趙春虎

孤島工作面底板破壞深度微震測試與模擬分析

趙春虎1,2

(1. 中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2. 陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安 710077)

針對孤島工作面煤層開采底板損傷問題，以河北葛泉煤礦11913孤島工作面為研究對象，采用微震方法分析其底板破壞深度；并通過數(shù)值模擬對首采、跳采及孤島3種工作面回采過程中圍巖采動應力與底板破壞的規(guī)律進行了對比分析。微震測試結果顯示11913工作面回采過程中微震事件主要發(fā)生在下巷，識別出工作面最大破壞深度20~25 m；基于COMSOL的11912首采、11914跳采及11913孤島3個工作面數(shù)值模擬結果顯示，11912首采與11914跳采條件下煤柱地應力集中狀態(tài)變化不大，最大破壞深度小于11.56 m，僅發(fā)育至工作面底板的注漿改造層內(nèi)部；而11913孤島回采條件下，受到重復采動影響，工作面兩側煤柱應力集中狀態(tài)驟增，最大破壞深度劇增至23 m，已發(fā)育至煤層底板的本溪組灰?guī)r含水層。研究結果對于華北型煤田下組煤層開采底板破壞規(guī)律分析與不同類型工作面回采條件下底板水害防治有一定的參考價值。

孤島工作面；破壞深度；重復采動；微震；數(shù)值模擬；葛泉煤礦；河北邢臺

底板灰?guī)r水是華北型煤田煤層開采主要水害防治對象，由于煤層采掘空間周圍的支承壓力向底板內(nèi)部轉移傳遞，導致底板發(fā)生變形破壞，大大削減了隔水層厚度，使底板突水危險性增加[1-2]，開展工作面煤層開采擾動下底板破壞深度研究是評價底板突水危險性和制定工作面底板水害防治措施的重要依據(jù)[3-4]。

目前煤層底板破壞深度的研究手段主要分為現(xiàn)場實測和計算分析兩類，較為成熟的現(xiàn)場實測手段主要有：以觀測水體漏失量的鉆孔沖洗液法[5]、井下孔中注水測漏法[6]，直接對裂縫進行觀測的鉆孔彩色電視、鉆孔CT等[7-8]，以及以地球物理探測為基礎的超聲成像及數(shù)字測井法等靜態(tài)探測方法[9]。近年來，利用微震探測巖體微破裂三維空間成為底板破壞深度探測的新趨勢，可從空間和時間上圈定采掘活動引起的次生導水通道空間范圍，實現(xiàn)煤層采掘過程中底板破壞深度的動態(tài)監(jiān)測，在巖爆(沖擊地壓)、滑坡等動力災害監(jiān)測預警以及煤礦水害防治方面得到較多應用[10-13]。底板破壞深度計算分析方法主要包括理論計算、經(jīng)驗公式、數(shù)值模擬和相似材料模擬等[14-16]，其中數(shù)值模擬能夠綜合考慮影響底板破壞深度的多種因素，較為全面地刻畫地層結構以及模擬較為復雜的系統(tǒng)邊界等，在定量研究底板破壞規(guī)律方面具有一定的優(yōu)勢。

孤島型工作面由于煤柱兩側臨空，較之煤柱兩側不臨空或一側臨空型工作面的巷道煤柱應力集中程度高，在重復采掘擾動下的煤層底板破壞深度進一步加劇，增加了底板突水威脅。目前對孤島工作面底板破壞深度的探測和研究較少，不利于其安全回采。

筆者以河北邢臺葛泉煤礦11913孤島型回采工作面為研究對象，應用微震監(jiān)測技術對工作面回采過程中底板破壞深度進行監(jiān)測識別，并采用數(shù)值模擬技術依次構建11912首采、11914跳采與11913孤島型3個工作面煤層開采底板應力場變化與破壞深度數(shù)值模型，對比分析不同開采條件下底板破壞深度發(fā)育規(guī)律，為華北型煤田煤層開采底板巖溶水害注漿加固治理的層位優(yōu)化提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

河北邢臺葛泉煤礦上組煤太原組5號煤層已開采殆盡，自2010年開始下組煤9號煤層的開采，工作面布置主要采用走向長壁及傾斜長壁等方式，綜合機械化開采。本文研究對象為葛泉煤礦3個相鄰工作面11912、11913以及11914，其煤層底板標高–100~–40 m，煤層走向傾角約15°(圖1)。

