李連崇，姚成宇，魏廷雙，汪敏華，劉曉國，余國鋒，牟文強

（1.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819；2.淮河能源煤業(yè)分公司，安徽 淮南 231000；3.煤炭開采國家工程技術(shù)研究院 深部煤炭開采與環(huán)境保護國家重點實驗室，安徽 淮南 231000）

隨著我國煤炭資源開采深度逐漸增大，各類礦山安全隱患也隨之嚴峻。其中，在開采擾動影響下采場底板巖體會發(fā)生破裂，當(dāng)采動破壞帶與含水導(dǎo)升帶貫通后，極易發(fā)生突水危害，嚴重威脅礦井生產(chǎn)安全。為此，針對底板破壞帶發(fā)育規(guī)律，國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究[1-5]，首先是傳統(tǒng)理論與算法的結(jié)合，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法以及灰色關(guān)聯(lián)度法等被廣泛用于預(yù)測煤礦底板破壞深度[6-8]，但這系列方法在實踐應(yīng)用中并不完全實用；其次，微震監(jiān)測作為監(jiān)測巖體微破裂的1種手段，常被應(yīng)用于研究煤礦底板巖體微破裂過程以及預(yù)測底板破壞帶深度，其研究結(jié)果可對現(xiàn)場防治水提供理論指導(dǎo)[9-10]，如針對淮南礦區(qū)，劉曉國等基于微震監(jiān)測手段成功實現(xiàn)對礦區(qū)內(nèi)張集煤礦突水危害預(yù)測[11]，而這種方法只是在采動后的底板破壞分析而不能實現(xiàn)采前深度的預(yù)測；再者，數(shù)值模擬軟件分析研究煤礦底板破壞過程及破壞深度具備完全能動性也被廣泛應(yīng)用，其模擬結(jié)果可對計算與測試結(jié)果進行驗證[12-17]，李彩惠基于FLAC3D數(shù)值模擬軟件預(yù)測底板破壞深度，與理論計算、現(xiàn)場測驗結(jié)果相吻合[18]，但是數(shù)值模擬多是利用實測巖性數(shù)據(jù)的簡化分析，不能考慮各方面的影響。因此，考慮復(fù)雜地質(zhì)條件影響，各類結(jié)果對工程現(xiàn)場具有顯著依賴性，經(jīng)驗公式多被直接應(yīng)用于底板破壞計算預(yù)測[19]。但受深部回采的高地應(yīng)力、高水壓及礦區(qū)差異性等影響，傳統(tǒng)經(jīng)驗公式也不再完全適用[1,20]?；诖?，針對淮南礦區(qū)所面臨的深部灰?guī)r水導(dǎo)通威脅，通過搜集礦區(qū)內(nèi)的多個煤層生產(chǎn)地質(zhì)參數(shù)，對傳統(tǒng)經(jīng)驗公式進行了優(yōu)化，并通過案例工作面內(nèi)的數(shù)值計算結(jié)果、微震數(shù)據(jù)及其壓水試驗等進行了驗證，嘗試豐富底板破壞工程應(yīng)用，為煤礦的安全生產(chǎn)提供保障[21-25]。

1 工程概況

1.1 礦井背景

淮南礦區(qū)已陸續(xù)進入A組煤開采，A組煤是礦區(qū)可采煤層最下面的1個層組，含可采煤層1～2層，煤層累厚平均約7m，儲量達17.5 億t，張集煤礦地層分布如圖1。

圖1 張集煤礦地層分布圖Fig.1 Schematic diagram of the stratum section of Zhangji Coal Mine

影響A組煤安全開采的因素很多，而威脅最大的是底板灰?guī)r水，其中石炭系存在3組交互分布的承壓灰?guī)r水，水壓可達到3.2MPa，深部奧陶系灰?guī)r水的水壓超過6MPa。2017年5月礦區(qū)內(nèi)的潘二礦因采掘?qū)е碌装迤茐臄_動陷落柱而引發(fā)突水事故。準確掌握采掘工作面的底板破壞成為防控礦區(qū)災(zāi)害的關(guān)鍵條件，因此對于深部承壓底板破壞帶分布規(guī)律研究勢在必行。張集煤礦作為礦區(qū)內(nèi)千萬級礦井深受承壓水害威脅。該煤礦位于安徽省淮南市鳳臺縣，礦井主要開采A組1#煤，其中1612A工作面位于張集煤礦西三采區(qū)，工作面開采走向約為1400 m，工作面傾斜長度200m，煤層傾角9.5 °，煤層埋深約為-540m，煤層厚度6.3m。工作面底板下存在奧陶系灰?guī)r含水層，石炭系灰?guī)r水有潛在連通奧灰水的可能性，工作面回采存在突水安全隱患。

