李世民

(山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)蒲縣豹子溝煤業(yè)有限公司)

現(xiàn)階段，隨著我國(guó)煤炭資源開(kāi)采強(qiáng)度日益加大，礦井開(kāi)采深度越來(lái)越大，特別是我國(guó)華北地區(qū)礦井開(kāi)采深度已經(jīng)達(dá)到千米以下，山東省千米以下的礦井達(dá)到67個(gè)，最大開(kāi)采深度已經(jīng)達(dá)到1 500 m。華北地區(qū)地層復(fù)雜，煤層較薄，水系較為發(fā)達(dá)，研究薄煤層底板的破壞特征對(duì)于煤層底板突水預(yù)測(cè)及防治具有重要意義[1-5]。本研究以山東田莊煤礦1301工作面為例，根據(jù)該礦區(qū)的地質(zhì)特征，首先應(yīng)用滑移線場(chǎng)理論對(duì)該礦煤層底板破壞深度進(jìn)行預(yù)測(cè)；然后通過(guò)建該礦1301工作面的數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)其煤層底板的塑性破壞深度和底板垂直應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行分析；最后利用多段封堵測(cè)漏系統(tǒng)對(duì)該工作面煤層底板進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，通過(guò)對(duì)各種方法得到的煤層底板破壞深度值進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)一步探討薄煤層采動(dòng)底板的破壞特征。

1　礦區(qū)地質(zhì)特征

田莊煤礦主采煤層為13#煤層，煤層厚度為0.75～2.03 m，平均厚度僅為1.15 m，煤層較為穩(wěn)定。該煤層靠近底板奧灰含水層，部分地區(qū)煤層與含水層的最小距離僅為25.7 m，受承壓水影響較大，煤層頂板主要巖性為堅(jiān)硬粉砂巖，在煤層開(kāi)采過(guò)程中頂板垮落步距較大，底板巖性為黏土層和砂質(zhì)泥巖，受煤層采動(dòng)影響較大，易出現(xiàn)大量裂隙，在開(kāi)采過(guò)程中曾經(jīng)發(fā)生過(guò)嚴(yán)重的突水事故[6-10]。

1301工作面為13#煤層現(xiàn)開(kāi)采的主要工作面，煤層厚度較為穩(wěn)定，平均厚度為1.3 m，工作面沿煤層傾向布置，長(zhǎng)100 m。煤層頂板巖性為粉砂巖層，平均厚6.4 m，屬難冒落頂板；底板為砂質(zhì)黏土巖，極易引發(fā)巷道底鼓。1301工作面在開(kāi)采過(guò)程中主要受奧灰水含水層深部十四灰承壓水的威脅。

2　1301工作面煤層底板破壞深度計(jì)算

2.1　滑移線場(chǎng)理論分析

普通煤層開(kāi)采中，工作面底板圍巖內(nèi)部將發(fā)生塑性破壞，形成塑性區(qū)，本研究利用滑移線場(chǎng)理[11-14]分析認(rèn)為，煤層底板塑性破壞邊界如圖1所示。

圖1　煤層底板塑性破壞邊界示意

根據(jù)圖1中底板塑性破壞區(qū)的幾何尺寸，可知煤層底板塑性區(qū)的最大破壞深度可按下式計(jì)算

式中，h0為底板塑性區(qū)的最大破壞深度，m；φ0為煤層底板巖石的內(nèi)摩擦角，30°；H為開(kāi)采深度，927 m。

根據(jù)1301工作面開(kāi)采技術(shù)參數(shù)，經(jīng)計(jì)算得出h0=16.26 m。

2.2　數(shù)值模擬分析

根據(jù)田莊煤礦1301工作面的地質(zhì)資料，構(gòu)建了FLAC3D數(shù)值模型，模型尺寸為120 m×200 m×100 m(長(zhǎng)×寬×高)，設(shè)工作面長(zhǎng)為120 m，兩側(cè)各留40 m寬煤柱。在模型上邊界加均布載荷13 MPa，計(jì)算中數(shù)值模型采用彈塑性模型，F(xiàn)LAC3D數(shù)值模擬的實(shí)際過(guò)程采用分步開(kāi)挖實(shí)現(xiàn)，開(kāi)挖步長(zhǎng)為10 m，共計(jì)開(kāi)挖12步，模型左右前后邊界均固定。1301工作面煤層頂?shù)装鍘r層巖石力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1[16]。

