深部傾斜煤層采動底板破壞演化特征分析

李彥恒，許勁峰，滿劍奇，陶 真，任 川，李文慧，趙 昕，李 沖

(1.河北工程大學地球科學與工程學院，河北 邯鄲 056038；2.河北工程大學河北省資源勘查研究重點實驗室，河北省煤炭開發協同創新中心，河北 邯鄲 056038；3.中國煤炭地質總局水文地質局，河北 邯鄲 056038)

實踐證明，煤層開采過程中，由于覆巖頂重的傳遞作用，底板巖體應力會發生周期性變化，這種變化可能導致底板產生大量的裂隙與裂縫，最終形成一定深度的底板破壞帶[1-2]。底板破壞帶的產生大大降低了隔水層厚度，為下部含水層提供突水通道，引發突水事故。因此，在采煤過程中，提前預判地下水在何時、何地以及如何涌入是非常重要的[3-4]。長期以來，很多專家學者從不同方面對底板突水通道發育規律進行了研究[5-9]。隨著淺部煤炭資源逐漸枯竭化，煤炭開采開始轉向“三高”賦存環境及“強擾動”和“強時效”的深部傾斜煤層[10]，尤其是底部受高承壓水的威脅，一旦底板破壞溝通含水層，往往導致難以防止的礦井突水事故，造成人員傷亡和經濟損失[11]。因此，原有針對淺部或近水平煤層開采的理論研究，已經不適合用于分析深部傾斜煤層底板的破壞特征[12-13]；室內相似試驗強烈改變了深部巖體的“三高”環境，得出的結果具有很大不確定性[14]；對現場試驗的工作要求，也必須根據特定的環境條件來選擇合適的方法；而數值模擬軟件則更加需要靈活地發揮模擬參數賦值和邊界條件確定的特長。

鑒于以上情況，本文以羊東煤礦開采深部4#傾斜煤層為例，在彈塑性力學和滑移線場等理論基礎上，結合數值模擬和現場實測的方法，對深部傾斜煤層底板破壞情況、應力變化情況及破壞深度進行系統分析。

1 理論分析

1.1 傾斜煤層底板受力及破壞特征分析

長期以來的研究表明，煤層采動會使周圍處于初始平衡狀態的巖層發生擾動，導致應力重新分布，進而在采場周圍巖體形成支承壓力[15](近似等效荷載q)，該支承壓力可以分解為垂直于工作面方向的垂向壓力q1和平行于煤層傾斜方向的剪切力q2，如圖1所示。該應力變化過程主要表現為工作面上方原始應力發生轉移，形成應力傳遞區(Ⅰ)，隨后應力逐漸減小(Ⅱ)；而在工作面前方煤層形成了應力集中區(Ⅲ)，在一定距離處應力達到最大；而未被擾動的前方煤層地方仍為原始應力區(Ⅳ)，支承壓力分布形態近似呈現馬鞍狀。

由圖1可知，當施加在巖體上的支承壓力達到或超過某一臨界值時，底板巖體在卸壓過程中發生鼓脹破壞，形成底板采動破壞帶(①區)；在傾斜剪切應力q2作用下，已發生破壞的底板巖體將向下方滑動，并形成一個連續的滑移破壞帶，同時也帶動了最大破壞深度的移動[16](②區)。在形狀上，沿煤層傾斜方向大致呈現一個下大上小的勺型。

圖1 傾斜煤層底板破壞特征及力學模型Fig.1 Failure characteristics and mechanical model ofinclined coal seam floor

1.2 底板巖層破壞深度分析

圖2是煤層底板任意單元在極坐標系下受力計算模型[10]。由彈性力學中的空間半無限平面體理論[17]可知，作用在煤層底板巖層中的應力，可以看作由各個微小集中應力疊加而成。當煤層底板內任意一點M(ρ,θ)發生破壞，在應力極限平衡條件下，可得出傾斜煤層底板最大破壞深度[18]，見式(1)。

圖2 煤層底板任意點處分布荷載計算模型圖Fig.2 Calculation model of distributed load atany point of coal seam floor

(1)

