深埋近距離煤層開采底板破壞深度確定方法研究與應(yīng)用

丁 湘，周新河，閆 鑫，吳 訪，蒲治國，孟廣山

(1.中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西省西安市，710054；2.中煤沖擊地壓與水害防治研究中心，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市, 017000；3.中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市, 017300)

煤層開采擾動(dòng)導(dǎo)致原巖應(yīng)力失去平衡，底板巖層在應(yīng)力作用下向采空區(qū)自由空間運(yùn)移，導(dǎo)致底板巖體發(fā)生剪切膨脹破壞，破裂的巖層將局部或全部喪失隔水能力[1]。針對(duì)煤層采動(dòng)導(dǎo)致底板破壞的問題，相關(guān)專家學(xué)者進(jìn)行了大量研究。孟祥瑞等[2]研究了煤層采動(dòng)后的應(yīng)力分布規(guī)律和底板破壞深度；張金才[3]從彈性力學(xué)的角度出發(fā)，基于半無限體理論研究了底板破壞機(jī)理；張風(fēng)達(dá)等[4]結(jié)合塑性力學(xué)滑移線場(chǎng)理論研究了影響底板破壞深度的因素；馬文著等[5]指出影響底板巖體破壞的主要因素包括開采深度、開采范圍和煤層產(chǎn)狀等，底板巖層結(jié)構(gòu)完整的條件下，塑性破壞區(qū)的形態(tài)接近“勺形”；宋文成等[6]基于彈塑性理論構(gòu)建了底板破壞判據(jù)模型，并用FLAC3D軟件構(gòu)建數(shù)值模擬模型分析了底板破壞形態(tài)特征。

多煤層礦井上部煤層開采會(huì)引起底板巖層的破壞和移動(dòng)變形，導(dǎo)致圍巖應(yīng)力平衡狀態(tài)發(fā)生變化和底板巖層破壞，從而加重上部采空區(qū)積水對(duì)其下部煤層采掘作業(yè)的威脅程度。底板破壞帶深度的確定是評(píng)價(jià)下部煤層采掘活動(dòng)受上覆采空區(qū)積水威脅程度的重要指標(biāo)，也是進(jìn)行采空區(qū)積水探放鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，因此，需要確定底板采動(dòng)破壞帶深度，為下部煤層采掘時(shí)的采空區(qū)積水防治提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[7-9]。

1 工作面概況

根據(jù)井下實(shí)際采掘資料分析，2-1號(hào)煤層一盤區(qū)21102工作面和21103工作面采空區(qū)內(nèi)地勢(shì)低洼處存在積水，積水面積約67.66萬m2，積水量約35.09萬m3，上部采空區(qū)積水對(duì)下部22103工作面的掘進(jìn)及回采構(gòu)成較大威脅。

圖1 各工作面位置關(guān)系

2 2-1號(hào)煤層底板巖層破壞帶發(fā)育深度

2.1 2-1號(hào)煤層底板巖層特征

2.2 2-1號(hào)煤層底板破壞帶深度計(jì)算

2.2.1 “三下”規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式

《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱“三下”規(guī)范)中提供了多種底板破壞深度計(jì)算方法。在工作面斜長30～205 m、采深100～1 000 m條件下，有以下3個(gè)公式均可用來計(jì)算煤層采后底板破壞帶發(fā)育深度。

h=0.303L0.8

(1)

h=0.700 7+0.107 9L

(2)

(3)

式中：h——底板采動(dòng)破壞深度，m；

H——開采深度，m；

L——工作面斜長，m；

α——煤層傾角，(°)。

2.2.2 多元線性回歸模型

由于“三下”規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式未考慮煤層開采厚度、底板抗破壞能力及構(gòu)造的影響，這些因素在深埋條件下，對(duì)圍巖的應(yīng)力變化具有較大影響。因此需要對(duì)深埋條件下煤層采后底板破壞深度進(jìn)行重新統(tǒng)計(jì)分析。

收集了25組埋深在300 m以上的工作面回采后底板破壞深度實(shí)測(cè)值[10]，以煤層采深(H)、煤層傾角(α)、煤層采厚(M)、工作面斜長(L)、底板抗破壞能力(R)和是否有斷層構(gòu)造(F)等6個(gè)因素為影響指標(biāo)，構(gòu)建了煤層采后底板破壞深度預(yù)測(cè)回歸模型。部分礦井工作面回采后實(shí)測(cè)底板破壞深度見表1。回歸模型為：

