含水層上工作面回采誘發(fā)頂?shù)装迤茐募皯?yīng)力演化規(guī)律試驗(yàn)研究

張培森 魏 杰 王文苗 安羽楓 武守鑫

(1.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東省青島市，266590；2. 礦山災(zāi)害預(yù)防控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東省青島市，266590)

煤層底板水害問題具有影響范圍廣、水量大、危害嚴(yán)重等特點(diǎn)，全國(guó)重點(diǎn)煤礦受水害威脅的礦井達(dá)到將近50%。因此，對(duì)礦井開采過(guò)程中工作面底板破壞機(jī)理進(jìn)行研究具有重要意義。國(guó)內(nèi)關(guān)于煤礦底板突水已有大量研究成果，但目前對(duì)于底板突水機(jī)制的研究多局限于理論分析，而在開采擾動(dòng)及含水層水壓作用下工作面頂?shù)装鍛?yīng)力變化及巖層破壞情況方面仍值得深入研究。

1 模型建立及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 模擬對(duì)象

五溝煤礦F4斷層為三維正斷層，走向NE-NEE，傾角70°，落差0～30 m，位于1016里工作面風(fēng)巷外段及風(fēng)巷外側(cè)，巷道走向與其走向基本一致，與巷道外幫相距30～60 m，控制程度可靠。F5斷層為中型正斷層，傾角65°，落差0～25 m，分別與F6、F4-1兩條斷層于工作面西側(cè)相連接，延伸至礦井外，長(zhǎng)度約1500 m，與1018運(yùn)輸巷相鄰長(zhǎng)度約500 m。

1.2 相似條件及測(cè)點(diǎn)布置

本試驗(yàn)采用二維相似材料模擬試驗(yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)臺(tái)尺寸為1.9 m×0.22 m×1.8 m，模型的幾何常數(shù)比為1∶200；容重相似比為1∶1.5；強(qiáng)度相似比為1∶300。試驗(yàn)所使用的材料為普通河沙、石灰和石膏，河沙的粒徑小于1.5 mm，采用云母鋪設(shè)在分層之間模擬巖層層理結(jié)構(gòu)，斷層帶內(nèi)的充填體采用泥巖進(jìn)行模擬。本次試驗(yàn)在F4斷層垂直方向上不同高度處布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，在1018里工作面靠近F4、F5斷層處分別布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)6距離斷層3 cm，其他各測(cè)點(diǎn)之間間距5 cm。測(cè)點(diǎn)1～3和4～6分別布置在鄰近F5斷層和F4斷層工作面煤層底板處，用以觀測(cè)工作面推進(jìn)時(shí)煤層底板的應(yīng)力變化情況，測(cè)點(diǎn)8～10用來(lái)監(jiān)測(cè)F4斷層上盤界面距離煤層底板10 cm、14 cm和20 cm深度處的垂直向應(yīng)力，測(cè)點(diǎn)11～13用來(lái)監(jiān)測(cè)F4斷層下盤界面10 cm、14 cm和20 cm深度處的垂直向應(yīng)力，測(cè)點(diǎn)同時(shí)位于第一灰?guī)r含水層(以下簡(jiǎn)稱“一灰”)、第二灰?guī)r含水層(以下簡(jiǎn)稱“二灰”)和第三灰?guī)r含水層(以下簡(jiǎn)稱“三灰”)與斷層交點(diǎn)處，模型設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.3 開采方案

該試驗(yàn)在含水層位置放入水袋，并在水袋中注水，水袋充水后會(huì)產(chǎn)生膨脹，以此模擬含水層水壓。制作水袋時(shí)，將水袋兩邊采用膠水密封，同時(shí)用連接器制作一個(gè)進(jìn)水口，用塑料軟管連接進(jìn)水口并延伸到模型外，以便模型開挖前對(duì)水袋注水，水袋一端緊貼斷層鋪設(shè)。模型開挖后，由于采空區(qū)的應(yīng)力降低，水袋會(huì)向工作面底板方向膨脹，以此模擬實(shí)際工作面回采后，含水層對(duì)工作面的影響。模型的開挖順序?yàn)閺木郌5斷層55 cm處向F5斷層開挖，然后向F4斷層方向開挖，含水層模擬如圖2所示。

