淮南礦區A組煤開采工作面底板破壞帶深度確定

李連崇，姚成宇，魏廷雙，汪敏華，劉曉國，余國鋒，牟文強

（1.東北大學 資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；2.淮河能源煤業分公司，安徽 淮南 231000；3.煤炭開采國家工程技術研究院 深部煤炭開采與環境保護國家重點實驗室，安徽 淮南 231000）

隨著我國煤炭資源開采深度逐漸增大，各類礦山安全隱患也隨之嚴峻。其中，在開采擾動影響下采場底板巖體會發生破裂，當采動破壞帶與含水導升帶貫通后，極易發生突水危害，嚴重威脅礦井生產安全。為此，針對底板破壞帶發育規律，國內外學者做了大量研究[1-5]，首先是傳統理論與算法的結合，BP神經網絡、灰色神經網絡法以及灰色關聯度法等被廣泛用于預測煤礦底板破壞深度[6-8]，但這系列方法在實踐應用中并不完全實用；其次，微震監測作為監測巖體微破裂的1種手段，常被應用于研究煤礦底板巖體微破裂過程以及預測底板破壞帶深度，其研究結果可對現場防治水提供理論指導[9-10]，如針對淮南礦區，劉曉國等基于微震監測手段成功實現對礦區內張集煤礦突水危害預測[11]，而這種方法只是在采動后的底板破壞分析而不能實現采前深度的預測；再者，數值模擬軟件分析研究煤礦底板破壞過程及破壞深度具備完全能動性也被廣泛應用，其模擬結果可對計算與測試結果進行驗證[12-17]，李彩惠基于FLAC3D數值模擬軟件預測底板破壞深度，與理論計算、現場測驗結果相吻合[18]，但是數值模擬多是利用實測巖性數據的簡化分析，不能考慮各方面的影響。因此，考慮復雜地質條件影響，各類結果對工程現場具有顯著依賴性，經驗公式多被直接應用于底板破壞計算預測[19]。但受深部回采的高地應力、高水壓及礦區差異性等影響，傳統經驗公式也不再完全適用[1,20]。基于此，針對淮南礦區所面臨的深部灰巖水導通威脅，通過搜集礦區內的多個煤層生產地質參數，對傳統經驗公式進行了優化，并通過案例工作面內的數值計算結果、微震數據及其壓水試驗等進行了驗證，嘗試豐富底板破壞工程應用，為煤礦的安全生產提供保障[21-25]。

1 工程概況

1.1 礦井背景

淮南礦區已陸續進入A組煤開采，A組煤是礦區可采煤層最下面的1個層組，含可采煤層1～2層，煤層累厚平均約7m，儲量達17.5 億t，張集煤礦地層分布如圖1。

圖1 張集煤礦地層分布圖Fig.1 Schematic diagram of the stratum section of Zhangji Coal Mine

影響A組煤安全開采的因素很多，而威脅最大的是底板灰巖水，其中石炭系存在3組交互分布的承壓灰巖水，水壓可達到3.2MPa，深部奧陶系灰巖水的水壓超過6MPa。2017年5月礦區內的潘二礦因采掘導致底板破壞擾動陷落柱而引發突水事故。準確掌握采掘工作面的底板破壞成為防控礦區災害的關鍵條件，因此對于深部承壓底板破壞帶分布規律研究勢在必行。張集煤礦作為礦區內千萬級礦井深受承壓水害威脅。該煤礦位于安徽省淮南市鳳臺縣，礦井主要開采A組1#煤，其中1612A工作面位于張集煤礦西三采區，工作面開采走向約為1400 m，工作面傾斜長度200m，煤層傾角9.5 °，煤層埋深約為-540m，煤層厚度6.3m。工作面底板下存在奧陶系灰巖含水層，石炭系灰巖水有潛在連通奧灰水的可能性，工作面回采存在突水安全隱患。

1.2 工作面底板“下三帶”分布

煤礦底板“下三帶”主要包括底板破壞帶、完整巖層帶、承壓水導升帶，“下三帶”分布示意圖如圖2。

圖2 “下三帶”分布示意圖Fig.2 Schematic diagram of the distribution of the lower three zones

在采場內完整巖層帶中的巖體始終保持開采之前的狀態，即保持阻水性能。但受采動影響，采動所產生的底板破壞帶分布深度會不斷增加，承壓水導升帶中的巖體可以將地下承壓水導升至其上層位的儲水層中，造成含水層的壓力突增，一旦裂隙（破壞帶）貫通含水層，極易發生突水災害。因此，底板破壞帶的層位分布成為決定突水與否的決定因素。那么，在煤礦的開采過程中，底板破壞帶的改變會影響完整巖層帶和承壓水導升帶的分布。由于地質條件的差異，而底板破壞帶傳統經驗公式計算的結果與實際結果偏差較大，所以需要對傳統經驗公式進行優化以適應淮南礦區分布規律研究。

