王宇坤 魏中舉 馮紹輝 杜衛(wèi)東 謝帥 肖念波

摘要：文章通過(guò)結(jié)合彈塑性理論和巖體力學(xué)對(duì)近距離高承壓水上采煤下伏煤巖層破壞的深度和影響因素進(jìn)行分析，并結(jié)合膏體充填開采等價(jià)采高理論和等效巷道的時(shí)空性，分別對(duì)11607膏體充填工作面底板應(yīng)力分布特征、破壞深度進(jìn)理論分析和計(jì)算。根據(jù)11607工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，采空區(qū)充填之前頂?shù)装逡平吭?00～300mm之間，充填體壓縮率小于1%，要求現(xiàn)場(chǎng)充填后欠接頂量為0。相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式計(jì)算得試驗(yàn)充填工作面的等價(jià)采高在390 ～ 490 mm之間。經(jīng)等價(jià)采高理論計(jì)算可知，初步判定試驗(yàn)工作面下伏煤巖層破壞的深度在2.5 ～ 3.0 m之間。

關(guān)鍵詞：承壓含水層;底板破壞;機(jī)理分析;深度計(jì)算

引言

雖然近年來(lái)我國(guó)對(duì)于清潔能源進(jìn)行了大力開發(fā)和研究，但我國(guó)的主要能源依然以煤炭資源為主的格局在未來(lái)的幾十年里估計(jì)不會(huì)發(fā)生改變。據(jù)此，為了實(shí)現(xiàn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的可能持續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)能源的清潔和合理開采勢(shì)在必行。我國(guó)煤炭工業(yè)經(jīng)過(guò)百余年的發(fā)展，長(zhǎng)期以來(lái)貫行優(yōu)先開采優(yōu)質(zhì)、賦存條件較好的煤層，隨著埋深較淺的煤層被大量采完，我國(guó)多數(shù)煤礦被迫進(jìn)入深部進(jìn)行采煤，目前我國(guó)許多煤礦的采深已經(jīng)超過(guò)千米。但隨著煤礦采深的增加，沖擊礦壓、地?zé)帷⒚号c瓦斯突出、底板突水等礦井災(zāi)害也大量增加，這對(duì)于煤礦的安全高效開采構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅[1-4]。煤層下伏煤巖含水層突水的主要原因是煤層間隔奧陶系灰?guī)r距離小，煤層開采后受采動(dòng)影響對(duì)下伏煤巖隔水層造成了破壞進(jìn)而引發(fā)底板突水。目前我國(guó)煤礦下伏煤巖層突水的問(wèn)題非常突出，在我國(guó)華北、華南大部分煤田和少部分新生和中生代煤田，這幾類煤田的地層中大量含水，而且含水巖層的影響范圍較廣，對(duì)煤礦安全高效開采構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。隨著煤礦采深的增加，復(fù)雜的礦井地質(zhì)水文條件，加上煤層下伏石炭和寒武系中含水層的水壓的增加，以及煤層下伏含水層厚度的降低，發(fā)生沖擊礦壓、地?zé)?、煤與瓦斯突出、底板突水等礦井災(zāi)害的機(jī)率也大大增加，對(duì)煤礦安全高效開采構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。

1工程概況

某煤礦試驗(yàn)工作面東部與大務(wù)屯村相距44 m，東南方向與辛莊村相距450 m，東北方向與西王村相距209 m，工作面范圍內(nèi)地面以農(nóng)田為主，在東西方向有高壓線鄰近工作面通過(guò)。工作面設(shè)計(jì)傾斜和走向平均長(zhǎng)度分別為120 m、1000 m。工作面地面標(biāo)高在+37.1 ～ +41.4 m之間，平均標(biāo)高為+40.3 m;工作面底板標(biāo)高在-443.5m ～ -516.9m之間，平均標(biāo)高為 -501.3 m。工作面埋深在480.6 ～ 558.3 m之間，平均埋深541.6 m。工作面內(nèi)16號(hào)煤層厚度在1.65～2.35 m之間，平均煤厚2.16 m，平均傾角12°，煤層局部含細(xì)粒砂巖夾矸，厚度在0.10 ～ 0.27 m之間。工作面井下東南方向相距11605皮帶巷約為60 m，東北方向?yàn)?160膠帶上山，西北方向相距11609軌道巷約為45 m。