圖1 邢臺葛泉煤礦工作面示意圖

如圖2所示，9號煤層下伏富水性中等、厚度較薄的本溪組巖溶裂隙含水層(簡稱“本灰”)以及富水性好、巨厚層狀的奧陶系巖溶裂隙含水層(簡稱“奧灰”)，其中奧灰?guī)r溶水是礦井主要水害防治對象。9號煤層與本灰之間為砂質(zhì)泥巖、鋁土質(zhì)頁巖類隔水層，本灰與奧灰之間的粉砂巖、鋁土泥巖等軟弱巖層是阻止奧灰突水的關鍵隔水層。兩灰?guī)r含水層具有一定的水力聯(lián)系，含水層水位標高均在+20 m左右，9號煤層屬帶壓開采，存在底板巖溶突水威脅。

圖2 9號煤層底板水文地質(zhì)綜合柱狀示意圖(單位：m)

為防治底板灰?guī)r水害，葛泉煤礦先后對11912、11914等工作面煤層底板隔水層及本灰進行全面注漿改造與加固(注漿深度一般為煤層底板以下15 m)，注漿改造與加固完成后，11912首采面2013年回采結束，隨后跳采11914工作面，中間11913孤島工作面于2015年開始回采。孤島工作面兩側均為采空區(qū)，可能出現(xiàn)不同于首采和跳采工作面的底板破壞深度發(fā)育規(guī)律，為了進一步優(yōu)化注漿層位，有效防治孤島工作面底板突水，2015年礦井應用微震監(jiān)測技術對11913孤島工作面回采過程中底板破壞深度進行了實時監(jiān)測。

2 底板破壞深度微震測試

2.1 微震監(jiān)測系統(tǒng)構建

采用KJ959煤礦微震監(jiān)測系統(tǒng)[17]，試驗布置如圖1所示，分別在11913工作面上下兩巷煤柱內(nèi)壁設計施工1.5 m的淺孔，兩巷交叉部署8個微震傳感器，間距約50 m；為提高采動破壞深度在垂向上的定位精度，在工作面上巷鉆進的深孔中埋設4個微震傳感器進行監(jiān)測，垂深16~20 m，微震監(jiān)測系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)測20 d，獲得微震事件881個。

2.2 微震監(jiān)測結果分析

通過對本次微震監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析處理，繪制出11913工作面回采過程中底板破壞微震事件分布投影圖(圖3)。

圖3 11913工作面底板微震事件剖面投影分布圖

如圖3、圖4所示，微震事件數(shù)目隨底板深度的增加呈現(xiàn)出顯著的減少趨勢，11913工作面回采過程中大量的微震事件集中在煤層底板以下垂深0~15 m區(qū)段內(nèi)，占事件總數(shù)的73.67%，0~25 m深度占事件總數(shù)的86.56%，其中15~20 m、20~25 m兩區(qū)段的事件數(shù)分別增加了6.92%與5.97%；而垂深大于25 m以下的微震事件數(shù)目顯著下降，如25~30 m、30~35 m兩區(qū)段的事件數(shù)僅增加了2.79%與2.38%，因此，開采形成最大破壞深度識別為20~25 m。微震主體事件主要集中在11913下巷附近，與文獻[18]中桃園煤礦的監(jiān)測結論一致[18]。結合煤層底板巖性組合特征分析，11913工作面底板采動裂隙已發(fā)育至本溪組灰?guī)r含水層下部，而本溪組灰?guī)r含水層底部賦存較為完整的鋁土質(zhì)粉砂巖、泥巖、粉砂巖等軟弱巖層，微震監(jiān)測結果顯示該軟弱巖層在一定程度上抑制了底板采動裂隙向下延伸。

圖4 底板微震事件分布柱狀圖

3 底板破壞深度數(shù)值模擬分析

3.1 概念模型

根據(jù)葛泉煤礦工作面采掘地質(zhì)條件，構建研究對象的概念模型，上邊界至地表松散層，下邊界至奧灰頂界面以下50 m，將概念模型由下至上概化為奧灰含水層、低滲透巖層、本溪灰?guī)r層、注漿改造層、9號煤層(傾角15°)、基巖層和松散層共7層(圖5)。11912、11913、11914工作面寬度均為80 m，其中11912和11914為已采工作面，老空區(qū)均為積水區(qū)。