1.2 工作面底板“下三帶”分布

煤礦底板“下三帶”主要包括底板破壞帶、完整巖層帶、承壓水導(dǎo)升帶，“下三帶”分布示意圖如圖2。

圖2 “下三帶”分布示意圖Fig.2 Schematic diagram of the distribution of the lower three zones

在采場內(nèi)完整巖層帶中的巖體始終保持開采之前的狀態(tài)，即保持阻水性能。但受采動影響，采動所產(chǎn)生的底板破壞帶分布深度會不斷增加，承壓水導(dǎo)升帶中的巖體可以將地下承壓水導(dǎo)升至其上層位的儲水層中，造成含水層的壓力突增，一旦裂隙（破壞帶）貫通含水層，極易發(fā)生突水災(zāi)害。因此，底板破壞帶的層位分布成為決定突水與否的決定因素。那么，在煤礦的開采過程中，底板破壞帶的改變會影響完整巖層帶和承壓水導(dǎo)升帶的分布。由于地質(zhì)條件的差異，而底板破壞帶傳統(tǒng)經(jīng)驗公式計算的結(jié)果與實際結(jié)果偏差較大，所以需要對傳統(tǒng)經(jīng)驗公式進行優(yōu)化以適應(yīng)淮南礦區(qū)分布規(guī)律研究。

張集煤礦1612A工作面底板與奧陶系灰?guī)r含水層的距離約為120m，其中根據(jù)微震及現(xiàn)場鉆孔注水試驗測得的數(shù)據(jù)，底板破壞帶深度大約為30m左右。由于存在鋁土層等天然隔水層，可認為承壓水導(dǎo)升帶為0。通過計算可以得出完整巖層帶為90m左右。傳統(tǒng)“下三帶”理論中，破壞帶計算公式[19]為：h=0.0085H+0.1665 α+0.1079L-4.3579（1）式中：h為破壞帶深度，m；H為煤層埋深，m；α為煤層傾角，（°）；L為工作面傾向長度，m。

將該工作面相關(guān)參數(shù)代入式中，其中H=540m，α=9.5 °，L=200m，得出h=23.39m，與現(xiàn)場注水得出的結(jié)果28m相差較大，因此，傳統(tǒng)破壞帶經(jīng)驗公式并不能完全實現(xiàn)對淮南礦區(qū)A組煤開采底板破壞的有效計算，尤其是針對深部高承壓水礦井底板。

2 淮南礦區(qū)底板破壞分布規(guī)律

淮南礦區(qū)多數(shù)礦井已經(jīng)進入深部A組煤的開采，為此收集了礦區(qū)內(nèi)多個礦井的生產(chǎn)地質(zhì)資料。將收集到的淮南礦區(qū)內(nèi)的8組煤礦數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析，從而得到各主控因素對破壞帶深度的影響特征?；茨系V區(qū)煤礦工作面參數(shù)數(shù)據(jù)見表1。

表1 淮南礦區(qū)煤礦工作面參數(shù)數(shù)據(jù)Table1 Coal face parameters data in Huainan Mining Area

在統(tǒng)計學(xué)分析中，SPSS軟件可用于分析數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性以及聚類分析，偏相關(guān)性分析是指通過控制其他無關(guān)變量來研究自變量與因變量之間的關(guān)系。根據(jù)表格中的數(shù)據(jù)使用SPSS軟件分別將工作面長度、煤層厚度、煤層傾角以及煤層埋深對破壞帶深度進行偏相關(guān)性分析，偏相關(guān)性分析見表2。

表2 偏相關(guān)性分析Table2 Partial correlation analysis

根據(jù)相關(guān)性分析可知，煤層厚度與破壞帶深度的相關(guān)性系數(shù)為0.641 ，顯著性系數(shù)為0.244 。說明煤層厚度與破壞帶深度存在相關(guān)性。同理可知，工作面長度、煤層傾角以及煤層埋深均與破壞帶深度存在一定的相關(guān)性。因此，針對淮南礦區(qū)煤層回采狀況，可以將傳統(tǒng)破壞帶深度計算公式引入煤層厚度參量，將傳統(tǒng)公式進行優(yōu)化。

