張大歡,付寶杰
(1.淮南礦業(yè)(集團(tuán))公司,安徽 淮南232001,2.安徽理工大學(xué),能源與安全學(xué)院,安徽 淮南232001)
華北石炭二疊系煤田是我國(guó)重要的產(chǎn)煤區(qū)之一,這部分煤炭產(chǎn)區(qū)最下部煤組底板賦存有豐富的太原組灰?guī)r含水層及奧陶紀(jì)灰含水層,一般與煤層間距30~100 m,容易形成底板突水。承壓水上煤層開(kāi)采的主要方法有2種[1]:一是強(qiáng)力抽水卸壓;二是工作面承受一定水壓力進(jìn)行開(kāi)采。為減少對(duì)煤層底板擾動(dòng)破壞,降低開(kāi)采強(qiáng)度是行之有效的方法之一[2],對(duì)于厚煤層,采用分層開(kāi)采可以減小采動(dòng)應(yīng)力對(duì)煤層底板的影響程度,底板隔水層破壞深度也會(huì)減少,這方面理論及實(shí)踐研究成果較豐富[3-6],但2種開(kāi)采方式下煤層底板的破壞特征或破壞裂隙發(fā)育規(guī)律卻少有人進(jìn)行對(duì)比研究。
為對(duì)比分析承壓水體上厚煤層不同開(kāi)采方式底板巖層裂隙發(fā)育、擴(kuò)展、貫通的動(dòng)態(tài)過(guò)程,鑒于相似試驗(yàn)具有直觀性強(qiáng)、靈活性高、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn),可以形象地描述受采動(dòng)影響下煤層底板變形、破裂過(guò)程,通過(guò)對(duì)比分析開(kāi)采方式對(duì)底板導(dǎo)水裂隙發(fā)育規(guī)律的影響,為承壓水上煤層開(kāi)采方案設(shè)計(jì)提供參考。
淮南潘謝礦區(qū)A組煤由于儲(chǔ)量豐富、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、發(fā)熱量高等優(yōu)點(diǎn),為礦井創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。A組煤主要由A1和A3兩煤層組成,其中A1煤層均厚3.78 m,A3煤層均厚5.07 m,2個(gè)煤層之間有1~5 m夾層,局部合成特厚煤層,煤層埋深約為500 m。但由于該煤組底板賦存有灰?guī)r強(qiáng)含水層,開(kāi)采過(guò)程中,主要是太原組3灰含水層對(duì)A組煤安全回采構(gòu)成威脅,3灰水壓約4.5 MPa,具體如柱狀圖1所示。
按圖1所示柱狀,設(shè)計(jì)并實(shí)施了2種相似材料模擬試驗(yàn)方案,旨在分析不同開(kāi)采方式對(duì)底板破壞規(guī)律,了解底板隔水層圍巖變形、裂隙擴(kuò)展特征。
圖1 巖層柱狀
模擬試驗(yàn)方案一:一次采全高(A3+夾矸+A1),在3灰?guī)r層下部放置壓力水袋,水袋在模型最下部。
模擬試驗(yàn)方案二:逐層開(kāi)采,先上后下,即先開(kāi)采A3,待覆巖穩(wěn)定后再開(kāi)采A1,3灰中壓力水袋布置與方案一中相同。
本次試驗(yàn)主要按模型鋪設(shè)、試驗(yàn)準(zhǔn)備和承壓水上開(kāi)采3個(gè)階段進(jìn)行。
在模型鋪設(shè)階段,首先調(diào)整好模型架,將一定比例的各種相似材料鋪在模型中模擬實(shí)際巖層,各巖層之間用云母粉加以分隔,為實(shí)現(xiàn)含水層上開(kāi)采的承壓效果,在C3灰?guī)r層中安設(shè)壓力水袋。在試驗(yàn)前準(zhǔn)備階段,用白色涂料將模型表面粉刷,并用黑色墨線標(biāo)出5 cm×5 cm的網(wǎng)格,可以更好的監(jiān)測(cè)煤層開(kāi)采后采場(chǎng)圍巖變形破壞過(guò)程。