表1　煤層頂?shù)装迕簬r層力學(xué)參數(shù)

經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬分析得出的1301工作面采動(dòng)底板塑性破壞區(qū)的分布特征如圖2所示。由圖2可知：當(dāng)工作面推進(jìn)至120 m時(shí)，煤層底板破壞深度達(dá)到最大值，出現(xiàn)平底，最大破壞深度位置位于工作面中心，煤層底板采動(dòng)破壞塑性區(qū)形狀為“船底”型，在工作面底板中心位置形成平底狀，根據(jù)數(shù)值模型尺寸可推算出煤層底板的最大破壞深度為17.13 m。

圖2　采動(dòng)底板塑性破壞區(qū)分布

分析圖3可知：①距離煤層采空區(qū)底板越近垂直應(yīng)力越小，是因?yàn)樵诿簩硬蓜?dòng)過(guò)程中，底板發(fā)生了塑性變形，底板垂直應(yīng)力得以釋放，故而垂直應(yīng)力較小，特別是距離底板5 m范圍內(nèi)，垂直應(yīng)力為0，隨著深度不斷加大，垂直應(yīng)力逐漸增大，這與采動(dòng)底板塑性破壞區(qū)位置相對(duì)應(yīng)；②垂直應(yīng)力的最大值區(qū)域位于工作面兩側(cè)順槽附近，該處為垂直應(yīng)力集中區(qū)，區(qū)內(nèi)煤層底板發(fā)生破壞的可能性較大。

圖3　采動(dòng)底板垂直應(yīng)力分布

3　1301工作面煤層底板破壞深度實(shí)測(cè)

本研究采用多段封堵測(cè)漏系統(tǒng)(圖4)對(duì)該礦1301工作面煤層底板破壞深度進(jìn)行實(shí)測(cè)。該系統(tǒng)是在雙端封堵測(cè)漏系統(tǒng)的基礎(chǔ)上研制而成，具有操作簡(jiǎn)單、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)(圖4)。

圖4　多段封堵測(cè)漏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本研究將測(cè)漏裝置鉆桿按一定角度向采空區(qū)底板一側(cè)布設(shè)了3個(gè)觀測(cè)鉆孔(編號(hào)分別為1#、2#、3#)，各鉆孔的技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2　觀測(cè)鉆孔技術(shù)參數(shù)

分析圖5可知：①1#鉆孔的漏失量在測(cè)漏試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)便達(dá)到25 L/min，說(shuō)明該處底板裂隙發(fā)育程度非常高，該鉆孔的漏失量在孔深為22 m時(shí)突然減少，說(shuō)明此時(shí)底板裂隙發(fā)育不明顯，漏失量為巖體的原始裂隙所導(dǎo)致，根據(jù)鉆孔傾角得出此處煤層底板的破壞深度為15.6 m；②2#鉆孔的漏失量在鉆孔深度達(dá)到19 m時(shí)突然減小，根據(jù)鉆孔傾角得出此處煤層底板的破壞深度為16.5 m；③3#鉆孔的漏失量在鉆孔深度達(dá)到15 m時(shí)突然減小，根據(jù)鉆孔傾角得出此處煤層底板的破壞深度為15.5 m，選取上述3個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)的最大值，從而得出1301工作面底板的破壞深度為16.5 m。

圖5　鉆孔漏失量實(shí)測(cè)值

4　結(jié)　語(yǔ)

結(jié)合田莊煤礦地質(zhì)條件，首先采用滑移線場(chǎng)理論得出1301工作面煤層底板采動(dòng)破壞深度最大值為16.26 m，最大值位置位于工作面后方中間；然后通過(guò)FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型分析了煤層底板采動(dòng)塑性破壞區(qū)域的分布特征，認(rèn)為煤層底板采動(dòng)破壞塑性區(qū)形狀為“船底”型，煤層底板最大破壞深度為17.13 m；最后通過(guò)采用多段封堵測(cè)漏系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)測(cè)，得出底板破壞深度為16.5 m。研究表明：本研究理論分析、數(shù)值模擬分析得出的煤層底板破壞深度與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較接近，可見(jiàn)采用該兩類(lèi)方法可對(duì)煤層底板破壞深度進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，為進(jìn)一步進(jìn)行薄煤層深部開(kāi)采方案設(shè)計(jì)提供了有益參考。

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