帶壓開采煤層底板破壞突水規律

張培森 ，安羽楓 ，武守鑫 ，趙亞鵬 ，魏 杰 ，王文苗

（1.礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島 266590；2.山東科技大學 礦業與安全工程學院，山東 青島266590）

隨著開采深度的不斷增加，承壓水上開采的工作面也日益增多[1-6]。帶壓開采雖具有諸多優點，如對環境影響小，避免大規模破壞地下水資源，開采成本低[7-10]等，但是開采風險較大，因此開展承壓水條件下工作面底板破壞突水規律的研究具有重要意義。為防治工作面突水，國內外許多專家和學者對底板破壞突水機制做出了大量研究工作，提出了多種底板破壞理論和預測方法[11-21]，例如板模型理論[11]、突水系數法[13]、關鍵層理論[16]等。本次采用相似材料模擬試驗，充分考慮固液耦合[17-21]的綜合影響，對承壓水上開采的煤層底板破壞突水過程進行研究，以得到底板從原始狀態到裂隙生成、裂隙擴展、貫通，再到最終形成導水通道的全過程；揭示底板破壞突水的規律，為保障承壓水上的安全開采提供參考依據。

1 模型設計

Ⅱ632工作面是恒源煤礦二水平采區的首采工作面，走向長為 1 725.3 m，傾斜寬 185 m，最大標高-596.9 m，最低標高-780 m，是目前恒源煤礦最深的工作面。因埋藏深，太灰水水壓高，工作面突水系數Ts[13]為0.11 MPa/m，突水危險性較大。依據相似理論，結合地質資料，本次試驗確定的相似比[17]為：幾何相似比 Cl＝1∶100，密度相似比 Cρ＝1∶1.5，應力相似比 Cσ＝1∶150，時間相似比 Ct＝1∶10，彈模相似比 CE＝Cl×Cρ＝1∶150，強度相似比 Cσc＝Cl×Cρ＝1∶150，泊松相似比 Cμ＝1∶1。設計模型尺寸為 190 cm×22 cm×140 cm，模型中煤層厚度為3 cm，含水層厚度為4 cm，煤層到含水層的距離為50 cm，上覆巖層厚度80 cm。模型上部使用試驗架上的伺服液壓加載裝置進行加壓，以補償因模型高度限制而缺少的46.46 kN載荷。承壓水水壓為5.18 MPa，則模型模擬水壓為0.034 5 MPa，通過穩壓泵維持模擬所需的水壓不變。在模型中，煤層下方15 cm處水平布置1排間距為20 cm的應力測點1-1～1-6。模型設計如圖1。

圖1 模型設計圖（單位：cm）

2 模型鋪設及開挖

以Ⅱ632工作面的地質資料為參考，試驗模型的材料選用海沙（骨料）、碳酸鈣（膠結劑）和石灰（調節劑）按照一定的配比混合而成，試驗各巖層的物理力學性質參見表1（由于本試驗重點研究斷層下盤，所以表中只給出下盤的巖層信息）。

表1 下盤各巖層的物理力學性質參數表

承壓水導升設備實物圖如圖2。模型鋪設時，首先用螺母和寶塔型接頭將打好孔的水袋與導升管相接，如圖2（a）和圖2（b）。

圖2 承壓水導升設備實物圖

導升管采用內徑4 mm的薄壁軟管，在指定高度用三通將軟管連接，在垂直于導升管的方向接出1條水位觀察軟管。水袋外接穩壓泵來維持整個開采過程中的水壓恒定。最后保持導升管垂直向上，如圖2（d），按照設計好的厚度和配比逐層鋪設。鋪設過程中由于材料的擠壓壓實，導升管自然閉合，當采動影響導致底板破壞，軟管會在水壓的作用下張開導水，這就模擬了承壓水在隔水層破壞情況下的導升現象。模型鋪設完畢后實物圖如圖3。為了得到預設的材料強度，需要將模型進行晾曬處理。根據試驗當時的氣溫和濕度條件，此次的晾曬時間定為3 d。晾曬完畢即可進行模擬開采。在考慮邊界效應的基礎上，選取工作面切眼位于距離模型左側邊界12 cm處。共設20個開挖步，每隔30 min開挖1次，每次開挖5 cm。