張集煤礦1612A工作面底板與奧陶系灰巖含水層的距離約為120m，其中根據微震及現場鉆孔注水試驗測得的數據，底板破壞帶深度大約為30m左右。由于存在鋁土層等天然隔水層，可認為承壓水導升帶為0。通過計算可以得出完整巖層帶為90m左右。傳統“下三帶”理論中，破壞帶計算公式[19]為：h=0.0085H+0.1665 α+0.1079L-4.3579（1）式中：h為破壞帶深度，m；H為煤層埋深，m；α為煤層傾角，（°）；L為工作面傾向長度，m。

將該工作面相關參數代入式中，其中H=540m，α=9.5 °，L=200m，得出h=23.39m，與現場注水得出的結果28m相差較大，因此，傳統破壞帶經驗公式并不能完全實現對淮南礦區A組煤開采底板破壞的有效計算，尤其是針對深部高承壓水礦井底板。

2 淮南礦區底板破壞分布規律

淮南礦區多數礦井已經進入深部A組煤的開采，為此收集了礦區內多個礦井的生產地質資料。將收集到的淮南礦區內的8組煤礦數據進行相關性分析，從而得到各主控因素對破壞帶深度的影響特征。淮南礦區煤礦工作面參數數據見表1。

表1 淮南礦區煤礦工作面參數數據Table1 Coal face parameters data in Huainan Mining Area

在統計學分析中，SPSS軟件可用于分析數據之間的相關性以及聚類分析，偏相關性分析是指通過控制其他無關變量來研究自變量與因變量之間的關系。根據表格中的數據使用SPSS軟件分別將工作面長度、煤層厚度、煤層傾角以及煤層埋深對破壞帶深度進行偏相關性分析，偏相關性分析見表2。

表2 偏相關性分析Table2 Partial correlation analysis

根據相關性分析可知，煤層厚度與破壞帶深度的相關性系數為0.641 ，顯著性系數為0.244 。說明煤層厚度與破壞帶深度存在相關性。同理可知，工作面長度、煤層傾角以及煤層埋深均與破壞帶深度存在一定的相關性。因此，針對淮南礦區煤層回采狀況，可以將傳統破壞帶深度計算公式引入煤層厚度參量，將傳統公式進行優化。

將收集到的淮南礦區相關煤礦數據進行回歸分析擬合，回歸分析相關系數R2=0.903 。擬合結果為：

h=0.136L+2.2M+0.836 α+0.012H-28.15（2）

式中：L為工作面傾向長度，m；α為煤層傾角，（°）；M為煤層厚度，m；H為煤層埋深，m。

回歸分析所采用的數據均為淮南礦區500～600 m埋深，100～200m工作面長度的緩傾斜煤層。將回歸分析擬合所用數據代入式（2），同時與傳統公式計算結果及現場實測結果進行對比，對比結果見表3。

表3 對比結果Table3 Comparison results

根據表3得出的結果，得出優化后公式計算結果較傳統經驗公式計算結果更為接近現場實測數據。將張集煤礦1612A工作面相關參數代入式（2）中，即H=540m，α=9.5 °，L=200m，M=6.3m，得到的結果為27.33m，而傳統經驗公式計算的結果為23.39 m，現場鉆孔壓水測得結果為28m。傳統經驗公式計算出的結果與現場實測結果相差較大，而優化后公式計算出的結果與其結果相近似，因此，式（2）在張集煤礦1612A工作面是可用的。

3 1612A工作面底板破壞規律數值模擬

根據張集煤礦1612A工作面生產地質資料，利用FLAC3D軟件建立了數值模型，基于Mohr-Coulomb準則對工作面回采中的底板破壞進行計算分析[26]。張集煤礦1612A工作面傾斜長度約為200m，走向長度約為1338m，取其長度600m。因此將該模型的x設置為600m（走向），y設置為400m（傾向），z設置為254m（深度），開采步距為10m。考慮上覆巖層重力及煤層深度，同時對模型頂部施加垂直向下應力8.86MPa，以及底部施加奧陶系灰巖水壓6.25MPa，水壓隨深度增加呈現線性增加。巖層力學參數見表4。

表4 巖層力學參數表Table4 Table of rock mechanics parameters

對工作面推進290～310m間的圍巖彈塑性區及應力分布進行了模擬分析，工作面推進290m模擬示意圖如圖3，工作面推進310m模擬示意圖如圖4。

圖3 工作面推進290m模擬示意圖Fig.3 Schematic diagrams of simulation with working face advances290m