圖5 概念模型示意圖

3.2 數(shù)學模型

利用巖體變形與損傷的位移場方程和塑性損傷判據(jù)方程組成的數(shù)學模型，描述煤層開采擾動下底板圍巖應力變化與破壞特征。

巖體變形與損傷的位移場方程表述如下：

式中為切變模量，Pa；為介質(zhì)的泊松比(無量綱)；=2(1)，為介質(zhì)彈性模量，Pa；分別為軸、軸及軸方向的位移，m。

An Empirical Study on the Training of Exhibition Economy & Interdisciplinary Foreign Language Talents——A Case Study of Shunde,Guangdong Province______________________________JIANG Hongmei 73

巖體塑性損傷判據(jù)1采用Mohr-Coulomb準則[19-20]，表述如下：

式(2)為Mohr-Coulomb剪應力破壞準則的一種變換形式，其中1、2、3為3個主應力，Pa；1為有效應力第一不變量，Pa；2為有效應力偏量第二不變量，Pa；，分別與巖石的內(nèi)摩擦角和黏聚力有關。

3.3 數(shù)值模型

利用多物理場數(shù)值模擬軟件COMSOL構建數(shù)值模型，如圖6所示。為了提高計算精度，在煤層、采空區(qū)、煤層底板的本溪灰?guī)r層及低滲透層均進行了加密剖分。

a.初始條件

在采掘活動未發(fā)生以前，煤層應力狀態(tài)保持平衡。在不考慮構造應力的條件下，其垂直與水平應力計算公式如下：

地應力是一種體力，模型中根據(jù)每個單元的埋深分別應用式(8)和式(9)來計算賦值，初始位移為零。

b.邊界條件

定義模型底部為“固定邊界”，限制單元在三維空間上的變形，即位移為0；采寬較模型研究尺度相對較小，模型兩側在水平方向變形基本可以忽略，因而定義為“輥邊界”，即允許邊界單元僅在垂向上有位移產(chǎn)生，水平方向位移為0；地表與采空區(qū)設置為自由邊界。模型主要參數(shù)如表1所示。

圖6 計算機數(shù)值模型(單位：m)

3.4 模擬結果分析

分析采場底板應力分布規(guī)律是研究底板破壞深度和范圍的重要前提[21]。如圖7所示，11912工作面首采條件下，工作面采場上、下部一定范圍內(nèi)應力表現(xiàn)形式從采前的壓應力狀態(tài)轉變?yōu)橄虿煽諈^(qū)的拉應力。受采掘擾動影響，在采場周邊均表現(xiàn)出明顯的應力集中現(xiàn)象，而且在采場兩側最為明顯，壓應力最大值出現(xiàn)在11912工作面下巷煤柱附近，約6×106N/m2；隨著埋深相對較大的11914工作面跳采后，壓應力最大值出現(xiàn)在11914工作面下巷煤柱附近，增加至6.7×106N/m2；11913孤島工作面形成后，壓應力最大值出現(xiàn)在11913工作面下巷煤柱附近，驟增至1.7×107N/m2(表2)。

圖7 11912、11914、11913工作面開采條件下圍巖采動應力與底板破壞特征

表2 圍巖體應力與破壞深度特征值

煤層開采形成底板塑性損傷區(qū)，最大深度出現(xiàn)在工作面煤巖柱兩側[22]，微震監(jiān)測和模擬結果均顯示，左側下巷煤巖柱受到的塑性損傷范圍稍大于右側上巷，主要是因為煤層自身傾角造成了上覆地層向兩側煤巖柱施壓強度不同。如表2所示，11912工作面首采條件下，采動造成底板最大塑性破壞深度位于11912工作面下巷，約為10.93 m；11914工作面跳采后，模擬得出最大破壞深度位于11914工作面下巷，最大深度約為11.56 m，可見11914跳采對11912工作面底板破壞影響不大，首采與跳采工作面采動形成的底板破壞深度僅發(fā)育至注漿改造層內(nèi)。11912首采與11914跳采工作面底板破壞深度的模擬結果，與2007年葛泉煤礦11912首采工作面通過底板應力應變觀測與壓水試驗得出破壞深度11.87~12.40 m的成果較為一致[23-24]，說明基于COMSOL有限元數(shù)值分析成果的可靠性較高。