圖1 模型設(shè)計(jì)圖

圖2 含水層鋪設(shè)示意圖

2 工作面開采誘發(fā)頂?shù)装鍘r層破壞及應(yīng)力變化規(guī)律研究

2.1 工作面開采誘發(fā)頂?shù)装鍘r層破壞規(guī)律研究

工作面開采后，隨著工作面推進(jìn)，煤層頂板出現(xiàn)上覆巖層的垮落、彎曲、下沉等覆巖運(yùn)動(dòng)，如圖3所示。由圖3可以看出，1018里工作面直接頂?shù)某醮慰迓洳骄酁?2 cm，周期垮落步距為6 cm；老頂?shù)某醮蝸?lái)壓為36 cm，周期來(lái)壓為6 cm。

當(dāng)工作面推進(jìn)到45 cm處，也就是距F5斷層10 cm處時(shí)，工作面底板出現(xiàn)了裂隙破壞，在向F4斷層方向開采時(shí)，當(dāng)工作面距離F4斷層12 cm時(shí)，工作面底板同樣出現(xiàn)了裂隙破壞，如圖4所示。

圖3 覆巖運(yùn)動(dòng)與工作面推進(jìn)相似模擬試驗(yàn)圖

圖4 相似模擬試驗(yàn)底板破壞圖

由圖4可知，工作面距離斷層越近，底板受采動(dòng)影響越明顯，底板破壞深度及范圍越大。工作面接近斷層時(shí)，工作面底板的塑性破壞區(qū)容易與斷層接觸，由于煤層底板有多處含水層，水壓作用會(huì)使工作面底板衍生出導(dǎo)水通道，最終導(dǎo)致突水事故的發(fā)生。

2.2 工作面開采過(guò)程中應(yīng)力變化規(guī)律研究

1018里工作面開采過(guò)程中，分別向F4、F5斷層兩個(gè)方向推進(jìn)，先向F5斷層方向推進(jìn)，后向F4斷層方向推進(jìn)，工作面開采過(guò)程中測(cè)點(diǎn)處底板應(yīng)力變化如圖5所示。

圖5 底板應(yīng)力變化曲線

由圖5(a)可以看出，在開采初期，各個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)并未發(fā)生變化，隨著工作面的推進(jìn)，各個(gè)測(cè)點(diǎn)開始逐漸出現(xiàn)應(yīng)力反應(yīng)，并逐漸增大。工作面繼續(xù)推進(jìn)，應(yīng)力向斷層方向轉(zhuǎn)移，當(dāng)工作面推進(jìn)至35 cm時(shí)，測(cè)點(diǎn)1處的應(yīng)力達(dá)到峰值，隨后逐漸減小，最終出現(xiàn)負(fù)值；工作面持續(xù)推進(jìn)，應(yīng)力繼續(xù)向斷層側(cè)轉(zhuǎn)移，測(cè)點(diǎn)2處的應(yīng)力隨后也達(dá)到峰值并逐漸減小，由于工作面沒有推過(guò)測(cè)點(diǎn)2，所以并未出現(xiàn)負(fù)值。測(cè)點(diǎn)2的應(yīng)力峰值較測(cè)點(diǎn)1應(yīng)力峰值更大，這是由于斷層帶的巖體具有緩沖變形和二次應(yīng)力吸收作用，應(yīng)力被限制在斷層一側(cè)，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。雖然測(cè)點(diǎn)3處的應(yīng)力并未達(dá)到峰值，但是可以預(yù)計(jì)，測(cè)點(diǎn)3距離斷層最近，其峰值會(huì)更大。圖5(b)所反映的應(yīng)力變化規(guī)律與圖5(a)基本相同，但由于開切眼距離測(cè)點(diǎn)4較近，所以開采初期測(cè)點(diǎn)值就開始變化，隨著工作面推進(jìn)，測(cè)點(diǎn)5、6處的應(yīng)力值也開始出現(xiàn)變化。3個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)峰值依次增大，和測(cè)點(diǎn)1～3所表現(xiàn)出的規(guī)律基本一致，也是由于斷層阻礙應(yīng)力傳播并限制在斷層一側(cè)，同時(shí)阻礙回采后的地下空間變形，使得回采工作面越接近斷層，應(yīng)力越集中。