圖4 工作面推進310m模擬示意圖Fig.4 Schematic diagrams of simulation with working face advances310m

當工作面推進290m時，底板破壞深度在工作面傾向兩側達到了21m，在底板兩端破壞的集中區內破壞帶已有貫通趨勢，如圖3（a）和圖3（b）；同時，在底板的兩端處于高應力集中區、應力交界處，因此較大差異性的應力加載造成了巖體的拉剪破壞，由此可以解釋底板破壞主要集中在底板兩端，如圖3（c）。當工作面推進至310m時，底板破壞深度達到30m，如圖4（a）和圖4（b），底板破壞依舊集中在底板兩端的位置，底板應力分布也產生相應的變化，如圖4（c）。底板兩端破壞帶雖未貫通，但受深部含水層水壓的影響，在深部層位的巖體內已經出現了一定的破壞，采動后的底板破壞區極易與奧陶系灰巖水連通，形成突涌水災害的導水通道而誘發安全事故。

根據模擬的結果，得出張集煤礦1612A工作面破壞深度達到了30m左右，并在更深層位存在一定的破壞區，這與優化后的破壞帶傳統經驗公式結果是一致的，驗證了優化后的破壞帶計算公式適用于張集煤礦1612A工作面。

4 基于微震監測的1612A工作面底板破壞深度

4.1 微震監測系統布設方案

張集煤礦1612A工作面采用加拿大ESG公司生產的微震監測系統。在該工作面建立微震監測系統，對工作面頂底板煤巖破裂進行實時監測、定位及分析，考慮到1612A工作面附近斷層的影響，應盡可能將微震監測傳感器布置在該工作面斷層附近。因此，基于對傳感器的快捷和可行性以及對該工作面附近巷道的考慮，選擇以1612A工作面軌道巷1613A工作面底抽巷作為傳感器安裝的巷道搭配方案。工作面微震布置示意圖如圖5，兩巷道各布置12個傳感器，實現對工作面附近高應力煤巖監測全覆蓋。形成微震數據現場24h實時連續采集，為煤礦的安全回采提供有力的保障。

圖5 工作面微震布置示意圖Fig.5 Schematic diagram of micro-seismic layout of working face

4.2 基于微震事件分析的底板破壞深度

微震事件平面分布圖如圖6。

1612A工作面自2019年3月1日至11月16日期間，共監測到底板微震事件3008個。在2019年3月至2019年11月期間，由于受采動影響，微震事件逐漸增加，達到高密度集中狀態，1612A工作面頂底板均受到了不同程度的破壞。因此，巖體會產生大量的破裂，底板破裂帶迅速發育，影響該工作面底板“下三帶”分布。

在圖6（b）微震事件密度云剖面圖中可以看出，微震事件密度最大處在距離地面-570～-580m左右，1612A工作面煤層埋深為540m。因此，微震事件密度最大處位于工作面底板下30～40m之間。

圖6 微震分布示意圖Fig.6 Schematic diagrams of micro-seismic distribution

運用統計學分析軟件SPSS對1612A工作面自2019年3月1日至11月16日期間所有的底板微震事件進行頻率分析。頻率分析示意圖如圖7。

圖7 頻率分析示意圖Fig.7 Schematic diagram of frequency analysis

由圖7可知，微震事件密度最大處為30～40m之間，主要集中在底板下35m范圍內，結合現場注水測得破壞帶深度為28m，微震監測結果表明過35m后仍存在微震事件，存在損傷分布遞減區和微破裂零星分布區。原因在于在微震事件未出現呈簇分布而破裂點未貫通，存在零星分布的區域，這與數值模擬中潛在導水通道破裂點相對應（圖3（a））。由此分析得出底板破壞帶的深度為30～35m之間，再次驗證了優化后破壞帶計算公式的合理性。

5 結 語

1）基于淮南礦區多個煤層生產地質參數，回歸分析擬合出符合淮南礦區的破壞帶分布規律的計算公式。該擬合公式適用于淮南礦區埋深在500～600 m左右，工作面傾向長度在100～200m左右的緩傾斜煤層，有利于煤礦防治水措施的制定。

2）通過現場鉆孔注水測得的破壞帶深度約為28 m，與計算結果吻合；同時，將該工作面運用FLAC3D數值模擬軟件進行計算，得出的塑性區即破壞帶深度約為30m，結合1612A工作面微震監測系統，聚類分析微震事件空間分布特征，得出的破壞帶深度為30～35m。3種手段相互驗證，得出優化的破壞帶公式具有合理性。