王 強(qiáng)

【晉能控股山西科學(xué)技術(shù)研究院有限公司（大同）技術(shù)中心 山西 大同 037000】

0 序言

煤層開采引起的集中應(yīng)力會(huì)造成底板的破壞，底板應(yīng)力場(chǎng)及破壞深度的研究是底板承壓水突水研究的基礎(chǔ)[1-2]，有學(xué)者做過相似研究得出距煤層底板的距離不同，其位移與應(yīng)力變化的頻度和幅度也不同，一般情況下距煤層底板10 m～15 m 的范圍內(nèi)變化最劇烈[3]。但對(duì)于同忻礦的特厚煤層來說，上述情況不一定適用，因此開展本項(xiàng)研究。

1 工程背景

同忻礦太原組特厚煤層延深后，綜放開采礦壓對(duì)底板作用程度逐漸增強(qiáng)和受底板水壓威脅明顯增大，所面臨的巷道支護(hù)、工作面底板管理和底板突水威脅也是越來越嚴(yán)重和復(fù)雜。同忻礦8209 工作面四周為實(shí)煤區(qū)，不存在同層水患的影響，水文地質(zhì)類型為中等類型，開采3-5#煤層底板灰?guī)r水主要是奧灰含水層。

2 數(shù)值模擬模型建立

根據(jù)煤層開采情況，結(jié)合鉆孔資料，將研究區(qū)內(nèi)巖層按巖性和完整性劃分為粉砂巖、高嶺巖、砂質(zhì)泥巖、8#煤、泥巖、礫巖、中細(xì)粒砂巖、含礫粗砂巖、6#煤、C3-5#煤、細(xì)礫巖、粗砂巖、中粗粒砂巖和細(xì)砂巖14個(gè)工程地質(zhì)巖組，從下到上劃分為30 層地層，各巖層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。工程地質(zhì)模型空間上覆巖土層埋深300 m，沿走向長(zhǎng)度取300 m，高度取172 m，C3-5#煤厚取平均值18 m。四周各留設(shè)50 m的保護(hù)煤柱，開采長(zhǎng)度200 m，寬度200 m，根據(jù)研究區(qū)的地質(zhì)測(cè)繪成果，構(gòu)建地質(zhì)體數(shù)值模型。模型共劃分出82 800 個(gè)單元，89 373個(gè)節(jié)點(diǎn)。

表1 計(jì)算模型中工作面頂?shù)装宓貙游锢砹W(xué)參數(shù)

3 底板變形破壞變化特征

僅僅改變煤層厚度其他工程條件不變，采用煤層采厚14 m、16 m、18 m和20 m做出4個(gè)數(shù)值模擬，觀察不同采厚對(duì)底板采動(dòng)破壞程度的變化。工作面推過200 m 后，采空區(qū)底板塑性區(qū)主要類型為拉張屈服破壞，而剪切屈服主要出現(xiàn)在采空區(qū)四周的支撐煤壁處，采空區(qū)中部的煤層底板出現(xiàn)局部拉張屈服。在工作面下方底板破壞深度形態(tài)逐漸變?yōu)閮深^高、中間低的“倒馬鞍”形，如圖1所示。剪切屈服區(qū)出現(xiàn)在開切眼和停采線的斜上方和斜下方的原因就是這些部位是剪應(yīng)力集中的部位。

圖1 完全開采剖面下方不同采厚塑性區(qū)圖

塑性破壞區(qū)的發(fā)展變化會(huì)對(duì)底板的力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響，進(jìn)一步發(fā)展下去形成的剪切裂隙帶和拉張屈服帶，使得在底板隔水層中導(dǎo)水裂隙的發(fā)育，并會(huì)降低底板隔水層的隔水作用。隨著工作面的推進(jìn)，塑性區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，底板中的破壞范圍也逐漸擴(kuò)大。對(duì)比不同采厚的底板塑性區(qū)圖（圖1）。可以發(fā)現(xiàn)，隨著采厚增加，塑性區(qū)僅在橫向上發(fā)展擴(kuò)大，而底板縱向上基本保持不變，即底板破壞深度不變。