式中：β=arccos(cosαsinφ0-sinα)；H、M分別為煤層埋深和采厚，m；α、φ0分別為煤層傾角和底板巖層內摩擦角，(°)；k、λ分別為工作面支承壓力系數、頂板巖層冒落帶系數；C為底板巖層的內聚力，MPa；ρ為底板巖層密度，kg/m3。

根據羊東煤礦8469工作面情況，深部4#煤層傾角為10°，煤層埋深和采厚分別為700 m和1.2 m，底板巖層平均內摩擦角為30°，支承應力系數和頂板冒落帶系數分別取值為1.875、1.250；底板巖層平均內聚力為4.4 MPa，平均密度為2 395 kg/m3。將數據代入式(1)，得出最大破壞深度為29.2 m。

2 傾斜煤層采動底板破壞數值模擬

2.1 研究區工程概況

羊東煤礦8469工作面走向長度為712 m，傾向長度為160 m，埋深為700 m。主要開采深部4#煤層，該煤層平均厚度1.20 m，煤層傾角為10°，煤層上部結構簡單，穩定可采。在實際開挖過程中，采用全部垮落法對采空區進行處理。

2.2 數值模擬計算

2.2.1 模型建立

為進一步了解煤層采動底板破壞情況，本次選用FLAC3D軟件進行數值模擬。靈活的FISH語言可以在開挖過程中獲取任意時刻任意單元所發生的變化。計算破壞服從摩爾-庫倫準則，根據羊東煤礦8469工作面概況，設置巖層傾向、走向和垂直方向分別為模型的X軸方向、Y軸方向和Z軸方向，建立一個260 m×400 m×220 m的數值模型。考慮到工作面所處地質環境，在工作面四周各留出50 m的煤柱，以抵消邊界效應。同時，對模型四周和底部進行位移和應力約束，模型頂部施加等效荷載代替上覆巖層，如圖3和圖4所示。在開采過程中，設置開挖步距為15 m，一次采全高，讓垮落的巖體充填采空區，經節點應力收斂平衡后方可進行下一步開挖工作，共計開挖20步。模擬模型中所用的相關巖石力學參數見表1。

圖3 工作面開挖示意圖Fig.3 Schematic diagram of working face excavation

圖4 數值模型圖Fig.4 Numerical simulation model

表1 巖石物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of rock

2.2.2 底板塑性發育及破壞特征分析

在開挖過程中，對采動過程中所有節點應力變化進行監測，所得出的均是節點應力平衡之后的結果。煤層走向上，選取推進75 m、150 m、225 m和300 m的模擬結果；煤層傾向上，選取推進180 m時的塑性圖。監測每一步發生塑性變形的單元，得出其最大破壞深度與推進距離關系。

由圖5可知，推進75 m時，采空區的產生使得頂板、底板巖層先發生拉張破壞，底板巖層受到垮落巖體的擠壓作用被壓實壓密，從而形成剪切破壞和拉張破壞的塑性區；在工作面兩端主要發生剪切破壞，裂隙發育范圍較小，此時周圍巖體處于較為穩定的狀態。隨著工作面繼續向前推進，塑性區發育范圍進一步擴展，煤層底板發生大規模變形破壞；在推進225 m時，雖然巖層塑性變形區也在不斷擴大，但垂向上變化相對較小，此時底板巖層逐漸產生穩定破壞帶；結合圖6，推進255 m以后，底板垂向上破壞深度不在發生變化，此時底板由拉張破壞轉向以剪切破壞為主。 此時裂隙發育最大深度為28.75 m。

圖5 推進不同距離走向切片塑性區圖Fig.5 Plastic zone of slices along different distances

圖6 推進距離與底板最大破壞深度關系圖Fig.6 Relationship between pushing distance andmaximum failure depth of bottom plate

