綜采薄煤層底板采動影響規律實測分析

趙旭峰,王德忠

(山西工程職業學院 采礦工程系,太原 030032)

我國煤礦水文地質條件復雜,礦井水害事故較多,必須引起足夠重視。華北煤田是我國煤炭資源最為豐富的煤田之一,但經過幾十年的長期開采,淺部煤炭資源逐漸枯竭,許多煤礦開始轉入下組煤的開采。下組煤多位于含水豐富的奧陶系承壓含水巖層上方,隨著煤層開采深度的逐步加大,采場底板破壞深度勢必危及有效隔水層的厚度,導致煤礦井下水害事故日趨頻發,嚴重影響礦井正常生產及井下作業人員的安全[1-7]。

煤層回采導致底板巖層原始應力平衡狀態被破壞,底板巖層應力將重新分布,并在采煤工作面及采空區四周圍巖產生應力集中,集中應力傳遞于底板巖層,使得底板巖層受到壓縮-膨脹-再壓縮的循環過程,這些交變應力的反復作用讓底板巖層各向裂隙不斷擴展直至破壞隔水層的隔水能力。遭到破壞的底板巖層喪失了隔水能力,奧陶系承壓含水巖層將時刻威脅礦井的安全回采,因此礦井水害防治是煤礦高效安全生產的關鍵基礎之一。在此采用現場實測結合底板采動巖層應力分布特征,研究了綜采工作面采動影響下的底板巖層破壞規律,并提出適用于該地區的底板破壞深度經驗公式,結合其他礦井突水因素可為煤礦安全開采提供可靠依據。

1 工作面概況

080102工作面位于井田內-172 m水平一采區集中回風下山南部,東部為080101采空區,西部為實體煤層,南部礦界與天達煤業接壤。工作面走向為北南,傾向為東西,走向長1 127～1 302 m,傾向長112～165 m。8#煤層俗稱七尺煤,位于太原組三段中部,上距7#煤層3.35～11.43 m,平均層間距8.31 m。該煤層賦存較穩定,煤層結構簡單,煤層厚度0.33～1.97 m,平均厚度1.12 m,平均傾角8°。直接頂大部分為泥巖和砂質泥巖,局部為炭質泥巖,底板主要為砂質泥巖和中細砂巖。080102回采工作面采煤方法為綜合機械化采煤一次采全高。

2 工作面監測鉆孔布置及參數設計

080102工作面底板采動破壞深度實測系統由2個監測鉆孔、8個應變傳感器探頭以及應變記錄儀構成。測站測點布置在回采工作面軌道平巷,每個監測鉆孔分別在底板不同深度布置4個應變傳感器探頭用來感知底板巖層變形量，并將數據傳遞于應變記錄儀。每個應變傳感器探頭共有12個應變片,進行數據處理時需要對12組監測數據進行矢量疊加并歸結為6個應變通道。本次實測工作用時60 d,獲取數據4 232個,通過對比2個監測鉆孔監測的底板巖層變形程度來確定其底板破壞深度范圍。080102工作面底板變形破壞深度的監測鉆孔布置如圖1所示,監測鉆孔設計參數如表1所示。

表1 080102工作面底板破壞范圍鉆孔設計參數Table 1 Design parameters of boreholes within the floor failure of 080102 seam floor

圖1 080102工作面監測鉆孔布置平面圖Fig.1 Schematic diagram of monitoring boreholes on 080102 working face

底板采動變形觀測是利用2個監測鉆孔分別在底板不同深度位置設置應變傳感器探頭,通過應變量的變化監測該位置處巖層的變形情況。1#監測鉆孔的4個探頭分別位于底板下垂深度3.2 m、7.1 m、11.3 m、16.4 m處,各個應變傳感器探頭位置相對于鉆孔口距離回采煤壁分別超前了5.8 m、13.2 m、21.7 m、33.6 m；2#監測鉆孔于底板下垂深度4.2 m、7.8 m、10.9 m、15.0 m位置處分別設置4個探頭,各個應變傳感器探頭位置相對于鉆孔口距離回采煤壁分別超前了5.3 m、10.7 m、16.7 m、20.3 m。最后進行監測數據處理時均按照應變傳感器探頭距離回采工作面的實際距離進行校正。

3 工作面監測結果與分析

3.1 監測結果

3.1.11#監測鉆孔

1#監測鉆孔監測數據曲線如圖2所示。從圖中可以看出,各應變傳感器探頭初始讀數都為0。隨著工作面不斷推進,各個探頭的應變量開始逐漸變化。當工作面推進一定距離后,應變量突然加快,說明此時應變傳感器探頭處于回采工作面煤層采動超前支承壓力影響區范圍內,但是各個傳感器探頭應變量突增時所對應的距離回采工作面煤壁的位置有所差異。研究發現1#監測鉆孔的4個應變傳感器探頭分別在距離回采工作面煤壁64 m、58 m、42 m、39 m時應變量開始大幅增加,并且由于受到回采工作面在推進中周期來壓的影響,應變傳感器探頭的應變峰值峰谷也隨之出現周期性波動,說明回采工作面周期來壓的出現,經測算回采工作面平均周期來壓步距為8.5 m。此外,監測過程中發現,當回采工作面推進超過應變傳感器探頭1和探頭2的水平位置后,應變記錄儀開始監測不到讀數,說明此時兩個應變傳感器探頭位置所在的底板巖層已經完全破壞。相反,應變傳感器探頭3和探頭4在工作面推過之后仍然可以監測到讀數持續變化,說明這兩個應變傳感器探頭所在巖層沒有發生破壞,而且隨著與工作面的距離增大,兩個應變傳感器探頭讀數整體呈減小的趨勢。綜合考慮1#監測鉆孔的4個應變傳感器探頭的監測數據可以確定,080102工作面底板巖層采動破壞深度處于7.1～11.3 m之間。