表1 部分礦井工作面回采后實(shí)測(cè)底板破壞深度

(4)

式中：M——煤層采厚，m；

R——底板抗破壞能力；

F——是否有斷層構(gòu)造，分別取1或0。

依據(jù)F檢驗(yàn)結(jié)果，顯著性P值為0.000，水平上呈現(xiàn)顯著性，回歸方程相關(guān)性系數(shù)R為0.890，擬合程度較高，回歸模型擬合效果如圖2所示。

圖2 回歸模型擬合效果

2.2.3 塑性力學(xué)理論計(jì)算公式

根據(jù)塑性力學(xué)理論[11-14]，底板破壞帶深度可采用下述公式計(jì)算：

(5)

式中：Ls——煤層塑性區(qū)寬度，估算為0.015倍采深，m；

φ0——底板巖體權(quán)重平均內(nèi)摩擦角，(°)。

將研究區(qū)相關(guān)數(shù)值代入式(1)～(5)，得到底板采動(dòng)破壞帶深度計(jì)算值，見表2。

表2 研究區(qū)底板采動(dòng)破壞帶深度h計(jì)算值 m

通過計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，依據(jù)“三下”規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算底板破壞帶深度為30.59～35.94 m，多元線性回歸模型計(jì)算結(jié)果為42.75～42.90 m，塑性力學(xué)理論計(jì)算公式計(jì)算結(jié)果為18.27 m。

2.3 2-1號(hào)煤層底板破壞帶數(shù)值模擬

2.3.1 建立數(shù)值模型

綜合分析21102和21103工作面內(nèi)鉆孔柱狀數(shù)據(jù)，對(duì)地層結(jié)構(gòu)進(jìn)行整理分析，考慮到相鄰巖層的巖性及物理力學(xué)參數(shù)具有一定的相似性，因此，對(duì)鄰近薄巖層進(jìn)行概化合并，利用FLAC3D有限差分軟件建立數(shù)值模擬模型。數(shù)值計(jì)算模型如圖3所示。采用分段開挖的方式模擬開挖過程，工作面沿走向(X軸正向)推進(jìn)，每步沿走向開挖20 m、傾向開挖320 m的平衡狀態(tài)。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型

2.3.2 模型結(jié)果分析

煤層的開挖使得圍巖的應(yīng)力場(chǎng)遭到擾動(dòng)，在應(yīng)力重新分布的過程中，底板巖層形成一定的塑性破壞區(qū)[15-16]。煤層采動(dòng)底板破壞過程數(shù)值模擬如圖4所示。工作面回采前期，隨著工作面的不斷推進(jìn)，采空區(qū)范圍逐漸擴(kuò)大，底板巖層在應(yīng)力再平衡過程中不斷發(fā)生破壞(推進(jìn)20～120 m)；當(dāng)工作面回采到一定階段，煤層頂板巖層垮落壓實(shí)采空區(qū)，底板巖體卸荷到一定程度后逐漸減弱，煤層底板巖層的破壞程度逐漸減弱(推進(jìn)120～140 m)，直至達(dá)到相對(duì)平衡狀態(tài)，底板破壞深度不再增大，此時(shí)底板破壞深度即為煤層采后底板破壞帶發(fā)育深度(推進(jìn)160 m)。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分析，2-1號(hào)煤層采動(dòng)底板破壞過程達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，底板破壞帶最大深度在16 m左右。

圖4 煤層采動(dòng)底板破壞過程數(shù)值模擬

2.4 2-1號(hào)煤層底板破壞帶鉆孔窺視

2.4.1 鉆孔窺視探測(cè)方法

采用鉆孔窺視法對(duì)葫蘆素2-1號(hào)煤層底板采動(dòng)破壞帶深度進(jìn)行實(shí)測(cè)，考慮到需要施工采空區(qū)積水探放鉆孔，窺視工作利用2-1號(hào)煤層采空區(qū)探放水鉆孔進(jìn)行。仰孔窺視底板采動(dòng)破壞帶示意如圖5所示。根據(jù)底板巖層結(jié)構(gòu)和破壞帶深度預(yù)估情況，考慮到煤層間距的不確定性及預(yù)估結(jié)果可能存在誤差，鉆孔可能會(huì)提前進(jìn)入底板破壞帶。因此，在鉆進(jìn)至15 m(垂高8.6 m，距2-1號(hào)煤層底板17.4 m)時(shí)即開始窺視，窺視時(shí)重點(diǎn)觀察圍巖裂隙發(fā)育情況，直至鉆進(jìn)2-1號(hào)煤層采空區(qū)。