圖3 模型實物圖

3 試驗結果及分析

3.1 隔水層應力變化情況及破壞規律

底板隔水層的垂向位移和垂向應力分布情況如圖4和圖5（圖中數據為經過幾何相似比和應力相似比換算后得出）。用全站儀對煤層下方10 cm處的1行位移反光片進行測量得到底板最大垂直位移變化曲線（圖4）。由圖4可知，工作面開采伊始，底板鼓起量較小，在工作面推進0～40 m的范圍內可以認為底板基本沒有鼓起，底板的完整性較好，受采動影響較弱。工作面推進到60 m時，底鼓量出現1個相對明顯的變化，當工作面推進到80 m時底鼓量增加較大，當工作面推進到100 m時底鼓量已經升到1 000 mm，這時底板已經被破壞，隔水層失穩，并且隨著工作面的推進，底鼓量的峰值位置也在前移。

對應力傳感器1-1～1-6采集的數據進行處理得到底板隔水層垂直應力變化曲線（圖5）。由圖5可知，隨著工作面的推進，底板隔水層經歷先加載后卸載的過程，原工作面前方的應力峰值區不斷前移。在開挖過程中觀察到，采空區底板隔水層上部的兩端位置在壓剪應力作用下產生采動裂隙；下部則由于承壓水的作用而產生導升裂隙。隨著新的應力峰值的不斷增大，采空區底板隔水層在兩端位置的裂隙也不斷發育。

圖5 底板隔水層垂直應力變化曲線

3.2 底板突水通道形成過程

工作面推進到40 m時，煤層底板出現細微裂隙，當工作面推進到60 m時，底板裂隙加深，擴展到工作面以下6～8 m處，工作推進到60 m時的底板破壞情況如圖6。

當工作面推進到80 m時，裂隙進一步發育并向深部擴展，采空區中部隔水層下部也在承壓水的作用下出現裂隙，承壓水向上導升，距離含水層最近的水位觀察管開始出現滴水現象，工作面推進80 m時水位測量管滴水情況和隔水層裂隙發育情況如圖7。

當工作面推進到100 m時，采空區到含水層之間的巖層被裂隙貫通，橫向與縱向裂隙并存，工作面推進100 m時底板裂隙發育情況如圖8。

圖7 工作面推進80 m時水位測量管滴水情況和隔水層裂隙發育情況

圖8 工作面推進100 m時底板裂隙發育情況

試驗結束后，對模型采用分層拆解的方式進行拆除，可以明顯看到模型內部的貫通裂隙發育情況。采空區底板兩端受到壓剪應力作用，隔水層底部受到承壓水的拉剪應力作用，巖層內部會由于錯位出現裂隙。裂隙在沿推進方向發育的同時也沿傾向發育，并且在深度方向上也不斷擴展，逐層拆解模型時不同深度的底板裂隙形態如圖9。裂隙總體呈現出樹枝狀的三維結構。采空區底板上部裂隙向下發展，含水層頂部裂隙向上發展，最終貫通后導致底板突水。

圖9 逐層拆解模型時不同深度的底板裂隙形態

4 結論

1）運用自主設計的承壓水導升模擬裝置實現了對承壓水導升水位的監測，通過對模型分層拆解的方法，觀察到底板裂隙在內部成樹枝狀發育。

2）分析試驗結果得到，采空區底板兩端較容易形成導水的貫通裂隙。采空區的長度隨著工作面的向前推進而增加時，采空區附近的底板處于卸壓狀態，而兩端承受著支撐壓力，因此兩端受壓剪應力而產生裂隙；隔水層底部巖層則在承壓水作用下，主要承受拉剪應力而產生導升裂隙，隨著工作面推進，這兩方面裂隙逐漸發育直至貫通，導致突水。

3）底板突水實際上是在礦山壓力和承壓水水壓的共同作用下采空區底板巖層從裂隙初生、發育擴展到最終貫通的過程。