(a)傳感器探頭1(底板下垂深3.2 m)

(b)傳感器探頭2(底板下垂深7.1 m)

(c)傳感器探頭3(底板下垂深11.3 m)

(d)傳感器探頭4(底板下垂深16.4 m)圖2 1#監測鉆孔各應變傳感器探頭實測應變增量曲線Fig.2 Measured strain curves of strain sensors around No.1 monitoring boreholes

3.1.2 2#監測鉆孔

2#監測鉆孔2個應變傳感器探頭實測的應變量變化曲線,如圖3所示,其監測與分析過程與1#監測鉆孔類似。1#和2#監測鉆孔具有同樣的規律,因此2#監測鉆孔僅需對傳感器探頭2和3進行分析即可確定采動底板巖層破壞深度范圍。2#監測鉆孔的4個應變傳感器探頭分別在距離回采工作面煤壁62 m、55 m、44 m、38 m時應變量開始大幅增加,隨著回采工作面不斷循環推進,各個應變傳感器探頭的應變量變化呈周期性波動,監測所得回采工作面的平均周期來壓步距為7.9 m。

(a)傳感器探頭2(底板下垂深8.1 m)

(b)傳感器探頭3(底板下垂深12.7 m)圖3 2#監測鉆孔應變傳感器探頭2和探頭3實測應變增量曲線Fig.3 Measured strain curves of No.2 and No.3 strain sensor of No.2 monitoring borehole

由圖3中應變傳感器探頭2和探頭3的監測數據可知,080102回采工作面采動底板巖層破壞深度范圍為8.1～12.7 m。

3.1.31#監測鉆孔和2#監測鉆孔的監測結果

如表2所示，由1#監測鉆孔監測結果得出080102工作面底板破壞深度范圍為7.1～11.3 m,由2#監測鉆孔監測結果得出工作面底板破壞深度范圍為8.1～12.7 m。綜合比較兩個監測鉆孔的實測應變增量曲線,可以確定采動影響下080102工作面底板破壞深度范圍為8.1～11.3 m,平均周期來壓步距范圍為7.9～8.5 m。

表2 1#、2#監測鉆孔監測數據Table 2 Measured data of No.1 and No.2 monitoring borehole

3.2 結果分析

3.2.1工作面底板變形破壞與礦山壓力的關系

080102工作面液壓支架支護阻力觀測采用5臺礦用本安型數字壓力儀,依次分布于回采工作面第8#、27#、48#、65#、86#液壓支架。實時礦壓數據每5 min定期監測一次,并通過紅外線數據采集器將實測數據傳輸于礦壓專用軟件再進行處理。

080102工作面自開切眼向前平均推進21.5 m時,回采工作面頂板發生初次來壓,數字礦壓監測儀記錄初次來壓步距為21 m。此后隨著回采工作面不斷向前循環推進,工作面周期來壓現象明顯。圖4為回采工作面第27#液壓支架支護阻力實測變化曲線,可以看出回采工作面周期來壓頻次為3 d左右,周期來壓步距為8.8 m,與前述1#、2#監測鉆孔監測的周期來壓平均步距8.2 m相差不大,而且周期來壓步距介于初次來壓步距的1/4～1/2之間,符合經典礦壓理論預測范圍。這為確定煤礦井下回采工作面周期來壓步距提供了新的參考。

圖4 27#液壓支架支護阻力變化曲線Fig.4 Variation curve of supporting resistance on No.27 hydraulic support

3.2.2工作面采動影響距離與底板垂深的關系

由表2可知,080102工作面采動影響長度與各個應變傳感器探頭距底板垂深的距離存在一定關聯性和規律性。當應變傳感器探頭距煤層底板的距離逐漸加大時,工作面采動影響距離隨之減小。通過對表2中8組數據進行線性擬合回歸分析,L代表采動影響距離,h代表探頭距底板垂深,二者之間存在著函數關系L=-2.158h+70.72,相關系數R2=0.925 4,擬合效果良好,如圖5所示。

圖5 鉆孔采動影響距離與探頭距底板垂深的關系曲線Fig.5 Relationship between the distance of mining-induced influence and vertical depth of sensors from floor

4 結論

1)運用現場應變實測系統的方法,在080102回采工作面軌道平巷設置觀測測點,通過布置兩個監測鉆孔和8個應變傳感器探頭對采場底板破壞深度進行監測,確定了工作面采動底板破壞深度范圍為8.1～11.3 m。

2)現場應變實測系統監測所得數據反映了不同深度的底板變形破壞與工作面采動影響距離的關系。當應變探頭位置距離底板垂深增加時,受工作面采動超前集中應力的影響程度總體呈現減小的趨勢。通過對8組數據進行線性擬合回歸分析,給出了兩者關系的函數表達式。

3)回采工作面液壓支架支護阻力觀測數據與現場應變傳感器探頭應變增量曲線相比較,都具有相似的周期性波動特點,應變實測系統測得的回采工作面平均周期來壓步距為8.1 m,與數字壓力儀測得的周期來壓步距8.8 m相差不多;液壓支架數字壓力儀監測數據顯示初次來壓步距為21 m,而監測鉆孔各探頭所測周期來壓步距正好介于初次來壓步距的1/4～1/2之間,符合經典礦壓理論預測范圍。

4)現場應變實測系統揭示了回采工作面采動影響底板變形破壞規律,再結合礦井其他突水因素進行分析,能夠為該區域礦井煤炭資源安全高效開采提供可靠依據。