每增加10 m底板破壞加深1 m，當長度超過120 m時，底板破壞深度增長速度下降，工作面長度達到140 m以后底板破壞深度不再隨工作面長度增加而增加。模擬結果顯示當工作面長度為80 m時，底板破壞深度為8 m，此時破壞深度與理論計算安全破壞深度相似。

現以80 m工作面長度為基礎，分析工作面回采過程底板巖層破壞規律。工作面每推進4 m為一個循環，模擬沿工作面走向方向推進44 m(圖4)。

圖3 不同工作面長度底板破壞規律

圖4 采動影響下底板破壞規律

通過模擬工作面回采(圖5)可以得到以下結果，底板破壞主要以拉伸破壞為主，采場四周圍巖主要以剪切破壞為主。隨著工作面推進煤壁在支承壓力作用下首先發生破壞，隨后滯后工作面6 m左右的底板開始向深部破壞。采場底板破壞呈楔形，即靠近工作面位置底板破壞深度深、范圍大，遠離工作面的底板破壞程度相對較輕，因此工作面迎頭更容易發生底板突水事故。底板在破壞過程中表現出拉伸破壞—重新壓實—拉伸破壞的循環過程[17-18]。

為了探究采動影響下工作面底板位移規律[19-20]，在煤層底板不同深度(5 m，8 m，10 m)，沿工作面中線每隔5 m布置一個位移監測點，得出底板不同深度巖層隨工作面回采的變化情況，如圖6所示。從圖中可以分析得出，隨著工作面推進，底板位移開始發生變化，工作面前方30 m范圍內底板在超前支承壓力影響下底板巖層向下移動，工作面推過以后，工作面后方90 m范圍內底板處于應力降低區，在側向支承壓力及超前支承壓力綜合作用下該區域底板巖層有明顯向上運動趨勢，在滯后工作面40 m處達到最大值。底板深度8 m以內的巖層位移較明顯，隨著深度增加采動影響對煤層底板巖層作用減弱。

圖5 采動影響位移云圖

圖6 底板不同深度位移變化規律

4 工作面底板破壞窺視

在采動礦壓及水壓的耦合作用下(主要是采動礦壓作用)，導致底板巖層各層的撓度不同，這樣在層與層之間就會產生順層裂隙及垂直于層面的張裂隙。所以，在這一階段底板巖層形成的采動裂隙最多，對底板隔水層的破壞程度最大，降低了隔水層的阻水能力，可能導致承壓水突入工作面，因此為更好地掌握底板破壞情況，在工作面回采過程中，使用鉆孔窺視儀觀測底板破壞深度(圖7)。監測結果顯示工作面底板鉆孔0~4 m裂隙較明顯，4~7.5 m孔壁有微裂隙縫，7.5~23 m孔壁完整。綜合以上分析，11-101工作面采動影響下底板破壞深度在7.5 m左右。

圖7 煤層底板破壞窺視圖

基于本文研究成果，11-101工作面長度確定為80 m進行回采，底板破壞深度在7.5 m左右，回采期間對底板進行實時監測，對于有突水危險的區域提前實施底板注漿加固。11-101工作面回采全過程中并未出現突水，實現了工作面安全生產。

5 結論

a. 受采動影響隨著工作面推進，滯后工作面6 m左右底板裂隙首先發育，此處破壞深度最大，工作面迎頭發生突水災害幾率更高，因此現場要加強該區域的防水監測工作。

b. 受超前支承壓力以及側向支承壓力影響，工作面前方30 m范圍內煤層底板向下運動，工作面后方90 m范圍內煤層底板向上運動，在40 m左右達到最大值。

c. 在團柏煤礦地質條件下，60~120 m范圍內，工作面長度每增加10 m，底板破壞向下發育1 m。綜合理論計算、FLAC3D數值模擬分析和現場實測，工作面長度為80 m時，底板雖然產生一定破壞深度，但隔水層厚度仍然在安全范圍內，因此11-101工作面長度確定為80 m，工作面底板最大破壞深度為7.5 m，實現工作面安全回采。

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Reasonable length of working face 11-101 during mining above confined aquifer in Tuanbai mine

LI Gang1, ZHANG Kai1, SU Junhui2, WANG Jinbo1

(1. Mining Institute, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China; 2. Tuanbai Coal Mine, Huozhou Coal Power Group, Linfen 031400, China)

The working face 11-101 of Tuanbai coal mine in Huozhou, Shanxi Province is exploited above aquifer. In order to prevent floor water inrush accidents during mining, research combination of elasto-plastic theory, on-site measurement and numerical simulation was carried out to analyze the development rule of failure depth of the floor, then the reasonable length of the mining face under this condition was determined. The result shows that with the advancement of working face, the bottom plate of lagging working face is stretched and destroyed at about 6 m behind the lagging working face, and the bottom plate has a wedge shape. The length of the working face is in the range of 60 m to 120 m. The damage depth increases linearly with the length of the working face. When the length of the working face increases every 10 m, the damage depth increases by 1 m, and the reasonable mining length of the first mining face is 80 m. Theoretical calculations and numerical simulations show that the floor damage depth of the 80 m working face is 7-8 m. The actual measured failure depth of the floor is 7.5 m. Therefore, when the reasonable mining length of the working face is 80 m, the production safety of the working face 11-101 can be ensured.

mining above aquifer; floor failure law; water prevention and control; numerical simulation

National Natural Science Foundation of China(51774165)；Liaoning Provincial Department of Education Serves Local Projects(LJ2017FAL014)

李剛，1979年生，男，吉林德惠人，博士，副教授，博士生導師，從事礦山壓力及巷道圍巖控制和帶壓開采技術方面的教學和研究. E-mail：kai936416777@163.com

李剛，張愷，蘇俊輝，等. 團柏煤礦帶壓開采條件下11-101工作面合理長度[J]. 煤田地質與勘探，2019，47(3)：160–165.

LI Gang，ZHANG Kai，SU Junhui，et al. Reasonable length of working face 11-101 during mining above confined aquifer in Tuanbai mine[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(3)：160–165.

1001-1986(2019)03-0160-06

X936

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.03.025

2018-05-07

國家自然科學基金項目(51774165)；遼寧省教育廳服務地方類項目(LJ2017FAL014)

(責任編輯 張宏 周建軍)