緩傾斜中厚煤層底板破壞特征研究

郎 君

(呂梁學院礦業工程系，山西 呂梁 033000)

0 引 言

我國是一個煤礦大國，煤炭在我國能源結構中占有重要地位，對我國經濟發展具有重要意義。《能源發展“十三五”規劃》明確指出[1]，至2020年末，我國煤炭消費總量控制在41億噸以內，煤炭能源消耗比重降低到58%。由此可看出，我國未來相當長的一段時間內，能源結構仍以煤炭為主[2]。隨著我國煤炭資源的大量回采，淺埋深煤層已趨于殆盡，煤炭企業不得不向深部開采，我國正以每年8～12 m的速度向下延伸，深部開采面臨承壓水的危險，給煤礦安全開采帶來隱患[3]。

目前對于承壓水上煤炭資源的回采的解決辦法是帶壓開采和疏水降壓兩種方法，其中疏水降壓需要將含水層的水排出降低承壓水壓力和含量，該方法造成水資源的大量浪費，違背了綠色礦山建設的目標[4]。帶壓開采是在保護水資源情況下實現煤炭資源的安全回采的一種有效方法。實現該方法的關鍵是能夠正確認識工作面回采過程中底板破壞特征。當工作面回采過程中，受支撐應力和采動雙層影響底板必然發生破壞，導致底板隔水層厚度降低，易使底板承壓水進入工作面造成底板突出事故的發生[5]，因此，正確認識底板破壞特征對于帶壓安全回采具有重要意義。

對于工作面回采過程中底板破壞特征的研究，國內外眾多學者進行了大量研究[6-11]。主要通過相似模擬、數值模擬、理論計算、現場測試等方法對煤層回采過程中底板破壞進行了研究，對裂隙演化特征沒有進行研究，特別是煤層底板破壞存在非可視化問題，導致煤層底板破壞深度研究結果大打折扣。本文以山西某煤礦為試驗礦井，采用分段注水、鉆孔電視、微震技術對底板破壞深度進行了研究，對工作面底板破壞裂隙演化進行了數字化分析，并對采動底板破壞特征進行了模擬研究。

1 工程概況及觀測設備

1.1 工程概況

山西某礦礦井生產能力1.2 Mt/a，主采3號煤層，3215工作面平均埋深345 m，煤層平均厚度為6.01 m，煤層傾角為22°，為緩傾斜煤層，工作面底板存在一奧灰含水層，水壓為2.01 MPa。屬于帶壓開采工作面，采用機械化放頂煤開采工藝。煤層直接底為泥巖，厚度約為5 m。直接底為中粒砂巖，裂隙較為發育，煤層距奧灰水垂直深度為57 m。工作面與底板奧灰水位置如圖1所示。

圖1 工作面與底板奧灰水位置

1.2 觀測設備

1）分段注水裝置

鉆孔分段注水裝置其測試原理是當工作面回采過程中，煤層底板受采動影響發生破壞，隨著底板深度的不斷增加，受采動影響的程度逐漸減少，底板破壞程度降低，底板破壞程度的不同其裂隙發育程度存在差異，當測試同一距離下，其注水量存在差異，通過注水量的不同來判斷底板的破壞深度，該方法不受地質環境的影響，測試結果具有較高的準確性，測試過程中，先進行設備的密閉性，將封堵膠囊加壓，關閉閥門，觀測壓力表，若半小時內無變化，則表示裝置密閉性良好，否則，重新連接裝置。測試過程中，當膠囊達到測試位置時，進行膠囊的封堵，再進行流量測試，流量測試讀數在流量計穩定后進行讀數，注水時間為5 min，每段進行3次試驗，取3次試驗平均值作為該測試段注水量值，測試結束后，先將膠囊卸壓，再進行下一階段的測試，重復以上步驟進行，分段注水裝置如圖2所示[12]。

圖2 分段注水裝置

2）鉆孔電視

鉆孔電視采用的是井下防爆型鉆孔成像系統，其測試原理是鉆孔電視探頭中的CCD光學耦合器在推進測試過程中，將鉆孔內的孔壁圖像實時采集下來，將采集的圖像實時傳輸到主控機中，通過軟件進行轉換，以360°的圖像形式展現出來（如圖3所示）。

圖3 孔壁成像機理

通過展開的360°圖像能夠清晰分辨出裂隙發育特征，同時，深度脈沖發生器實時監測探測裝置所在位置，能夠準確定位裂隙發育部位，彌補了地質勘探中的不足。其結構如圖4所示[12]。

圖4 鉆孔電視

3）微震監測

微震監測技術是基于聲發射學和地震學，目前。它是對監測對象的破壞狀況、安全狀況等作出評價，從而為預報和控制災害提供依據的一種新型的高科技監控技術。其結構主要包括傳感器、數據采集器、數據通信、服務器等。

