特厚煤層綜放開采對底板變形損傷的影響研究

張鄭偉

（晉能控股集團同大科技研究院山西大同037003）

關鍵字：特厚煤層；底板；變形損傷；應變感應

1 引言

同忻煤礦太原組特厚煤層綜放開采后礦壓對底板作用程度逐漸增強和受底板水壓威脅明顯增大，所面臨的巷道支護、工作面底板管理和底板突水威脅也是越來越嚴重和復雜。這種主要由礦山壓力所引起的底板擾動變形損傷破壞數據是該礦井目前安全開采的關鍵技術參數，也是該礦井巷道支護、底板防治水工程與措施制定的主要依據[1-2]。目前國內外學者針對采動底板變形破壞及底板突水方面進行了大量研究，成果表明采動底板變形破壞深度主要受工作面開采寬度、開采深度、煤巖層傾角及開采煤層厚度等影響較大。但他們的研究多存在公式過于簡化、脫離現場實際等方面諸多不足[3]。

本次在二盤區8209 工作面進行采動底板變形實測，研究成果揭示底板巖性及組合結構對變形破壞深度及程度的重要制約作用，為大同礦區類似地質條件下其它礦井的開采提供可靠的參考數據。

2 工作面概況

8209工作面位于同忻礦一水平二盤區，南部為三條大巷，其余均為實煤區。上部對應侏羅系14#煤層8320、8318 等工作面采空區，侏羅系14-2#煤層與石炭系3-5#煤層層間距為184 m～216 m。工作面走向長平均1 746 m，傾斜長約200 m,回采范圍內煤厚13.35 m～22.46 m，平均煤厚17.60 m，煤層傾角2°，頂板以含礫粉砂巖和粉砂巖為主的堅硬巖層，開采方式為綜采放頂煤開采。

3 采動底板變形損傷實測

3.1 測試方法基本原理

同忻礦8209 工作面選用的監測設備是中國地質大學研制的KBJ-12 型鉆孔應變記錄儀。應變傳感器由4組工作片組成，每組工作片有2個通道，這樣一個應變傳感器共有8個工作通道。將應變傳感器埋設于底板的不同層位對回采過程中底板的變形情況進行連續監測。根據對比測試前、后數據不但能夠確定出采動礦壓的動態顯現規律和煤壁前方應力集中影響范圍，而且不同深度位置應變傳感器的測試數據可以反映出底板垂向采動變形的差異性，并由此確定出底板采動破壞的深度范圍[4]。

3.2 測試鉆孔設計

（1）鉆孔設計位置及參數

同忻礦8209工作面采用綜放開采技術，每月推進約150 m～160 m，日產煤炭2.97 萬噸。根據該面的回采地質說明書及附圖資料，從便于鉆孔施工、盡量減少影響生產、應變傳感器安裝及測試等方面綜合考慮，并結合類似工作面初次來壓和周期來壓分布特征，選定該面軌道順槽完整地段進行鉆孔測試破壞深度。本次現場測試布置2 個應變觀測鉆孔，均垂直于工作面方向。2個測試孔均布置于8209工作面軌道順槽，其中，1 號底板測孔（測孔1）擬布置于測點K21，2 號底板測孔（測孔2）布置于沿著巷道向外距離測孔1約40 m，均按底板位置開孔施工（圖1，表1）。

圖1 兩測孔布置及測試范圍示意圖

根據《同忻礦8209 工作面回采地質說明書》和部分鉆孔等相關資料，結合測試地段工作面區域實際地層分布特征，鉆孔俯角按40°，煤巖層傾角按2°，則可依此確定出各鉆孔相關布置參數，具體見表1。

表1 8209工作面觀測孔設計技術參數

（2）傳感器布置

根據相關經驗公式和以往實測經驗，結合同忻礦8209 工作面煤巖層賦存地質和開采條件類比初步分析，預計該測試區域C3-5#底板破壞深度一般在煤底垂深15 m以下。因此，變形破壞監測重點為煤底垂深15 m以下范圍。

測孔1和測孔2均按表1所列相關參數施工，兩測孔均設計埋設4 個應變傳感器，自下向上依次編號為1-1、1-2、1-3、1-4（測孔1）和2-1、2-2、2-3、2-4（測孔2），對應應變傳感器位置分別位于C3-5#底板下垂深21.9 m、19.8 m、17.7 m、15.7 m（測孔1）和23.0 m、20.9 m、18.8 m、16.7 m（測孔2）。埋設層位具體見圖2和圖3所示。

圖2 8209工作面1號底板測孔剖面示意圖

圖3 8209工作面2號底板測孔剖面示意圖

（3）井下數據采集要求

工作面回采迎頭推進至測孔1孔口前方80 m開始進行測試，數據采集密度為：工作面距測孔80 m～60 m范圍，數據采集間隔密度控制為每隔兩天測試一次；工作面距測孔60 m～40 m 范圍，數據采集間隔密度控制為每隔一天測試一次；自工作面推進到測孔前方40 m開始，數據采集間隔密度控制為每天測試一次，直到推過測孔2后40 m，達到數據基本穩定為止。