模型養(yǎng)護(hù)7~10d達(dá)到要求后,應(yīng)將重力加載、變形測(cè)試、電法測(cè)試系統(tǒng)及時(shí)安裝,然后進(jìn)入承壓水上開(kāi)采階段。開(kāi)采時(shí),在模型上邊界布置6個(gè)千斤頂補(bǔ)充地層壓力3.5 MPa。按應(yīng)力相似比,為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)4.5 MPa水壓以煤層底板的作用,通過(guò)調(diào)節(jié)水頭高度,使得水袋壓力達(dá)到0.027 MPa。
模型設(shè)計(jì)開(kāi)切眼距離模型左邊界60 cm,停采線距模型右邊界60 cm。每次2 h開(kāi)挖5 cm,近似于實(shí)際工作面推進(jìn)5 m。整體模型如圖2所示。
圖2 相似模型
通過(guò)相似模擬實(shí)驗(yàn),得出了A1、A3 2個(gè)煤層同時(shí)開(kāi)采及逐層開(kāi)采時(shí),采場(chǎng)底板裂隙演化規(guī)律,據(jù)此總結(jié)了不同開(kāi)采方式下底板隔水層破壞特征:
1)工作面采用不同開(kāi)采方式時(shí),底板產(chǎn)生裂隙時(shí)間不同,但產(chǎn)生裂隙的方位和裂隙的類型大體一致,基本在采空區(qū)中部,巖層受拉產(chǎn)生豎直方向的張開(kāi)裂隙;隨工作面推進(jìn)距離增加,底板應(yīng)力卸載程度及卸載壓范圍增大,在含水層附近沿層理方向出現(xiàn)順層裂隙,在停采線位置,順層裂隙斜向上發(fā)育形成穿層裂隙。
圖3 一次采全高工作面底板裂隙分布
2)2層煤同采時(shí),受采動(dòng)應(yīng)力及底板水壓作用,底板破壞程度較逐層開(kāi)采時(shí)更為充分,底板破壞過(guò)程更加明顯。A1、A3兩煤層同時(shí)開(kāi)采時(shí),3種形態(tài)裂隙相互貫通,工作面底板3灰承壓水突水危險(xiǎn)性增加。
圖4 開(kāi)采上分層時(shí)底板裂隙分布
3)逐層開(kāi)采下煤層時(shí),重復(fù)采動(dòng)使得煤層頂板隨采隨冒,采空區(qū)中煤層底板在較短時(shí)間被上覆垮落巖層壓實(shí),致使上煤層開(kāi)采時(shí)已產(chǎn)生的裂隙部分閉合(見(jiàn)圖5)。
圖5 開(kāi)采下分層時(shí)底板裂隙分布
4)根據(jù)二次試驗(yàn)結(jié)果得出的底板裂隙分布規(guī)律,總結(jié)出不同開(kāi)采方式下底板破壞分區(qū)。
2個(gè)煤層一次同采的底板裂隙分布:靠近煤層底板12~13 cm范圍形成豎向裂隙帶;向下6~7 cm范圍形成斜向穿層裂隙帶;再向下4~5 cm為順層裂隙帶。所形成3種形態(tài)裂隙相互貫通,嚴(yán)重威脅工作面安全回采。具體劃分如圖6所示。
圖6 一次采全高底板裂隙帶分布
逐層開(kāi)采時(shí),底板破壞裂隙分布如圖7所示。底板自上而下分4個(gè)區(qū)域,與2個(gè)煤層同時(shí)開(kāi)采相比,新增了底板巖層損傷帶,可以看作底板有效隔水巖層厚度,這也就意味著逐層開(kāi)采時(shí)底板受采動(dòng)應(yīng)力影響較小,底板裂隙未完全貫通,該開(kāi)采方式對(duì)底板突水事故的發(fā)生能起到有效預(yù)防作用。
圖7 開(kāi)采下分層底板裂隙帶分布
1)受采動(dòng)應(yīng)力及水壓雙重作用下,近距離厚煤層整體一次開(kāi)采較逐層開(kāi)采對(duì)煤層底板擾動(dòng)影響劇烈,導(dǎo)致底板巖層破壞更加充分,更容易形成底板導(dǎo)通裂隙,發(fā)生工作面突水。
2)工作面開(kāi)采后,先后在煤層底板形成豎向張裂隙、順層裂隙及斜向穿層裂隙,不同的開(kāi)采強(qiáng)度使得3種裂隙發(fā)育范圍及相互溝通程度不同。
3)近距離厚煤層由上而下逐層開(kāi)采時(shí),煤層底板受頂板充分垮落巖層的壓實(shí)作用,使得已產(chǎn)生的裂隙部分閉合,尤其在泥質(zhì)巖層中,彌合的裂隙也將會(huì)阻隔流體。