微震監測技術測試原理是，工作面回采過程中受到支撐應力和采動影響，煤巖體發生變形、破壞，在這一過程中會釋放應力波形成微震事件，該事件的發生預示一定范圍內煤巖體發生破壞，形成了裂隙，其裂隙發育情況通過事件頻率和能量大小等指標綜合判斷，為底板破壞深度確定提供科學依據，其監測結構如圖5所示[13-15]。

圖5 微震監測系統結構

2 底板破壞深度及裂隙演化

為了得出工作面底板破壞深度指導帶壓工作面安全回采，在與3215工作面地質特征、回采條件相同的工作面，不存在承壓水威脅的3206工作面進行底板破壞深度測試。

2.1 分段注水確定底板破壞深度

1）鉆孔布置

采用分段注水裝置和鉆孔電視確定底板破壞深度和裂隙發育情況，為了提高測試準確度和降低測試成本，采用多孔測試、一孔多用的測試原則，先進行鉆孔電視探測，再進行分段注水試驗，降低分段注水對于鉆孔裂隙的影響，分段注水壓力設計為0.5 MPa，根據工作面巷道布置、地質特征以及工作面開采實際情況，在3206-3巷道布置三個觀測孔，開孔方向與巷道中心線垂直，與煤層夾角45°，鉆孔深度為57 m。鉆孔布置如圖6所示。

圖6 鉆孔布置示意圖

2）測試結果

鉆孔分段注水試驗長度設計為2.0 m，起始測試深度為2 m，終止測試深度為56 m，注漿壓力為0.5 MPa，封堵壓力為2.0 MPa。分段注水裝置測試結果如圖7所示。

圖7 分段注水數據曲線

工作面回采前煤層底板鉆孔注水量非常低，裂隙發育度較低。回采后注水量明顯提高，說明工作面回采受底板受支撐應力和采動影響，使得煤層底板裂隙發育度提高，工作面回采后鉆孔注水量曲線呈“半馬鞍型”分布。就①號鉆孔進行分析，在10 m之內，由于鉆孔位置處于保護煤柱之下，受采動影響較小，采動后鉆孔注水量較小，裂隙發育度較低；在10～30 m范圍內，由于該部分鉆孔已進入到工作面正下方，受采動影響明顯，鉆孔注水量處于較高水平，裂隙發育度較高；在30～48 m范圍內，由于鉆孔深度的增加，與工作面的距離不斷增大，受工作面回采程度不斷降低，鉆孔注水量不斷減少；當鉆孔深度在48 m以后時，鉆孔深度增加到一定深度后，工作面采動影響達不到該深度時，鉆孔注水量基本上保持與采動前持平水平，說明該位置就是底板破壞深度。采動后鉆孔①、②、③號分別在48 m、48 m、46 m處鉆孔注水量回落到與采動前幾乎相同的水平，說明采動后工作面底板破壞深度分別是33.6 m、33.6 m、32.2 m。

2.2 底板破壞特征鉆孔電視分析

工作面回采前后鉆孔電視探測數據如圖8所示。由圖可知，工作面回采前底板鉆孔裂隙發育度較低，幾乎無裂隙。當工作面回采后裂隙發育程度明顯提高。由采動后鉆孔裂隙發育特征能夠清晰地看到底板裂隙發育分界點，①、②、③號鉆孔底板裂隙分界點分別是47.8 m、49.2 m、47.6 m，其底板破壞深度分別是33.5 m、34.4 m、33.3 m。

圖8 采動前后鉆孔裂隙情況

2.3 微震技術確定底板破壞深度

微震技術能夠對底板破壞進行四維監測，根據事件以及能量確定工作面底板破壞特征，采用ARAMIS M/E微震系統，在工作面范圍內布置8個傳感器，采樣率50，100，定位準確度（±50 m），工作面探頭布置如圖9所示。

圖9 微震監測布置圖

圖10 為工作面回采過程中底板微震事件，圖中僅顯示能量點超過1×104J以上的破壞事件。由圖10（a）可知，當工作面推進30～90 m時，工作面底板產生了破壞，破壞深度達到粉砂巖初始部位，破壞深度為22.8 m。

圖10 工作面回采過程中底板破壞

由圖10（b）可知，當工作面推進到480～540 m時，此時工作面底板破壞深度達到了粉砂巖巖層中部位置，該階段工作面已達到完全采動狀態，其最大破壞深度為31.6 m。