將收集到的淮南礦區(qū)相關(guān)煤礦數(shù)據(jù)進行回歸分析擬合，回歸分析相關(guān)系數(shù)R2=0.903 。擬合結(jié)果為：

h=0.136L+2.2M+0.836 α+0.012H-28.15（2）

式中：L為工作面傾向長度，m；α為煤層傾角，（°）；M為煤層厚度，m；H為煤層埋深，m。

回歸分析所采用的數(shù)據(jù)均為淮南礦區(qū)500～600 m埋深，100～200m工作面長度的緩傾斜煤層。將回歸分析擬合所用數(shù)據(jù)代入式（2），同時與傳統(tǒng)公式計算結(jié)果及現(xiàn)場實測結(jié)果進行對比，對比結(jié)果見表3。

表3 對比結(jié)果Table3 Comparison results

根據(jù)表3得出的結(jié)果，得出優(yōu)化后公式計算結(jié)果較傳統(tǒng)經(jīng)驗公式計算結(jié)果更為接近現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)。將張集煤礦1612A工作面相關(guān)參數(shù)代入式（2）中，即H=540m，α=9.5 °，L=200m，M=6.3m，得到的結(jié)果為27.33m，而傳統(tǒng)經(jīng)驗公式計算的結(jié)果為23.39 m，現(xiàn)場鉆孔壓水測得結(jié)果為28m。傳統(tǒng)經(jīng)驗公式計算出的結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果相差較大，而優(yōu)化后公式計算出的結(jié)果與其結(jié)果相近似，因此，式（2）在張集煤礦1612A工作面是可用的。

3 1612A工作面底板破壞規(guī)律數(shù)值模擬

根據(jù)張集煤礦1612A工作面生產(chǎn)地質(zhì)資料，利用FLAC3D軟件建立了數(shù)值模型，基于Mohr-Coulomb準則對工作面回采中的底板破壞進行計算分析[26]。張集煤礦1612A工作面傾斜長度約為200m，走向長度約為1338m，取其長度600m。因此將該模型的x設(shè)置為600m（走向），y設(shè)置為400m（傾向），z設(shè)置為254m（深度），開采步距為10m。考慮上覆巖層重力及煤層深度，同時對模型頂部施加垂直向下應(yīng)力8.86MPa，以及底部施加奧陶系灰?guī)r水壓6.25MPa，水壓隨深度增加呈現(xiàn)線性增加。巖層力學(xué)參數(shù)見表4。

表4 巖層力學(xué)參數(shù)表Table4 Table of rock mechanics parameters

對工作面推進290～310m間的圍巖彈塑性區(qū)及應(yīng)力分布進行了模擬分析，工作面推進290m模擬示意圖如圖3，工作面推進310m模擬示意圖如圖4。

圖3 工作面推進290m模擬示意圖Fig.3 Schematic diagrams of simulation with working face advances290m

圖4 工作面推進310m模擬示意圖Fig.4 Schematic diagrams of simulation with working face advances310m

當(dāng)工作面推進290m時，底板破壞深度在工作面傾向兩側(cè)達到了21m，在底板兩端破壞的集中區(qū)內(nèi)破壞帶已有貫通趨勢，如圖3（a）和圖3（b）；同時，在底板的兩端處于高應(yīng)力集中區(qū)、應(yīng)力交界處，因此較大差異性的應(yīng)力加載造成了巖體的拉剪破壞，由此可以解釋底板破壞主要集中在底板兩端，如圖3（c）。當(dāng)工作面推進至310m時，底板破壞深度達到30m，如圖4（a）和圖4（b），底板破壞依舊集中在底板兩端的位置，底板應(yīng)力分布也產(chǎn)生相應(yīng)的變化，如圖4（c）。底板兩端破壞帶雖未貫通，但受深部含水層水壓的影響，在深部層位的巖體內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)了一定的破壞，采動后的底板破壞區(qū)極易與奧陶系灰?guī)r水連通，形成突涌水災(zāi)害的導(dǎo)水通道而誘發(fā)安全事故。

