李 剛，張 愷，蘇俊輝，王進(jìn)波

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團(tuán)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(jìn)波1

(1. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000； 2. 霍州煤電集團(tuán)團(tuán)柏煤礦，山西 臨汾 031400)

山西省霍州團(tuán)柏煤礦11-101工作面為帶壓開采。為預(yù)防回采期間底板突水事故，采用彈塑性理論、現(xiàn)場實(shí)測、數(shù)值模擬驗(yàn)證相結(jié)合的方法，對不同工作面長度條件下底板破壞深度發(fā)育規(guī)律進(jìn)行研究，進(jìn)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(jìn)，滯后工作面6 m左右底板首先發(fā)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(jì)算與數(shù)值模擬計(jì)算得出80 m工作面底板破壞深度為7~8 m，現(xiàn)場實(shí)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(chǎn)安全。

帶壓開采；底板破壞規(guī)律；防治水；數(shù)值模擬

目前我國煤礦開采深度和強(qiáng)度不斷增加，煤炭資源開采突水事故頻繁發(fā)生，尤其是采場受底板承壓水威脅越來越嚴(yán)重。因此，眾多專家學(xué)者對底板的隔水性能，底板完整性和抗水能力進(jìn)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(shù)[1]。荊自剛等[2]在20世紀(jì)80年代初首次將開采煤層底板由下到上分為承壓水導(dǎo)高帶、完整巖層帶、底板破壞帶即“下三帶”理論。20世紀(jì)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(wěn)定段。劉天泉等[4]從力學(xué)角度出發(fā)提出了“強(qiáng)滲通道”說，提出將底板是否具備突水通道作為判斷突水發(fā)生的主要判據(jù)?！皫r水應(yīng)力關(guān)系”學(xué)說認(rèn)為底板突水是巖石、底板承壓水和應(yīng)力共同作用的結(jié)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(dǎo)高帶[6]。當(dāng)前國內(nèi)防治水探測技術(shù)主要有聲波檢測技術(shù)、鉆孔注水測試[7]、電剖面法[8]、地震波CT探測[9-13]技術(shù)?；诋?dāng)前理論以及現(xiàn)有探測方法的基礎(chǔ)之上，以團(tuán)柏煤礦11-101工作面為工程背景，采用鉆孔窺視技術(shù)，結(jié)合FLAC3D數(shù)值模擬和傳統(tǒng)理論計(jì)算，針對性的研究煤層底板變形破壞規(guī)律，為綜采工作面帶壓開采工作提供理論依據(jù)，從而保證團(tuán)柏煤礦生產(chǎn)安全。

1 工程地質(zhì)概況

團(tuán)柏煤礦11號煤層首采區(qū)位于井田+400水平，首采區(qū)皮帶巷前進(jìn)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(qū)皮帶巷，西至堡后村及申村保安煤柱。采區(qū)南北長2.21 km，東西寬1.78 km，面積2.57 km2。采區(qū)北部、東部、西部均為11號煤層實(shí)體煤，采區(qū)周圍11號煤層實(shí)體煤北部為三采區(qū)10-308回采工作面，西部為10號煤二采區(qū)采空區(qū)及堡后與申村村莊保安煤柱，東部為10號煤首采區(qū)左翼采空區(qū)；采區(qū)南部以下團(tuán)柏?cái)鄬訛榻?，與霍寶干河煤礦相鄰。11-101工作面是11號煤首采區(qū)，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(tuán)柏煤礦11號煤厚度穩(wěn)定，平均3.3 m，局部略薄。結(jié)構(gòu)復(fù)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(zhì)泥巖，局部為粉砂巖，厚度2~10 m。

11號煤底板標(biāo)高+100~+480 m，根據(jù)鉆孔資料顯示開采范圍內(nèi)奧灰水水位標(biāo)高最高為+493 m，煤層帶壓，11號煤首采區(qū)實(shí)測帶壓0.9~2.7 MPa。隔水層巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、鋁質(zhì)泥巖等，厚26 m左右。據(jù)巖性組合分析，泥巖、砂質(zhì)泥巖、鋁質(zhì)泥巖隔水性能很強(qiáng)，但強(qiáng)度低，砂巖為弱透水層，強(qiáng)度高。據(jù)初步分析，此段地層結(jié)構(gòu)為泥質(zhì)巖夾層的軟、硬地層相互疊置的組合結(jié)構(gòu)。

圖1 11-101工作面布置圖

2 底板破壞深度理論計(jì)算

2.1 突水系數(shù)

MT/T 1091—2008《煤礦床水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)勘查評價標(biāo)準(zhǔn)》附錄E中，突水系數(shù)計(jì)算公式為：

