承壓水上方煤層帶壓開采底板破壞規律與風險分析

王劍輝

(山西離柳焦煤集團 宏巖煤礦,山西 呂梁 033000)

1 工程概況

煤礦帶壓開采時容易受到底板承壓水害的威脅[1-2]。我國華北地區煤田的煤層底板普遍存在太原組灰巖含水層和奧陶系灰巖含水層,尤其是奧陶系灰巖含水層厚度大、巖溶發育、補給面積大、水位較高、水量極為豐富,是華北煤田開采下組煤的主要水害威脅[3-4]。宏巖煤礦井田內對煤層開采影響大的地下水為奧陶系巖溶水,最大水壓約為3 MPa,現階段開采的9號煤層底板為泥巖、砂質泥巖、頁巖、鋁質泥巖等巖性較弱的巖石,具有極高的底板突水風險。因此,擬采用理論計算、數值模擬、現場測試等方法對底板破壞規律與風險性進行分析與評價。

2 承壓水上方煤層底板破壞特征

煤層開采的過程中,隨著工作面的逐漸推進,采場底板的支承壓力也會相應發生變化,當開采產生的擾動應力大于煤層底板巖石的極限強度時,底板會產生塑性破壞,整體的承壓能力降低。在底板水壓的作用下,底板承壓水會向上導升,當導升高度達到采動應力導致的底板塑性破壞區后便會向采場內部涌水,容易導致水害事故。煤層底板承壓水應力分布與塑性破壞區如圖1所示。

圖1 煤層底板承壓水應力分布與塑性破壞區

圖中,γ為覆巖容重,kN/m3;H為煤層埋深,m;xa為超前支承壓力峰值點到工作面的距離,m;l1為底板塑性破壞區到工作面的最大距離,m;l2為采空區到工作面的底板塑性區距離,m;Hm為垮落帶高度,m;φ為底板巖石的內摩擦角,(°);h為底板塑性破壞區深度,m.

根據圖1所示的力學模型,對煤層開采造成的底板最大破壞深度進行分析。在底板abf幾何區域內,巖石受到較高的支承壓力作用,此區域內的巖石在垂直方向被壓縮,在水平方向上對abec巖石做擠壓運動。abec區域內的巖石受到的水平擠壓力向右上方的acd巖石傳遞,最終導致采空區的底板巖石出現底鼓,并容易導致底板承壓水涌入采空區。工作面底板的塑性破壞區最大深度見式(1)[5]:

(1)

底板塑性破壞區到工作面最大距離的計算公式見式(2):

(2)

采空區到工作面底板塑性區距離的計算公式見式(3):

(3)

底板支承壓力峰值點到工作面的距離見式(4):

(4)

式中:K為支承壓力集中系數,取2.5;σc為巖石抗壓強度,取15 MPa.

根據現場實測勘探數據,取γ=25 kN/m3,H=580 m,φ=16°.將數據帶入上式,最終得到底板塑性破壞區到工作面的最大距離l1為2.6 m,底板支承壓力峰值點到工作面的距離xa為5.37 m,采空區到工作面的底板塑性區距離l2為11.18 m,工作面底板的塑性破壞區最大深度Hmax為9.06 m.

3 底板破壞特征數值模擬

3.1 數值模型的建立

根據宏巖煤礦9號煤層工作面的地質條件,運用FLAC3D數值模擬軟件建立長500 m、高100 m、寬300 m的長方體模型,在煤層上方施加10 MPa的地應力。限制模型四周的水平位移以及模型底部的垂直位移。在模型的底部邊界施加3 MPa的水壓邊界模擬底板的承壓水。數值模擬采用摩爾-庫倫本構模型。模型的巖性參數如表1所示。

表1 數值模擬巖性參數

3.2 底板破壞深度變化特征

為分析工作面布置長度對底板塑性區發育深度的影響,在數值模型中分別模擬100 m、120 m、140 m、160 m、180 m、200 m共計6種不同工作面長度的模型,計算的走向開采長度均為100 m,最終得到工作面長度與底板破壞深度變化關系如圖2所示。底板的破壞深度隨工作面長度變化呈現出非線性增長的趨勢,在工作面長度為120～160 m的過程中,底板破壞深度快速增加,當長度大于160 m后,底板破壞深度的上升趨勢逐漸平緩。