根據(jù)模擬的結(jié)果，得出張集煤礦1612A工作面破壞深度達到了30m左右，并在更深層位存在一定的破壞區(qū)，這與優(yōu)化后的破壞帶傳統(tǒng)經(jīng)驗公式結(jié)果是一致的，驗證了優(yōu)化后的破壞帶計算公式適用于張集煤礦1612A工作面。

4 基于微震監(jiān)測的1612A工作面底板破壞深度

4.1 微震監(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)方案

張集煤礦1612A工作面采用加拿大ESG公司生產(chǎn)的微震監(jiān)測系統(tǒng)。在該工作面建立微震監(jiān)測系統(tǒng)，對工作面頂?shù)装迕簬r破裂進行實時監(jiān)測、定位及分析，考慮到1612A工作面附近斷層的影響，應(yīng)盡可能將微震監(jiān)測傳感器布置在該工作面斷層附近。因此，基于對傳感器的快捷和可行性以及對該工作面附近巷道的考慮，選擇以1612A工作面軌道巷1613A工作面底抽巷作為傳感器安裝的巷道搭配方案。工作面微震布置示意圖如圖5，兩巷道各布置12個傳感器，實現(xiàn)對工作面附近高應(yīng)力煤巖監(jiān)測全覆蓋。形成微震數(shù)據(jù)現(xiàn)場24h實時連續(xù)采集，為煤礦的安全回采提供有力的保障。

圖5 工作面微震布置示意圖Fig.5 Schematic diagram of micro-seismic layout of working face

4.2 基于微震事件分析的底板破壞深度

微震事件平面分布圖如圖6。

1612A工作面自2019年3月1日至11月16日期間，共監(jiān)測到底板微震事件3008個。在2019年3月至2019年11月期間，由于受采動影響，微震事件逐漸增加，達到高密度集中狀態(tài)，1612A工作面頂?shù)装寰艿搅瞬煌潭鹊钠茐?。因此，巖體會產(chǎn)生大量的破裂，底板破裂帶迅速發(fā)育，影響該工作面底板“下三帶”分布。

在圖6（b）微震事件密度云剖面圖中可以看出，微震事件密度最大處在距離地面-570～-580m左右，1612A工作面煤層埋深為540m。因此，微震事件密度最大處位于工作面底板下30～40m之間。

圖6 微震分布示意圖Fig.6 Schematic diagrams of micro-seismic distribution

運用統(tǒng)計學(xué)分析軟件SPSS對1612A工作面自2019年3月1日至11月16日期間所有的底板微震事件進行頻率分析。頻率分析示意圖如圖7。

圖7 頻率分析示意圖Fig.7 Schematic diagram of frequency analysis

由圖7可知，微震事件密度最大處為30～40m之間，主要集中在底板下35m范圍內(nèi)，結(jié)合現(xiàn)場注水測得破壞帶深度為28m，微震監(jiān)測結(jié)果表明過35m后仍存在微震事件，存在損傷分布遞減區(qū)和微破裂零星分布區(qū)。原因在于在微震事件未出現(xiàn)呈簇分布而破裂點未貫通，存在零星分布的區(qū)域，這與數(shù)值模擬中潛在導(dǎo)水通道破裂點相對應(yīng)（圖3（a））。由此分析得出底板破壞帶的深度為30～35m之間，再次驗證了優(yōu)化后破壞帶計算公式的合理性。

5 結(jié) 語

1）基于淮南礦區(qū)多個煤層生產(chǎn)地質(zhì)參數(shù)，回歸分析擬合出符合淮南礦區(qū)的破壞帶分布規(guī)律的計算公式。該擬合公式適用于淮南礦區(qū)埋深在500～600 m左右，工作面傾向長度在100～200m左右的緩傾斜煤層，有利于煤礦防治水措施的制定。

2）通過現(xiàn)場鉆孔注水測得的破壞帶深度約為28 m，與計算結(jié)果吻合；同時，將該工作面運用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進行計算，得出的塑性區(qū)即破壞帶深度約為30m，結(jié)合1612A工作面微震監(jiān)測系統(tǒng)，聚類分析微震事件空間分布特征，得出的破壞帶深度為30～35m。3種手段相互驗證，得出優(yōu)化的破壞帶公式具有合理性。