圖5 仰孔窺視底板采動(dòng)破壞帶示意

2.4.2 探測(cè)過程

在22103工作面輔運(yùn)巷F1鉆場(chǎng)施工F1-1K、F1-2K窺視鉆孔，綜合對(duì)比分析獲得2-1號(hào)煤層一盤區(qū)底板采動(dòng)破壞帶深度實(shí)測(cè)結(jié)果，見表3。

表3 F1鉆場(chǎng)窺視鉆孔參數(shù)

2.4.3 探測(cè)結(jié)果

F1-1K窺視鉆孔鉆進(jìn)過程中共窺視4次，F(xiàn)1-2K窺視鉆孔鉆進(jìn)過程中共窺視1次。窺視鉆孔采動(dòng)裂隙發(fā)育情況如圖6所示。由圖6可以看出，F(xiàn)1-1K孔采動(dòng)裂隙發(fā)育下限在孔深11.5 m處，套管外至孔深11.5 m范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)采動(dòng)裂隙，此處垂高6.3 m，即F1-1K孔窺視位置2-1號(hào)煤層底板采動(dòng)破壞帶深度為19.6 m；F1-2K孔采動(dòng)裂隙發(fā)育下限在孔深11.9 m處，套管外至孔深11.9 m范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)采動(dòng)裂隙，此處垂高6.7 m，即，F(xiàn)1-2K孔窺視位置2-1號(hào)煤層底板采動(dòng)破壞帶深度為19.0 m。綜合對(duì)比2個(gè)窺視孔，通過視覺識(shí)別出的采動(dòng)裂隙下限距2-1號(hào)煤層底板最大垂距為19.6 m，即窺視位置2-1號(hào)煤層底板采動(dòng)破壞深度為19.6 m。

圖6 窺視鉆孔采動(dòng)裂隙發(fā)育情況

2.5 2-1號(hào)煤層底板破壞帶深度確定

綜合分析理論計(jì)算、數(shù)值模擬和鉆孔窺視探測(cè)結(jié)果，“三下”規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式、多元線性回歸模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際探測(cè)窺視結(jié)果相差較大，公式適用性較差。塑性力學(xué)理論公式計(jì)算結(jié)果與實(shí)際探測(cè)窺視結(jié)果基本一致，且計(jì)算方便，可適用于近距離深埋煤層底板破壞深度的計(jì)算。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際探測(cè)窺視結(jié)果較為接近，但該方法流程復(fù)雜，應(yīng)用難度較大。鉆孔探測(cè)窺視結(jié)果為實(shí)測(cè)值，可信度最高，但施工及觀測(cè)困難，不宜作為常用手段。因此，葫蘆素煤礦2-1號(hào)煤層底板采動(dòng)破壞帶深度取實(shí)測(cè)值19.6 m。類似條件下簡(jiǎn)易計(jì)算可采用塑性力學(xué)理論公式。

3 結(jié)論

(1)利用“三下”規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式、多元線性回歸模型、塑性力學(xué)理論公式計(jì)算、數(shù)值模擬和鉆孔窺視探測(cè)方法，研究了深埋條件下煤層開采后底板破壞深度。

(2)根據(jù)鉆孔窺視探測(cè)、數(shù)值模擬和理論計(jì)算，綜合確定2-1號(hào)煤層開采后底板最大破壞帶深度為19.6 m。

(3)該區(qū)域近距離煤層深埋條件下“三下”規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式適用性較差。數(shù)值模擬和鉆孔窺視方法復(fù)雜，應(yīng)用不便。塑性力學(xué)理論計(jì)算公式可用于該地區(qū)底板破壞帶深度計(jì)算。