圖2 工作面長度與底板破壞深度變化關系

3.3 底板支承壓力分布特征

隨著工作面的逐漸開采,底板的支承壓力分布特征如圖3所示。當工作面開采100 m時,底板應力值約為26 MPa,隨著工作面的逐漸推進,應力值逐漸上升,最大值達到了38 MPa.同時在工作面推進方向上,平均每推進10 m會產生小幅度的應力攀升,這主要是由于周期來壓導致的循環性應力增高。根據底板應力的數值可知,采空區內部存在著一定范圍的卸壓區,越靠近工作面,卸壓區的卸壓效果越明顯。

圖3 煤層底板支承壓力分布

煤層底板的塑性破壞區隨著工作面的推進周期性移動,底板塑性區表現出來周期性的張拉破壞—重新壓實—張拉破壞形式,這與工作面的周期來壓密切相關,也與圖3所示的采空區中的小幅度應力升高密切相關。工作面向前推進時,底板應力隨著支承壓力峰值點的遷移而增加,達到應力峰值點并引發塑性破壞,當工作面推進過后,底板應力迅速釋放,發生剪切滑移破壞。因此,工作面后方0～40 m范圍內的巖體最易形成導水通道。

綜合分析可知,在煤層開采的動載荷作用以及承壓水壓力的綜合作用下導致了底板塑性破壞區的發育,破壞區域主要發育在工作面附近到采空區觸矸區范圍內。此區域主要為垂直應力的卸壓區,底板巖石主要以張拉破壞為主,破壞深度約為9 m,數值模擬的計算數值與式(1)計算的工作面底板的塑性破壞區最大深度相近。

4 底板破壞深度現場測試

4.1 測試方案

為判斷宏巖煤礦9號煤層的底板破壞深度,根據現場試驗條件,采用鉆孔分段壓水觀察水量變化,以此對煤層底板的破壞深度進行研究。取測試段的長度為2 m,壓水測試的時間為20 min,壓水的壓力為0.2 MPa,每隔5 min記錄1次水量的變化。現場試驗的鉆孔布置如圖4所示。

圖4 壓水試驗鉆場布置示意

測試孔的編號與測試深度分別為3號孔(7.51 m,12.37 m)、4號孔(12.4 m,14.43 m)、5號孔(14.43 m,20.00 m)。由于4號鉆孔與5號鉆孔的壓水量基本保持不變,而根據圖5所示的3號鉆孔測試結果可知,最大壓水量為28.6 L/min,最小壓水量為19.8 L/min,變化量較大,壓水量出現變化主要在3號鉆孔,因此,可以判定底板的破壞發生在3號鉆孔的測試范圍內。根據圖5(b)所示的雙塞壓分段水流量變化特征,只有3號鉆孔在(8.98 m,9.03 m)區間內的流量滿足判別標準,表明此區間內的底板破壞較為發育。

圖5 3號鉆孔測試曲線

4.2 突水風險評價

根據宏巖煤礦地質測試資料,底板承壓水的壓力值約為3 MPa.根據前文的理論計算、數值模擬、現場實測,底板的破壞深度為9～9.06 m.為保證工程可靠性,擬推斷9號煤層的底板最大破壞深度為9.5 m,底板承壓水的隔水層厚度為30.5 m,根據式(5)所示的突水系數進行計算:

T=P/M

(5)

式中:T為底板突水系數,MPa/m;P為底板承壓水的水頭,MPa;M為隔水層厚度,m.

根據計算結果,最終推斷9號煤層的突水系數為0.098 MPa/m.根據煤礦防治水條例,隔水層在地質條件良好的賦存地帶,突水系數需小于0.1 MPa/m.因此,9號煤層開采時滿足安全開采的需求,但由于兩值的計算結果較為接近,需要加強底板防治水工作。

5 結 語

1) 理論分析了煤層底板承壓水應力分布與塑性破壞區的力學模型,根據理論計算得到底板塑性破壞區到工作面的最大距離為2.6 m,底板支承壓力峰值點到工作面的距離為5.37 m,采空區到工作面的底板塑性區距離為11.18 m,工作面底板的塑性破壞區最大深度為9.06 m.

2) 運用FLAC3D進行多場耦合計算,表明隨著煤層開采,底板的破壞深度隨工作面長度變化呈現出非線性增長的趨勢,底板塑性區表現出張拉破壞—重新壓實—張拉破壞形式。底板的破壞深度約為9 m.

3) 根據現場鉆孔分段壓水測試結果,煤層底板的破壞深度為8.98～9.03 m.突水系數約為0.098 MPa/m.表明9號煤層開采時滿足安全開采的需求,但接近于臨界值,需要加強底板防治水工作。