超千米采深煤層底板應力分布物理模擬研究

盧 鋼

（1.河北煤炭科學研究院有限公司，河北 邢臺 054000；2.河北省礦井微震重點實驗室，河北 邢臺 054000）

0 引 言

隨著我國煤炭行業的發展，煤礦開采不可避免的往深部進行，目前，中東部地區多數煤礦已進入深部開采。采掘打破原巖應力的平衡，煤層底板應力擾動區域存在微裂隙的擴張，對于含水層導升、構造活化等存在重要的相關關系。尤其在深部開采面臨的高水壓、高礦壓、高地應力復雜地質環境，應力變化誘發突水事故威脅顯著增大。因此，研究深部開采煤層底板應力擾動意義重大。

對于煤礦開采過程中底板應力分布特征問題，國內許多學者做了深入的研究。王路軍[1]提出采動應力擾動因子表達式，得到了煤體在擾動和未擾動條件下應力場和變形場規律；王文林[2]模擬得出了復雜應力擾動下巷道圍巖變形規律，巷道在鄰面回采東亞影響下應力集中顯著增強；任波[3]通過數值模擬和微震監測相結合的方法，研究了注漿前后破碎帶的圍巖應力分布差異，注漿后應力異常區減小，圍巖穩定；劉毅[4]對淺部工作面超前支撐壓力進行實測研究，得到其影響范圍及峰值位置；郜慧強[5]通過數值模擬研究了工作面底板的垂直應力，包括實體煤及采空區。以上專家對采動應力進行了大量研究，但是對于大采深條件下底板應力分布特征，研究較少。本文以邢東礦超千米采深工作面為研究背景，采用室內物理模擬方法研究底板應力重分布影響范圍及特點，為類似條件工作面的開采提供一定的科學依據。

1 工程背景

邢東礦2125 工作面標高-1 038—-1 136 m，地面標高+53—+55 m。開采煤層為2 號煤，煤厚3.7～4.6 m，傾角平均10°，向切眼方向煤厚和傾角逐漸增加。工作面內構造相對簡單，總體呈單斜構造，底板標高在-1 050—-1 130 m，僅在運料巷靠近切眼部分存在NE 向向斜構造。

2 煤下包括野青灰巖含水層、伏青灰巖含水層、大青灰巖含水層以及奧陶系灰巖含水層。2 號煤底板距下伏的野青含水層為44 m，距下伏的伏青含水層為90 m，距下伏的大青含水層為135 m，距下伏的奧灰含水層為174 m。

為研究采動應力重分布影響范圍及對各底板含水層的影響，在底板各含水層分別布置應力盒，監測采后應力變化。

2 模擬方案

2.1 模擬范圍及相似比尺

根據邢東礦2125 工作面附近鉆孔資料，確定此次模擬的垂向范圍以及相似比尺。選定模擬的確切剖面，確定具體尺寸。實驗室模型架尺寸（長度×高度×厚度）為502 cm×120 cm×22 cm。模擬開采煤層為2 號煤層，模型覆蓋范圍包括奧灰頂面到開采煤層，考慮實驗條件，確定幾何相似比尺、時間相似比尺分別為200、14.142。

2.2 邊界條件

根據各巖層的密度結合容重相似常數，確定模型各巖層密度。由于模型頂界面為地表以下1 040.15 m 處巖層，需計算模型頂界面邊界條件，即壓強：

式中：h 為省去的模型頂界面到地表的高度，為5.2 m。

模型底界面以下為奧陶系灰巖含水層，需計算底界面承壓水水壓。以抽水觀測孔水位數據為根據，繪制奧陶系灰巖等水位線圖，以此為依據，確定臨近工作面奧陶系灰巖水位線為+1.5 m，結合奧陶系灰巖頂面埋深，確定模擬范圍底界面水壓為+11.5 MPa。模型及底界面加載裝置如圖1 所示，模型頂界面加載裝置如圖2 所示。

圖1 模型觀測點及底界面加載裝置Fig.1 Model observation point and bottom interface loading device

