葛泉礦帶壓開采下組煤底板破壞深度探測研究

徐玉增

(冀中能源金牛股份公司葛泉礦,河北省邢臺市,054000)

葛泉礦于1989年建成投產,設計生產能力為60萬t/a,經過20多年的開采,上組煤開采殆盡,為了解放下組煤資源以延長礦井服務年限,葛泉礦開展了下組煤試采工程,主采9#煤層。然而9#煤層的帶壓開采,受到礦山壓力及奧灰強含水層承壓水的雙重影響,采動后煤層底板的應力集中與釋放將造成煤層底板破壞,形成新的次生裂隙和滲透性通道,使底板隔水性發生明顯改變,增大了誘發底板奧灰突水事故的概率。而煤層底板破壞深度的大小直接影響著煤層底板的有效隔水層厚度。本文以葛泉礦下組煤首采工作面為例,對底板加固條件下,帶壓開采9#煤煤層底板的破壞深度進行探測研究,研究結果對于正確評價開采時煤層底板突水的可能性,制定工作面的防治水方案,具有十分重要的指導意義。

1 工作面概況

下組煤首采工作面位于西翼運輸大巷上方,地面標高101.2～102.6 m,開采標高為-50～-140 m,走向長度75 m,傾斜長約410 m。主采的9#煤層平均厚度5.3 m,傾角約10°。工作面總體構造形態為一單斜構造,工作面巷道掘進階段共揭露斷層9條,落差在5 m以上的斷層1條,其余均為落差小于2 m的小斷層,表現為北東向正斷層,揭露后均干燥無水。首采工作面采用綜合放頂煤開采工藝,頂板管理方式為全部頂板垮落法。

首采工作面下部的本溪灰巖裂隙發育程度較高,裂隙密集發育段可直達9#煤層底板,阻水性能一般,本溪灰巖含水層與奧陶系灰巖含水層之間局部存在水力聯系,使本溪灰巖含水層富水性增強并局部存在導升高度,具有底板突水的危險性。為使首采工作面具備帶壓開采的條件,對工作面底板隱伏導水裂隙帶進行了注漿加固,補強其阻水性能,對本溪灰巖含水層進行全面注漿改造,阻止奧灰水導升裂隙的向上發展。

2 工作面底板破壞深度探測

煤層底板破壞深度受多因素的制約,如:采煤方式、工作面大小、隔水層厚度、巖性組合、開采深度、巖體強度等。這些因素在底板破壞深度中所起的作用是非常復雜的,很難用已有的公式來準確表達。但其作用的結果必然引起底板應變的變化,因此可以利用應變的變化,間接推求底板破壞深度。根據首采工作面具體情況,現場采用底板應變監測來探測煤層底板的破壞深度。

2.1 工程布置

結合首采工作面的具體情況,將觀測孔布置在工作面底板發生變形破壞可能性較大的三個部位,即頂板首次來壓、構造(斷層)發育、停采線附近。考慮到首采工作面的實際情況,在運料巷中相應位置共設計布置4個觀測孔,分別布置距切眼30 m、75 m、150 m和距停采線30 m的位置,如圖1所示,每個觀測孔中安放2～3個應變計,觀測孔所在位置參數見表1。

圖1 首采工作面鉆孔平面布置圖

2.2 施工要求

鉆孔開孔直徑108 mm,下3～5 m套管后,變徑至89 mm后鉆至設計深度。在不同深度依次安放應變傳感器,安放完畢后注漿將鉆孔封堵,使應變傳感器與巖層成為一體。為保證采煤時底板垮落和運料不會對巷道中的信號線造成破壞,需要將信號線穿入鋼管中進行保護。

表1 應變監測孔位置參數一覽表

2.3 監測結果分析

依據在底板不同深度上安裝的應力計隨采面推進所表現出來的變化特征,分析工作面底板破壞特征。現場監測直接獲得的指標是在采動條件下底板一定深度范圍內的每個應力計12個通道的應變值(微應變μ ε),觀測時間共218 d(分段觀測),工作面推進距離384 m,共獲取108組數據。以下針對各個傳感器在底板中絕對應變變化進行分析。

2.3.1 DG1監測結果分析

DG1孔距離切眼30 m,分別在3個不同深度安放了應變傳感器,由淺到深編號為DG1-3、DG1-2、DG1-1。其中DG1-2的信號線因在安放后被錯斷未能取得數據,以下僅對DG1-3、DG1-1的監測結果進行分析。

DG1-3和DG1-1應變傳感器安放到距離煤層底板10 m、14 m處,監測過程中應變與工作面距離關系的曲線見圖2。在監測初始階段DG1-3應變呈下降趨勢,到工作面距離接近DG1觀測孔時(距離切眼30.1 m),應變達到第一個波谷,在工作面推過該觀測孔后應變值開始小幅回升,出現波峰后,應變又呈現下降趨勢直到工作面距超過DG1孔22.6 m。而DG1-1結果變化趨勢正好相反。分析認為,在礦山壓力作用下,隨著工作面的推進,當接近DG1觀測孔時,產生應力集中現象,底板應變值應增大(受壓),而DG1-3實際監測結果與此相反,表明此深度范圍內底板巖體受到一定程度的破壞。DG1-1應變特征反映了正常的底板應力集中、應力釋放和應力恢復過程中壓縮和膨脹現象,表明此深度范圍巖體受采煤的影響較小,底板未發生破壞。綜合分析上述兩個應變傳感器的應變特征認為,在此位置的底板破壞深度應介于10～14 m之間。同時,上述變化也間接反映了初次來壓和周期來壓的特征,分析認為30.1 m為初次來壓位置,周期來壓步距約為18～21 m。