3.3 測試結果及分析

（1）測孔1應變感應特點分析

圖4是1 號測孔各測點反映出的應變感應曲線。應變增量剛開始均為0，隨著工作面推進，增量先是發生緩慢變化，到一定距離時加速變化，說明此時已經到了采動超前影響范圍。測點1-4在工作面推進距測孔60 m 處時，應變增量快速增加，發生了顯著的應變感應（圖4a），且之后一直比較強烈；測點1-3、測點1-2在工作面推進距測孔55 m處時，發生顯著的應變感應（圖4b、圖4c），隨后一直比較強烈；與測點1-3和測點1-2的情況相比，測點1-1在工作面推進過程中應變感應一直比較弱，變化幅度小（圖4d）。對于不同深度的應變感應，大體是淺部應變感應大于深部應變感應，這與實際礦壓規律相符合。

圖4 測孔1各測點應變感應過程曲線

測點1-4、1-3和1-2應變增量范圍較大，測點1-1應變增量范圍明顯比1-2、1-3和1-4小，且測點1-2應變增量較大最大應變量為6 523 με，而測點1-1 應變增量最大應變量為3 866.5 με，明顯比測點1-2小。而該孔其它三個傳感器在采動過程中應變增量變化均較大，特別是工作面快推進到鉆孔位置。因此判斷8209工作面底板破壞深度處于19.8 m～21.9 m之間。

（2）測孔2應變感應特點

圖5是1 號測孔各測點反映出的應變感應曲線。底板采動應變感應情況與1 號測孔類似，感應變化有隨著深度的增加逐漸減弱的趨勢。淺部測點2-4在距離工作面80 m 時感應明顯，且隨后一直較強烈（圖5a）；測點2-3 在超前推進過程的應變感應程度也較強，在工作面距離測孔75 m時，應變感應明顯增強（圖5b）。測點2-2感應增量變化一直較小，而且超前感應距相對較小在75 m（圖5c）左右。

圖5 測孔2各測點應變感應過程曲線

由于應變傳感器本身是一種非常靈敏的，初步分析認為測點2-2 位置應變傳感器基本沒受到影響；而該孔其它兩個傳感器在采動過程中應變增量變化均較大，特別是工作面快推進到鉆孔位置。因此由測孔2判斷8209 工作面底板破壞深度處于18.8 m～20.9 m之間。

綜合兩個鉆孔測試結果，初步分析認為該條件下采動底板變形破壞深度處于18.8 m～21.9 m之間。

4 底板擾動程度分帶性變形損傷破壞力學模型的建立

根據同忻礦8209 工作面不同垂深位置應變感應測試結果進行對比分析：垂深18.8 m 及以上4 個淺部測點所測數據反映出應變感應變化比較劇烈，且離散程度較大，個別輸出信號的波動甚至出現異常；而20.9 m 及深處2 個測點所測應變感應數據變化較平緩，且有同步變化趨勢。綜合分析，將采動底板破壞深度定為20.9 m，往下1 m（20.9 m～21.9 m）的區域雖然所受采動礦壓影響較大，但仍然保持完整并具備較高的承載能力，稱為擾動塑性損傷帶。

隨工作面推進逐漸增加，煤層底板的擾動破壞也逐漸增強，使采空區及其兩側一定范圍內的底板巖層變形破壞程度和深度逐漸增加，采空區中間部分底板巖層由于卸壓作用產生拉張變形破壞，而兩側煤柱附近底板因采動次生移動應力集中產生剪切變形破壞，大致呈現倒立的馬鞍形，由此可建立采動礦壓作用下8209工作面底板變形損傷破壞力學模型[5-6]，即采動底板可分為采動破壞帶（Ⅰ）與擾動塑性損傷帶（Ⅱ），采動破壞帶（Ⅰ）h1不超過20.9 m，擾動塑性損傷帶（Ⅱ）h2 不超過21.9 m。采動破壞帶基本沒有阻滲能力，承載能力也相對較弱，而擾動塑性損傷帶仍具有較高的承載強度和抗滲能力。

5 結論

通過現場實測并建立采動礦壓作用下8209 工作面底板變形損傷破壞力學模型，發現采動變形程度在延深方向有分帶特征。綜合采動應變幅度與鉆孔圍巖結構擾動程度，可將底板采動擾動范圍由淺及深分為采動破壞帶和擾動塑性損傷帶。據底板不同深度測點應變感應強度對比，可大致確定8209 工作面C3-5#煤底板采動變形擾動損傷破壞深度大于18.8 m，但不超20.9 m，20.9 m～21.9 m深度區域為擾動塑性損傷帶。