對(duì)比煤層底板下不同深度塑性區(qū)發(fā)育情況（圖2）可以看出，至距煤層底板以下22 m時(shí)采動(dòng)礦山壓力對(duì)煤層底板的影響已較為微弱，僅僅在工作面四個(gè)拐角煤柱底板發(fā)生剪切破壞；至距煤層底板23 m時(shí)煤層底板已不受采動(dòng)破壞的影響。對(duì)比不同采厚至底板以下22 m 的塑性區(qū)圖可知，隨著采厚增加，底板采動(dòng)破壞程度增強(qiáng)，但僅以水平方向破壞為主導(dǎo)。

圖2 煤層不同采厚底板不同深度塑性區(qū)發(fā)育圖

圖 1、圖 2 中：zone 表示采區(qū)，zone 表示采區(qū)，plane：on 表示截平面，colorby：state-average 表示顏色渲染：普通狀態(tài)，none-無變化區(qū)域，shear-n 表示現(xiàn)在剪切破壞區(qū)域，shear-p 表示過去剪切破壞區(qū)域，tension-n 表示現(xiàn)在拉伸破壞區(qū)域，tension-p 表示過去拉伸破壞區(qū)域。

綜合對(duì)比以上應(yīng)力、塑性區(qū)特征情況可知，同忻礦8209 工作面特厚煤層綜放開采數(shù)值模擬底板破壞深度止于22 m。

4 相互印證及結(jié)論

查閱2019年修編的《晉能控股集團(tuán)有限公司同忻礦礦井水文地質(zhì)類型劃分報(bào)告》，根據(jù)研究區(qū)附近的1102#鉆孔資料，該孔揭露3-5#煤層底板到奧灰含水層頂板間距（M）約70.19 m，奧灰水位標(biāo)高1 005 m，水壓（P）1.53 MPa。

根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》附錄五中突水系數(shù)計(jì)算公式：

式中：T—突水系數(shù)，MPa/m；

M—底板隔水層厚度，m；

P—底板隔水層承受的實(shí)際水頭值，MPa；水壓應(yīng)當(dāng)從含水層頂界面起算，水位值取近3 年含水層觀測(cè)水位最高值。

則根據(jù)公式（1）可得研究區(qū)3-5#煤層奧灰突水系數(shù)0.022 MPa/m，突水系數(shù)小于有構(gòu)造地段經(jīng)驗(yàn)值0.06 MPa/m，為安全區(qū)，奧灰含水層在完整地段對(duì)回采基本上無突水危險(xiǎn)性影響。

但根據(jù)前面的綜合分析，研究區(qū)采動(dòng)破壞帶深度止于22 m，這意味著3-5#煤層底板下22 m深度范圍內(nèi)巖層因受采動(dòng)礦壓作用破壞了，不具有阻水能力。故安全起見，需要把公式（1）中的分母M 用有效隔水層厚度（M-Mc）重新進(jìn)行奧灰突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，Mc=22 m，即可按公式（2）進(jìn)行評(píng)價(jià)：

則可得研究區(qū)域3-5#煤層奧灰突水系數(shù)0.032 MPa/m，該突水系數(shù)仍有構(gòu)造地段經(jīng)驗(yàn)值0.06 MPa/m，為安全區(qū)，奧灰含水層在完整地段對(duì)回采基本上無突水危險(xiǎn)性影響。

則可得結(jié)論：通過四個(gè)不同位置縱斷面采動(dòng)底板豎直應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)四個(gè)監(jiān)測(cè)斷面均表現(xiàn)為越接近煤層底板，豎直應(yīng)力增量越大，越向深部變化量越小，距離煤層底板22 m 時(shí)，豎直應(yīng)力增量已基本變化不大，說明基本亦不受采動(dòng)影響，由此推測(cè)該條件下采動(dòng)底板破壞深度止于22 m。將所得結(jié)論應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)，帶壓開采對(duì)底板破壞帶無任何影響，進(jìn)一步驗(yàn)證了結(jié)論是正確的。