3 采動底板裂隙演化規律

3.1 鉆孔深度與裂隙數量關系

工作面回采過程中裂隙發育數量反映了工作面底板巖體受采動影響程度，根據鉆孔深度與裂隙發育數量得出深度—裂隙數量關系曲線如圖11所示。

由圖11可知，采動前裂隙數量較小，采動后裂隙數量明顯增加，在孔口10 m范圍內裂隙數量較小，經分析，該部分區域位于保護煤柱下部受采動影響較小，因此，裂隙發育量小；隨著鉆孔深度增加裂隙數量直線上升，該區域離工作面較近，受采動影響劇烈，因此裂隙數量處于高位，隨著鉆孔深度的不斷深入，受采動影響較小，裂隙數量逐漸降低，當鉆孔深度增加到一定位置時，不受采動影響，裂隙數量恢復到采動前的水平，此處應為底板破壞最底部，即為工作面底板破壞深度。

圖11 鉆孔深度與裂隙數量曲線

3.2 裂隙數量與裂隙寬度關系

工作面回采過程中裂隙發育寬度反映了工作面底板巖體受采動影響劇烈程度，在采動影響下，近工作面區域裂隙寬度明顯較大，采動前后裂隙發育寬度曲線如圖12所示。

圖12 采動前后裂隙寬度分布

由圖12可知，工作面回采前裂隙寬度主要以小于5 mm為主，其比例為42.5%，說明工作面回采前煤層底板裂隙發育度較低，隨著工作面的回采，煤層底板受采動影響裂隙寬度明顯增加，其寬度主要以11～25 mm為主，其比例為60.8%，說明工作面回采后底板受采動影響，裂隙發育度提高。

4 采動底板破壞模擬研究

4.1 相似模擬

相似模擬研究是一種重要的科學研究手段，該研究方法是在實驗室中將實際的開采情況按照相似原理通過一定比例進行縮小，通過相似材料進行搭建模型，借助測試儀器觀測模型開采過程中的變形以及應力變化特征，采用模型的測試結果來推斷原型中中可能發生的力學現象以及巖體壓力分布的規律，從而解決巖體工程生產中的實際問題。該研究方法具有測試準確、簡便、經濟以及試驗周期短的優點，克服了現場測試中難以實現的問題。

以3215工作面為試驗工作面采用相似模擬試驗對其工作面回采過程中裂隙演化進行模擬研究，采用幾何相似比1∶100，時間比為1∶10，容重比為1∶1.5，彈性模量、強度比為1∶150。試驗模型材料以細砂為骨料，以石灰、石膏作為膠結材料，云母作為分層材料。其模擬結果如圖13所示。

由圖13可知，隨著工作面的推進底板發生了破壞，并且產生了微小裂隙，隨著工作面的繼續推進底板破壞深度不斷向深部擴展，同時裂隙發育寬度明顯增大，當工作面推進到60 m時，底板破壞嚴重且產生了橫向裂隙，當工作面推進到120 m時，底板近煤壁區域裂隙貫通，裂隙發育程度較高，底板破壞高度為32.8 m。

圖13 底板破壞特征

4.2 數值模擬

采用數值模擬對工作面回采過程中底板破壞進行研究，為了更加準確地進行模擬，采用FLAC數值模擬軟件進行，該軟件采用的是有限差分法的計算分析技術，它將計算區域劃分六面體進行分析。在模擬過程中必須完成三部分內容，劃分表格、本構關系、材料特性，完成數值建模后，可求解獲得模型的初始狀態，然后執行煤層開挖工作，求解計算新的狀態下的模型響應結果。該軟件主要通過有限差分逼近法、離散逼近、動態求解法進行求解。得出其模擬結果如圖14所示。

圖14 數值模擬結果

由圖14（a）可知，工作面回采后，煤層底板應力發生了變化，其下方應力大于上方應力，其應力曲線呈“勺子型”分布，卸壓強度隨著深度的增加而不斷降低。

由圖14（b）可知，工作面回采后，原始應力平衡被打破，應力重新分布，底板卸壓，在煤層底板形成了塑性破壞區，該塑性區面積較大。同時由于兩端受到應力集中的影響，在底部巖層產生了較大范圍的塑性區。

5 結束語

采用分段注水、鉆孔電視探測、微震監測對底板破壞特征進行了分析，并對底板破壞特征進行了模擬研究，得出以下結論：

1）采用分段注水、鉆孔電視探測、微震監測對底板破壞深度進行了分析，得出緩傾斜中厚煤層底板破壞深度為31.6～34.4 m。

2）鉆孔電視探測表明，工作面回采前裂隙發育程度低，回采后裂隙數量呈上升—下降—持平的形態分布；工作面回采前底板裂隙寬度以小于5 mm為主，采動后裂隙寬度以11～25 mm為主。

3）相似模擬和數值模擬表明：隨著工作面的推進，底板破壞并產生裂隙，繼而裂隙寬度增加，并產生橫向裂隙，底板近煤壁區域裂隙貫通，裂隙發育程度較高；底板垂直應力曲線呈“勺子”型分布且形成了較大范圍的塑性破壞區。