與首采、跳采工作面相比，11913孤島工作面形成后，由于受相鄰11912與11914工作面重復開采擾動，煤柱兩側應力集中程度與底板破壞深度增加明顯，底板破壞最大深度在形成孤島后延伸至23.5 m，與微震識別得出的11913工作面最大破壞深度20~25 m結果基本一致，底板破壞深度已發(fā)育至煤層底板富水性中等、厚度較薄的本溪灰?guī)r含水層底部。另外由圖7可以看出，11913孤島工作面底板破壞在奧灰含水層頂部的鋁土質(zhì)泥巖、粉砂巖類軟弱地層內(nèi)延伸受阻，說明軟弱巖層對煤層采動底板破壞發(fā)育深度有明顯的抑制作用，降低了強富水奧灰?guī)r溶水沿采動裂隙的突水威脅。

4 結論

a.通過KJ959煤礦微震監(jiān)測系統(tǒng)測試結果顯示，邢臺葛泉煤礦11913孤島工作面回采過程中微震事件主要發(fā)生在該工作面下巷，識別其最大破壞深度為20~25 m。

b.通過11912首采、11914跳采及11913孤島3種回采條件下圍巖體采動應力與底板破壞規(guī)律對比分析，首采與跳采條件下煤柱應力集中狀態(tài)變化不大，最大破壞深度小于11.56 m，發(fā)育至礦井注漿改造加固層內(nèi)部；而孤島回采條件下，受到重復采動影響，工作面兩側煤柱應力集中驟增，最大破壞深度劇增至23.5 m，已發(fā)育至煤層底板的本溪灰?guī)r含水層。

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Microseismic test and numerical simulation analysis of floor failure depth of isolated coal mining face

ZHAO Chunhu1,2

(1. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China; 2. Shaanxi Key Laboratory of Coal Mine Water Hazard Control, Xi’an 710077, China)

Aiming at the damage of coal seam floor caused by mining in isolated coal mining face, taking 11913 isolated coal mining face in Gequan coal mine of Hebei Province as the research object, and using KJ959 coal mine microseismic monitoring system to detect the floor failure depth. It is recognized that the microseismic events mainly occur in the roadway of the isolated coal mining face during the mining process, and the maximum vertical failure depth is about 20~25m; Moreover,using the COMSOL multi-physical field numerical simulation platform, the variation of in-situ stress and failure law of coal seam floor under the conditions of 11912 first coal mining face, 11914 jumping coal mining face and 11913 isolated coal mining face are analyzed. The simulation results show that the in-situ stress concentration state of coal pillars under the conditions of 11912 first mining face or 11914 jumping mining face has little change, and the maximum failure depth is less than 11.56 m, which only develops into the interior of grouting reformation layer. Under the condition of 11913 isolated mining face, the in-situ stress concentration state of coal pillars on both sides of mining face increases sharply due to the influence of repeated mining in mining faces 11912 and 11914, and the maximum failure depth increases to 23 m, which has extended to Benxi limestone aquifer of coal seam floor. The conclusion has certain reference value for the study of floor failure law of North China type coalfield and the selection of grouting transformation horizon under different mining conditions.

isolated coal mining face; failure depth; repeated mining; microseismic numerical simulation; Gequan coal mine; Xingtai of Hebei

TD32

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.04.017

1001-1986(2019)04-0110-07

2019-02-22

國家重點研發(fā)計劃項目(2017YFC0804103)；天地科技股份有限公司科技創(chuàng)新基金項目(2018-TD-MS069)；煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室開放基金(SHJT-16-30.9)；中煤科工集團西安研究院有限公司創(chuàng)新基金項目(2018XAYZD13-1，2017MS007)

National Key R&D Program of China(2017YFC0804103)；Science and Technology Innovation Fund of Tiandi Science and Technology Co. Ltd.(2018-TD-MS069)；Open Fund of State Key Laboratory of Water Resources Protection and Utilization in Coal Mining (SHJT-16-30.9)；Science and Technology Innovation Fund of Xi’an Research Institute of CCTEG(2018XAYZD13-1，2017MS007)

趙春虎，1981年生，男，陜西扶風人，博士，副研究員，從事礦井水害防治與礦區(qū)水環(huán)境保護研究工作.E-mail：zhaochunhu@cctegxian.com

趙春虎. 孤島工作面底板破壞深度微震測試與模擬分析[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2019，47(4)：110–116.

ZHAO Chunhu. Microseismic test and numerical simulation analysis of floor failure depth of isolated coal mining face[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(4)：110–116.

(責任編輯 周建軍)