式中s為突水系數(shù)，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(dǎo)水破壞深度，m。

按式(1)計(jì)算時，底板受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)一般不大于0.06 MPa/m，正常塊段不大于0.15 MPa/m。由團(tuán)柏煤礦11-101首采區(qū)實(shí)測地質(zhì)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(chǎn)，理論上底板導(dǎo)水破壞深度不得大于8 m。

2.2 破壞深度理論計(jì)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(xué)方法和回歸分析法等。

①彈塑性理論計(jì)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(jīng)驗(yàn)公式法 《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中給出的采場底板破壞深度的統(tǒng)計(jì)計(jì)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(jù)團(tuán)柏煤礦現(xiàn)場實(shí)測，煤層埋深取325 m；底板巖石的平均抗壓強(qiáng)度取17.0 MPa；工作面長度取值80 m。

綜合彈塑性理論計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)公式得到團(tuán)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(dǎo)水破壞深度8 m，滿足安全生產(chǎn)要求。

3 底板破壞深度數(shù)值計(jì)算

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

3.1 數(shù)值模型建立

數(shù)值模型建立的地質(zhì)條件：團(tuán)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(jī)械化開采。根據(jù)團(tuán)柏煤礦首采工作面煤層頂?shù)装宓牡刭|(zhì)情況建立簡化模型。模型由六面體單元構(gòu)成，計(jì)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(jié)點(diǎn)，模型限制水平移動，底板固定。模型上表面為應(yīng)力邊界，煤層上部模擬了200 m上覆巖層，并且對計(jì)算模型范圍內(nèi)分層巖層中物理性質(zhì)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(zhǔn)則，模型如圖2所示。模擬所采用的巖體力學(xué)參數(shù)通過實(shí)驗(yàn)室得出。團(tuán)柏煤礦11號煤層11-101工作面煤層及頂?shù)装辶W(xué)特征如表1。

圖2 數(shù)值模擬力學(xué)模型示意圖

表1 巖石力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

3.2 數(shù)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(jìn)行模擬(圖3)，工作面推進(jìn)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(guī)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(dāng)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(dá)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(jié)果顯示當(dāng)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(jì)算安全破壞深度相似。

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

圖3 不同工作面長度底板破壞規(guī)律

圖4 采動影響下底板破壞規(guī)律

通過模擬工作面回采(圖5)可以得到以下結(jié)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(jìn)煤壁在支承壓力作用下首先發(fā)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(yuǎn)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(fā)生底板突水事故。底板在破壞過程中表現(xiàn)出拉伸破壞—重新壓實(shí)—拉伸破壞的循環(huán)過程[17-18]。

為了探究采動影響下工作面底板位移規(guī)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(jiān)測點(diǎn)，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(jìn)，底板位移開始發(fā)生變化，工作面前方30 m范圍內(nèi)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(nèi)底板處于應(yīng)力降低區(qū)，在側(cè)向支承壓力及超前支承壓力綜合作用下該區(qū)域底板巖層有明顯向上運(yùn)動趨勢，在滯后工作面40 m處達(dá)到最大值。底板深度8 m以內(nèi)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(guī)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(dǎo)致底板巖層各層的撓度不同，這樣在層與層之間就會產(chǎn)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(dǎo)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(jiān)測結(jié)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(jìn)行回采，底板破壞深度在7.5 m左右，回采期間對底板進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，對于有突水危險(xiǎn)的區(qū)域提前實(shí)施底板注漿加固。11-101工作面回采全過程中并未出現(xiàn)突水，實(shí)現(xiàn)了工作面安全生產(chǎn)。

5 結(jié)論

a. 受采動影響隨著工作面推進(jìn)，滯后工作面6 m左右底板裂隙首先發(fā)育，此處破壞深度最大，工作面迎頭發(fā)生突水災(zāi)害幾率更高，因此現(xiàn)場要加強(qiáng)該區(qū)域的防水監(jiān)測工作。

b. 受超前支承壓力以及側(cè)向支承壓力影響，工作面前方30 m范圍內(nèi)煤層底板向下運(yùn)動，工作面后方90 m范圍內(nèi)煤層底板向上運(yùn)動，在40 m左右達(dá)到最大值。

c. 在團(tuán)柏煤礦地質(zhì)條件下，60~120 m范圍內(nèi)，工作面長度每增加10 m，底板破壞向下發(fā)育1 m。綜合理論計(jì)算、FLAC3D數(shù)值模擬分析和現(xiàn)場實(shí)測，工作面長度為80 m時，底板雖然產(chǎn)生一定破壞深度，但隔水層厚度仍然在安全范圍內(nèi)，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(shí)現(xiàn)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(dǎo)師，從事礦山壓力及巷道圍巖控制和帶壓開采技術(shù)方面的教學(xué)和研究. E-mail：kai936416777@163.com

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

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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(xué)基金項(xiàng)目(51774165)；遼寧省教育廳服務(wù)地方類項(xiàng)目(LJ2017FAL014)

(責(zé)任編輯 張宏 周建軍)