圖2 DG1應變監測結果與工作面推進關系圖

2.3.2 DG2監測結果分析

DG2孔距離切眼75 m,分別在3個不同深度安放了應變傳感器,由淺到深編號為DG2-3、DG2-2、DG2-1,其中DG2-3的信號線因在監測過程中被錯斷未能取得系列數據,以下分別對DG2-2、DG2-1的監測結果進行分析。

DG2-2和DG2-1安放在距離煤層底板15.4 m、18.2 m的位置,監測過程中應變與工作面距離關系的曲線見圖3。觀測初期(距離觀測孔44.9 m,)應變值呈緩慢下降到一次周期來壓(距離觀測孔22.4 m),底板發生較小膨脹變形;隨著工作面的推進,在距離觀測孔22.4～14.8 m距離內,應變值呈逐漸上升趨勢(應力集中所致),之后又呈緩慢下降直到工作面超過觀測孔3.7 m(第二次周期來壓);當工作面推進超過觀測孔3.7 m后應變值又呈平穩變化,總體變化趨勢DG2-2比DG2-1明顯。綜合分析認為,上述變化特征反映了采前和采后應力集中和釋放的過程,表明采動影響下此深度范圍內的底板巖體未遭到破壞,只是發生了較小的彈性變形。

圖3 DG2應變監測結果與工作面推進關系圖

2.3.3 DG3監測結果分析

mDG3孔距離切眼150 m,分別在3個不同深度安放了應變傳感器,由淺到深編號為DG3-3、DG3-2和DG3-1,以下對監測結果進行分析。

DG3孔內各應變傳感器分別距離煤層底板10 m、12 m、14 m。自觀測開始到距離觀測孔10.4 m,DG3-3應變值呈現緩慢上升趨勢,大部分應變仍保持負應變狀態,表明在此期間底板主要以膨脹變形為主。但工作面推至觀測孔時,應變值開始呈下降趨勢直到觀測結束,如圖4所示。上述變化過程表明,該深度范圍內巖體在觀測期間主要受到拉壓力作用,產生的變形主要以膨脹變形為主,分析認為此深度的巖體已遭到明顯破壞。DG3-2、DG3-1自觀測初期應變值呈緩慢下降趨勢,但應變值較大,表明在此過程中此深度范圍內的底板,由初期的壓縮變形向膨脹變形的平穩過渡;當工作面推進距DG3孔10.4 m和2.6 m時,DG3-2、DG3-1應變值達到最小值,表明在此期間底板發生了較大的膨脹變形;隨后應變值又大幅度回升,觀測期間應變最大變幅達5000,隨后工作面推過DG3觀測孔時,應變值又呈持續下降趨勢。上述變化特征,反映了此深度范圍內正常底板巖體變形特征,分析認為此深度底板巖體未遭到破壞。上述3個應變傳感器的應變特征表明,隨著深度的增加底板受采煤的影響逐漸減弱,此位置的底板破壞深度為10～12 m。

圖4 DG3應變監測結果與工作面推進關系圖

2.3.4 DG4監測結果分析

DG4孔距離停采線30 m,分別在兩個不同深度安放了應變傳感器,由淺到深編號為DG4-2、DG4-1,以下分別對監測結果進行分析。

圖5 DG4應變監測結果與工作面推進關系圖

DG4-2距離底板12.5 m,自觀測初期到工作面距離觀測孔14.1 m,大部分通道由開始的正應變轉變為負應變(受拉),表明在此深度的巖體經歷非常明顯的由壓縮到膨脹的快速轉變的過程,表明此深度巖體主要以膨脹變形為主;雖然在工作面距離觀測孔14.1～8.7 m期間應變值發生了短暫的升高,但之后一直到工作面推進到觀測孔,應變值又呈現快速下降趨勢,如圖5所示。上述應變變化過程表明,此深度的底板巖體以膨脹變形為主,分析認為該深度范圍內巖體已遭到破壞。DG4-1距離底板14.5 m,自觀測開始到工作面距離觀測孔8.7 m,應變值呈小幅下降趨勢,隨后應變值又呈上升趨勢,整個過程應變變化較小,基本穩定在初始水平。上述變化過程表明,該深度范圍內巖體在觀測期間未發生破壞。綜合監測結果,確定該位置底板破壞深度范圍為12.5～14.5 m。

3 結論

通過在下組煤首采工作面利用現場應變監測方法對底板加固條件下的煤層底板破壞深度進行探測,取得了大量的試驗數據。通過對數據資料的整理和分析,得出如下結論。

(1)煤層開采的結果必然引起底板應變的變化,通過在采場底板進行應變監測,分析不同深度應變監測值隨工作面推進發生的變化,間接地分析煤層底板巖體的破壞深度。

(2)在靠近切眼和停采線附近應變變化比較劇烈,表明此位置的底板受影響最大,煤層底板的最大破壞深度為12.5～14.5 m。

(3)首采工作面初次來壓步距約30 m,周期來壓步距為18～21 m。

[1] 趙陽升,胡耀青.承壓水上采煤理論與技術[M].北京:煤炭工業出版社,2004

[2] 馮啟言.煤層開采底板破壞深度的動態模擬[J].礦山壓力與頂板管理,1998(3)

[3] 李海梅,關英斌.綜采工作面底板破壞深度的研究[J].礦山壓力與頂板管理,2002(4)

[4] 馮啟言,陳啟輝.煤層開采底板破壞深度的動態模擬[J].礦山壓力與頂板管理,1998(3)