由圖7可知，沿煤層傾向方向，底板巖層破壞近似呈一個下大上小的勺型形狀，與理論分析較為相符，最大破壞深度結果也較為吻合。

圖7 推進180 m時傾向切片塑性區圖Fig.7 Plastic zone of inclined slice when advancing 180 m

2.2.3 底板應力變化分析

圖8和圖9是工作面推進300 m時的應力等值線圖。對比圖8和圖9可知，煤層開挖后，頂板巖層失去下部支撐，發生垮落，將原來的壓力轉移到工作面周邊煤柱，導致工作面兩端產生應力集中現象。隨著工作面的推進，垮落的巖體被壓實壓密，逐漸將重量傳遞到煤層底板，煤柱上的支承壓力逐漸降低。在應力達到平衡時形成一個穩定的壓力拱，在形狀上近似呈馬鞍狀。應力擾動情況與理論分析相符。走向方向上發生較為對稱的應力變化；而傾向方向上，由于剪切力的作用，底板巖體發生滑移現象，工作面下側最大集中應力大于上側，在形狀上呈下大上小的勺型形狀。

圖8 走向方向垂直應力等值線圖Fig.8 Vertical stress contour map in strike direction

圖9 傾向方向垂直應力等值線圖Fig.9 Vertical stress contour map in dip direction

3 現場實測驗證分析

目前，對煤層底板破壞深度的實測研究有大量方法[19-21]。雖然每種方法都能很好地探測煤層采后底板破壞情況，但不同的測試方法往往受到現場條件的制約。根據測試條件和實際開采情況，本次選用鉆孔注水觀測法。在距離切眼25 m處布置3個注水試驗孔，如圖10所示。測試期間采用持續注水、間斷觀測的方式，通過注水量的大小分析底板裂隙發育情況，確定底板破壞深度，試驗結果見圖11。注水鉆孔設計參數見表2。

表2 各鉆孔設計參數Table 2 Designed parameters of each borehole

圖10 鉆孔設計示意圖Fig.10 Schematic diagram of test borehole design

由圖11可知，孔1處最先受到擾動，其最大注水量明顯大于其他監測孔，而且注水量一直處于較高的狀態，說明此處底板破壞嚴重，產生大量的裂隙、裂縫，而且彼此之間相互連通；當停采線距離孔3較近時，孔3處的注水量才發生變化，雖然注水量也在隨著推進距離的增加不斷增大，但最大單位注水量僅為0.28 L/min，注水量變化波動較不明顯，大多處于0.02 L/min左右。說明煤層采動過程中對此處影響甚微，裂隙發育較少或者幾乎沒有；孔2處最大單位注水量和受到擾動的距離都介于另外兩個鉆孔之間，而且注水量一直處于比較平穩的變化中。說明此處在開挖過程中，底板巖層中裂隙的產生-壓實壓密不斷循環發生的結果。由此可以得出底板最大破壞深度達25 m左右，與理論分析和數值模擬中破壞深度得出得結果比較相似。

圖11 單位注水量與停采線關系圖Fig.11 Relationship between unit water injectionvolume and stoppage line

4 結 論

1) 在支承壓力形成過程中，周圍巖體會發生不同的擾動應力分區，即應力傳遞區、卸壓區、應力集中區和原始應力區；在傾斜煤層中，形成的底板采動破壞帶在傾斜剪切力作用下轉變成滑移破壞帶，在形狀上近似呈一個勺型。通過底板任意點破壞深度計算模型，可得出底板最大破壞深度為29.2 m。

2) 煤層底板塑性破壞范圍與推近距離呈線性變化關系，但而推進255 m后，煤層底板破壞深度不再繼增加，此時最大破壞深度為28.75 m。破壞形式轉向以剪切破壞為主。擾動應力分區與理論分析相似，在形狀上呈馬鞍式分布。走向方向上，應力呈對稱式變化規律。沿工作面傾向方向，底板巖層塑性區和應力變化都呈現出一種非對稱的勺型分布形態，符合理論分析模型對底板破壞形態的描述，且模擬結果也與理論計算結果相似。

3) 通過現場鉆孔注水試驗，隨著工作面不斷推進，單位注水量的波動變化反應出工作面推進中底板巖體裂隙產生-壓實壓密之間得交替循環過程。底板淺部巖層先發生破壞，且受到擾動影響程度最大，擾動范圍隨最大注水量的減小而增加，在底板下25 m處受到影響較小，與理論、模擬結果較為相符。