2承壓水上采煤底板破壞深度分析

一定范圍的煤層底板受載后，當(dāng)其表面的荷載超過(guò)某臨界荷載時(shí)，煤層下伏煤巖層在一定深度內(nèi)將形成塑性區(qū)，該區(qū)域內(nèi)煤巖體發(fā)生塑性變形。一定范圍內(nèi)的底板巖體承受最大載荷Pm而導(dǎo)致破壞時(shí)，底板巖體塑性區(qū)在荷載作用范圍內(nèi)的將連成片，導(dǎo)致底板發(fā)生底鼓變形，向采空區(qū)內(nèi)移動(dòng)變形的底板巖體，將產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)的 。魏西克[81]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)開采實(shí)際，通過(guò)壓力試驗(yàn)測(cè)試，提出了計(jì)算巖體塑性滑移時(shí)巖體的承載極限理論公式。張金才[82]通過(guò)對(duì)魏西克公式的補(bǔ)充和修改，提出了更合理的計(jì)算底板巖體的承載極限理論公式[5-8]：

當(dāng)工作面未采用膏體充填開采時(shí)，實(shí)際采高m與其等價(jià)采高md相等，據(jù)此，將xa代入公式（4），便可求出煤層下伏煤巖層的塑性區(qū)最大深度h。當(dāng)工作面采用膏體充填開采時(shí)，要計(jì)算工作面下伏煤巖層破壞的深度，除了考慮工作面煤巖體力學(xué)參數(shù)外，還需要考慮膏體充填工作面等價(jià)采高md，下面將對(duì)md計(jì)算方法進(jìn)行分析。

3 膏體充填開采等價(jià)采高分析

根據(jù)膏體充填開采等價(jià)采高計(jì)算模型如圖3所示，工作面采用膏體充填開采的等價(jià)采高組成主要包括三個(gè)部分：1）充填體欠接頂量Δ，其產(chǎn)生的主要原因是充填工藝和技術(shù)的不足;2）頂?shù)装逡平喀模捎诿簩颖徊沙龊竺簬r層的原始狀態(tài)被打破，造成巖層發(fā)生協(xié)調(diào)變形和移動(dòng)構(gòu)成;3）充填體的變形量S，該變形量具體又包括兩部分：充填體承受采空區(qū)上覆煤巖層自重壓力而發(fā)生的壓縮變形S1和充填體固化凝結(jié)過(guò)程中發(fā)生泌水導(dǎo)致的收縮變形S2，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，膏體充填材料在固化凝結(jié)過(guò)程中基本不會(huì)發(fā)生泌水，采空區(qū)圍巖能吸收一定的泌水，所以在計(jì)算充填體變形的時(shí)候不考慮充填體泌水導(dǎo)致的收縮變形。

工作面采用膏體充填開采的等價(jià)采高md，則md=δ+Δ+S，由于不考慮充填泌水導(dǎo)致的變形，所以式中充填體的壓縮變形等于充填的變形。假定充填體壓縮率為η，則其壓縮量為S2=η×h，據(jù)此，推導(dǎo)出理論計(jì)算等價(jià)采高md的公式[5-8]如下：

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工作面的開采實(shí)際，工作面平均埋深為514.6m，工作面平均割煤高度為2.16m。采空區(qū)充填之前頂?shù)装逡平喀脑?00～300mm之間，充填體壓縮率為η小于1%，要求現(xiàn)場(chǎng)充填后欠接頂量Δ為0。相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式（6）計(jì)算得：11607充填工作面的等價(jià)采高md在390 ～ 490 mm之間。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工作面的開采實(shí)際可知，16號(hào)煤層評(píng)價(jià)埋深H為514.6 m，煤體內(nèi)摩擦角φ約為25°，煤體內(nèi)聚力Cm約為0.5 MPa，等價(jià)采高md為0.39 ～ 0.49 m，應(yīng)力集中系數(shù)n小于4，底板φ0為45°，巖層平均容重γ為2500kN/m3。將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入（5）公式得：

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：王宇坤（2001.01）男，漢族，貴州盤州市人，在讀本科學(xué)生，主要從事采礦工程專業(yè)方面的學(xué)習(xí)和研究。

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：202110977017）