圖2 模型頂界面加載裝置Fig.2 Model top interface loading device

2.3 觀測系統

應力通過埋設應力盒的方法測試，應力盒連接靜態應力應變測試分析系統，實時接收應力數據。應力盒布置如圖3 所示，壓力盒的埋設及固定如圖4 所示。

圖3 模型應力盒布置示意Fig.3 The stress boxes layout of model

圖4 壓力盒的埋設及固定Fig.4 Embedding and fixing of the stress boxes

由于邢東礦2125 工作面停采線正前方是原2222 工作面采空區，實驗模型沿2125 推進方向取剖面，在推進方向前方設置老采空區，研究采動對老采空區及保護煤柱底板的擾動。

開挖方法為全部垮落法。根據工作面采線記錄，確定采線每天推進平均約1.43 m，結合模型相似常數，得到在模型尺度下，采線每天移動10 cm。工作面走向長度230 cm，需要23 d 全部采完。采煤過程中，隨工作面推進距離的不同，觀測記錄模型底板巖層應力變化及裂隙演化過程。

3 實驗結果分析

3.1 煤層底板應力數據分析

3.1.1 應力盒實驗結果

首先分析臨近2 煤底板鋪設的應力盒數據，沿著2 煤底板從開切眼到老采空區中央選擇7 個應力盒，編號分別為應力盒1～7，應力盒1 距開切眼55 cm。

此處應力為應力盒讀取數據，都為變化值，應力初始值（原巖應力）設置為0，應力盒應力變化如圖5～圖10 所示。

圖5 應力盒1 應力變化曲線Fig.5 The stress change curve of stress box 1

由圖5 可知應力盒1 應力變化。在工作面推進到距此處25 cm 時，應力逐步顯現；到達應力盒所在位置時，應力集中現象最明顯，壓應力達到最大值-0.12 MPa；工作面通過此位置后，該處發生離層，壓應力迅速降低并轉化為拉應力，在工作面距離開切眼50 cm 時，該位置拉應力達到最大值，為0.08 MPa；隨著工作面繼續推進，該位置頂底板接觸，重新壓實，拉應力降低并迅速轉化為壓應力，最終在120 cm 之后趨于穩定，恢復到接近原巖應力狀態。

由圖6 可知應力盒2 應力變化。在工作面推進到距此位置50 cm 時，應力逐步顯現；到達應力盒所在位置時，應力集中現象最明顯，壓應力達到最大值-1.56 MPa；工作面通過此位置后，該處發生離層，壓應力迅速降低并轉化為拉應力，在工作面距離開切眼30 cm 時，該位置拉應力達到最大值，為0.54 MPa；隨著工作面繼續推進，該位置頂底板接觸，重新壓實，拉應力降低并迅速轉化為壓應力，最終在130 cm 趨于穩定。

圖6 應力盒2 應力變化曲線Fig.6 The stress change curve of stress box 2

由圖7 可知應力盒3 應力變化。在工作面推進到距此位置50 cm 時，應力逐步顯現；到達應力盒所在位置時，應力集中現象最明顯，壓應力達到最大值-1.31 MPa；工作面通過此位置后，該處發生離層，壓應力迅速降低并轉化為拉應力，在工作面距離開切眼30 cm 時，該位置拉應力達到最大值，為0.32 MPa；隨著工作面繼續推進，該位置頂底板接觸，重新壓實，拉應力降低并迅速轉化為壓應力，在開采結束6 h 之后，煤柱垮落，誘使其進一步壓實，恢復到原巖應力狀態。

圖7 應力盒3 應力變化曲線Fig.7 The stress change curve of stress box 3

由圖8 可知應力盒4 應力變化。在工作面推進到距此位置50 cm 時，應力逐步顯現；到達應力盒所在位置時，應力集中現象最明顯，壓應力達到最大值-1.02 MPa；工作面通過后，該處發生離層，壓應力迅速降低并轉化為拉應力，在工作面距離開切眼20 cm 時，該位置拉應力達到最大值，為0.34 MPa；隨著工作面繼續推進，該位置頂底板接觸，重新壓實，拉應力降低并迅速轉化為壓應力，在開采結束6 h 之后，煤柱垮落，誘使其進一步壓實，后逐漸趨于穩定。煤柱垮落對該位置影響很大。