3 采動(dòng)對(duì)斷層活化規(guī)律研究

為了研究工作面開采過(guò)程中，采動(dòng)對(duì)斷層界面及灰?guī)r含水層的影響，布置了測(cè)點(diǎn)8～12進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)。測(cè)點(diǎn)10和13的位置距離煤層底板較遠(yuǎn)，所產(chǎn)生的應(yīng)力沒有影響到該測(cè)點(diǎn)位置，測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)為零。隨著工作面的推進(jìn)，測(cè)點(diǎn)8、9、11和12分別產(chǎn)生了應(yīng)力變化，如圖6所示。

圖6 斷層界面應(yīng)力變化曲線圖

由圖6可以看出，在開采初期，測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值沒有變化，工作面繼續(xù)回采，各測(cè)點(diǎn)逐漸出現(xiàn)應(yīng)力變化，且處于同一推進(jìn)步距時(shí)，上盤界面的應(yīng)力值要高于下盤界面的應(yīng)力值，這也是由于斷層帶具有屏障作用，導(dǎo)致斷層帶一側(cè)應(yīng)力集中；圖6(b)體現(xiàn)出的應(yīng)力變化規(guī)律與圖6(a)基本一致，差別在于在同一推進(jìn)步距下測(cè)點(diǎn)8和11的應(yīng)力值要比測(cè)點(diǎn)9和12的應(yīng)力值大，這是因?yàn)闇y(cè)點(diǎn)8和11較測(cè)點(diǎn)9和12距離1018里工作面更近，因而受到1018里工作面采動(dòng)的影響更大，應(yīng)力值也就越大。

由于測(cè)點(diǎn)11、12、13分別位于一灰、二灰、三灰與斷層的交界處，因此，3個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值也能反映出工作面回采對(duì)灰?guī)r水的影響。由圖6可以看出，工作面回采對(duì)三灰水沒有影響，在同一步距時(shí)，測(cè)點(diǎn)11的應(yīng)力值明顯高于測(cè)點(diǎn)12，這是由于一灰含水層位置距離工作面更近。由此說(shuō)明，一灰含水層對(duì)工作面安全生產(chǎn)影響更大，當(dāng)工作面回采至距離斷層較近時(shí)，需要對(duì)含水層采取加固措施。

4 斷層注漿加固后的工作面底板破壞規(guī)律研究

在F4斷層下盤工作面風(fēng)巷處對(duì)F4斷層進(jìn)行注漿加固，降低含水層水壓對(duì)1018里工作面回采的影響。注漿模擬示意圖如圖7所示，漿液采用水灰比為0.8的配比。

圖7 注漿加固模擬示意圖

注漿完成后，待漿液達(dá)到最大抗壓值，工作面繼續(xù)向F4斷層方向回采，同時(shí)記錄煤層底板破壞規(guī)律，如圖8所示。由圖8可知，由于注漿后在含水層一側(cè)形成一道隔水屏障，使水壓對(duì)煤層底板影響程度減小，工作面繼續(xù)向F4斷層方向開挖，底板裂隙沒有繼續(xù)發(fā)育。