圖8 應力盒4 應力變化曲線Fig.8 The stress change curve of stress box 4

由圖9 可知應力盒5 應力變化。此處為煤柱下方，工作面推進到距此處50 cm 時，煤層底板應力開始有影響；推進到距此處20 cm 時，應力集中達到最大，最大應力為-0.29 MPa；之后煤柱發生坍塌，應力集中減弱，應力逐漸釋放，最終恢復原巖應力狀態。

圖9 應力盒5 應力變化曲線Fig.9 The stress change curve of stress box 5

圖10 應力盒6 應力變化曲線Fig.10 The stress change curve of stress box 6

由圖10 可知應力盒6 應力變化。此處為老采空區底板，應力變化散亂，與工作面推進無明顯關系。在煤柱垮落時受到垮落沖擊，壓應力急劇增大，最終趨于穩定。

在老采空區距離煤柱較遠處的應力盒7，在整個開采及開采結束后的過程中應力值一直在原巖應力上下擺動，工作面的推進以及煤柱的坍塌對其都沒有造成影響。

3.1.2 數據分析

經過上述應力數據分析可以得出以下結論。

（1）在工作面推進過程中底板應力的變化過程及影響范圍。

底板各點應力變化過程為“原巖應力-壓應力增大-壓應力最大值-壓應力轉為拉應力（應力釋放）-拉應力轉為壓應力（逐漸壓實）-逐漸恢復到原巖應力”6 個階段，應力變化過程類似為正弦曲線形態。

綜合分析底板各位置的應力影響情況，底板淺部應力重分布影響范圍為工作面前方50 cm，轉化成現場尺度為100 m。

工作面后方重新壓實至原巖應力狀態的步距為130 cm，轉化成現場尺度為260 m。

（2）臨近老采空區的影響。

煤柱垮落使其自身應力得到釋放，壓應力減小；使周圍受到垮落沖擊，壓應力增大。煤柱垮落對底板應力的影響范圍為周圍80 cm，轉化成現場尺度為160 m。

由于保護煤柱的作用，工作面推進并不能影響臨近老空區的應力。

3.2 各巖層應力與工作面推進關系

選取距開切眼55 cm 處一列應力盒，分析其應力變化情況。在2 煤底板以下依次為野青頂面應力盒（圖11）、野青底面應力盒（圖12）、伏青頂面應力盒（圖13）、大青頂面應力盒（圖14）及奧灰頂面應力盒（圖15）。

圖11 野青頂面應力變化曲線Fig.11 The stress change curve of Yeqing limestone top interface

圖12 野青底面應力變化曲線Fig.12 The stress change curve of Yeqing limestone bottom interface

圖13 伏青頂面應力變化曲線Fig.13 The stress change curve of Fuqing limestone top interface

圖14 大青頂面應力變化曲線Fig.14 The stress change curve of Daqing limestone top interface

由各應力變化曲線對比分析可知以下結論。

（1）底板由淺入深，各巖層應力的變化受工作面推進的影響程度變弱。應力起伏的峰值及峰值差變小。起伏趨勢變緩，峰值越來越不明顯。

（2）野青灰巖以深的應力監測區域，在工作面采動的過程中沒有明顯的峰值出現。

（3）伏青以下大青、奧灰附近巖層應力的變化與工作面的推進沒有關系，其應力大體在原巖應力附近徘徊，在工作面采完之后最終應力有一定程度的釋放，壓應力減小。采動對底板的應力影響范圍到達伏青灰巖附近，底板應力影響深度為90 m。

圖15 奧灰頂面應力變化曲線Fig.15 The stress change curve of Ordovician limestone top interface

4 結 論

（1）根據物理模擬試驗結果，水平向超前支撐壓力影響范圍為100 m，工作面后方重新壓實至原巖應力狀態的步距為260 m。邢東2125 工作面實測超前支撐壓力影響范圍92 m，試驗與現場實測較為吻合。

（2）現場實測底板破壞帶深度45 m，試驗所得底板90 m 有應力擾動，反映底板破壞帶之下還存在一定區域，雖然沒有發生顯著破壞，但采掘打破其原巖應力平衡，產生了應力擾動。