圖8 底板破壞示意圖

5 結(jié)論

(1)煤層開采過(guò)程中，工作面距斷層越近，煤層底板越容易出現(xiàn)較為嚴(yán)重的采動(dòng)破壞。因此，當(dāng)工作面推進(jìn)至斷層附近時(shí)，需對(duì)底板采取加固措施。

(2)煤層開采時(shí)工作面采動(dòng)對(duì)煤層底板應(yīng)力的演化規(guī)律如下：隨著工作面推進(jìn)，由于斷層對(duì)應(yīng)力傳播具有屏障作用，使應(yīng)力集中在斷層一側(cè)，工作面距離斷層越近，應(yīng)力集中表現(xiàn)地越明顯，底板發(fā)生破壞的可能性越大。

(3)五溝煤礦F4斷層上盤工作面回采對(duì)下盤工作面底板一灰和二灰均有影響，且距離工作面底板越近，影響越明顯。

(4)對(duì)F4斷層進(jìn)行注漿加固，可以降低含水層對(duì)工作面的回采影響，有效縮小防水煤柱寬度，提高煤炭資源回收率。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李連崇，唐春安，梁正召等. 含斷層煤層底板突水通道形成過(guò)程的仿真分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009(2)

[2] 葛亮濤，葉貴鈞，高洪烈. 中國(guó)煤田水文地質(zhì)學(xué)[M]. 北京：煤炭工業(yè)出版社，2001

[3] 姜耀東，呂玉凱，趙毅鑫等. 承壓水上開采工作面底板破壞規(guī)律相似模擬試驗(yàn)[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011(8)

[4] 劉偉韜，劉士亮，廖尚輝等. 斷層影響下底板突水通道研究[J]. 煤炭工程，2015(12)

[5] 錢鳴高，繆協(xié)興，黎良杰. 采場(chǎng)底板巖層破斷規(guī)律的理論研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，1995(6)

[6] 張華興. 對(duì)三下采煤技術(shù)未來(lái)的思考[J]. 煤礦開采，2011(1)

[7] 陳杰，李青松. 建筑物、水體下采煤技術(shù)現(xiàn)狀[J]. 煤炭技術(shù)，2010(12)

[8] 苗旺，張培森，王浩等. 斷層傾角對(duì)逆斷層活化規(guī)律影響的模擬分析[J]. 煤礦安全，2016(9)

[9] 趙亞鵬，張培森，武守鑫. 逆斷層兩盤開采誘發(fā)頂?shù)装寮皵鄬討?yīng)力變化規(guī)律的試驗(yàn)研究[J]. 煤礦安全，2017(5)

[10] 張文忠，黃慶享. 采場(chǎng)底板突水的跨層應(yīng)力殼力學(xué)模型[J]. 西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011(6)

[11] 張培森，楊健，王明輝等. 固液耦合模式下采動(dòng)誘發(fā)斷層界面應(yīng)力變化規(guī)律的模擬研究[J]. 中國(guó)礦業(yè)，2014(4)

[12] 張培森，顏偉，張文泉等. 固液耦合模式下含斷層缺陷煤層回采誘發(fā)底板損傷及斷層活化突水機(jī)制研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2016(5)

[13] 黎良杰，錢鳴高，殷有泉. 采場(chǎng)底板突水相似材料模擬研究[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，1997(1)

[14] 魏中舉，余芳芳，李健. 巖溶發(fā)育地區(qū)煤層頂?shù)装逋凰ｋU(xiǎn)性分析[J]. 煤炭技術(shù)，2017(8)

[15] 鄭志遠(yuǎn). 蘆嶺煤礦Ⅲ11巖石綜采工作面水文地質(zhì)條件分析與防治水方案研究[D]. 合肥工業(yè)大學(xué)，2017

[16] 李海龍，白海波，錢宏偉等. 含水煤層底板巖層力學(xué)性質(zhì)分析:以小紀(jì)汗煤礦為例[J]. 采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2016(3)