中組煤上覆煤層開采沖擊荷載擾動(dòng)下底板破壞深度研究

晁騰躍，華心祝，朱 曄

（安徽理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引 言

我國正處于高速發(fā)展的階段，資源消耗也在不斷提高，淺部煤炭資源已經(jīng)基本消耗殆盡[1]，煤層賦存條件愈發(fā)復(fù)雜，煤礦開采中遇到近距離煤層開采的頻率不斷上升，實(shí)際開采中遇到煤層賦存地質(zhì)條件中近距離煤層賦存的條件和開采占比不斷提升，如淮南礦區(qū)、平頂山礦區(qū)、西山礦區(qū)、新汶礦區(qū)、大同礦區(qū)等[2]，在近距離煤層開采中，底板破壞可能會(huì)引起瓦斯突出，對(duì)其下煤層開采的巷道布置、頂板安全等造成影響。

當(dāng)前對(duì)底板破壞的研究多采用數(shù)值模擬、理論分析、經(jīng)驗(yàn)公式、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)[3-4]等方法，陳義偉[5]使用鉆孔注水法得出回采工作面底板破壞深度受工作面埋深、傾斜長度、走向長度、煤層傾角、厚度、底板巖性、回采工藝等因素影響。李建林等[6]建立底板脆弱模型結(jié)合FLAC3D模擬，以平煤十二礦為背景，確定影響煤層底板破壞深度的六個(gè)因素，關(guān)聯(lián)性從大到小依次為工作面斜長、頂板巖性組合、采深、底板巖性組合、煤厚、煤層傾角。許勁峰[7]和LIU 等[8]研究表明，隨著煤層傾角增加，底板破壞深度先增大后減小，傾角達(dá)到30°時(shí)，破壞深度達(dá)到最大，超過30°，底板最大破壞深度逐漸減小。孫闖[9]采用UDEX 和FLAC3D模擬軟件進(jìn)行分析，在相同地質(zhì)條件下，采高與工作面斜長均存在臨界值，達(dá)到臨界值之前底板破壞深度隨線性增加，超過后破壞深度基本穩(wěn)定。段宏飛[10]采用現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)變實(shí)測(cè)法研究得出，在煤層開采過程中，底板所受采動(dòng)礦壓影響具有超前和延后特點(diǎn)，且煤層采動(dòng)超前影響距離一般大于延后影響距離。LI 等[11]和朱開鵬等[12]通過模擬研究不同工作面開采寬度得出，當(dāng)工作面開采寬度小于140 m 時(shí)，煤層破壞深度隨工作面增大而增大，幾乎成線性關(guān)系，超過之后，煤層底板采動(dòng)破壞深度基本不變。王程等[13]通過孔中瞬變電磁法測(cè)得底板破壞深度，并得出回采工作面底板破壞深度隨工作面斜長不同而變化。袁安營等[14]采用相似模擬實(shí)驗(yàn)法模擬斜橋煤礦極近距離煤層重復(fù)開采過程，當(dāng)上煤層開采穩(wěn)定后，對(duì)下煤層進(jìn)行開采產(chǎn)生與上工作面采空區(qū)貫穿的裂縫，導(dǎo)致下煤層工作面周期來壓發(fā)生不規(guī)律變化。王厚柱等[15]根據(jù)徐莊煤礦工程分別建立雙煤層單層煤開采、雙層煤開采物理相似模擬模型，與經(jīng)驗(yàn)和理論公式對(duì)比結(jié)果偏大，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相比結(jié)果偏小，模擬結(jié)果依次從上到下開采時(shí)與單獨(dú)開采下煤層相比，底板最大破壞深度有效減小。施龍青等[16]對(duì)眾多現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)底板破壞深度與其有關(guān)的影響因子進(jìn)行曲線擬合，得到采場(chǎng)底板破壞深度的非線性回歸修正計(jì)算公式。沈浩等[17]采用斷裂力學(xué)理論建立了煤層傾角對(duì)底板破壞深度影響的計(jì)算模型，通過與我國大量礦井現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，驗(yàn)證了計(jì)算模型的可靠性。PENG等[18]通過數(shù)值模擬和理論計(jì)算分析近距離煤層底板破壞，其破壞深度與煤層之間間隔距離密切相關(guān)。MENG 等[19]結(jié)合鉆孔漏水法和FLAC3D模擬得出，傾斜煤層底板傾斜方向破壞特征與走向一致。

目前，對(duì)煤層開采擾動(dòng)下底板破壞的研究多集中于單煤層預(yù)防承壓水隔水層破壞，對(duì)多煤層間隔近、上煤層開采對(duì)其下煤層安全開采有無造成影響方面研究較少。此外，現(xiàn)有對(duì)底板破壞深度構(gòu)建的理論計(jì)算模型中，沒有考慮回采中采空區(qū)頂板垮落步距，以及垮落沖擊荷載對(duì)底板的破壞作用，需要在開采擾動(dòng)下底板破壞公式中加以補(bǔ)充，進(jìn)一步完善底板破壞公式，提高公式可靠性。本文以淮北祁南煤礦6142 綜采工作面為研究背景，其61煤層、62煤層、63煤層平均間隔均未超過8 m，屬于典型的近距離煤層地質(zhì)條件。通過理論計(jì)算、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)對(duì)61煤層開采擾動(dòng)下底板破壞進(jìn)行研究，揭示近距離煤層工作面回采過程中底板巖體的塑性區(qū)發(fā)育破壞規(guī)律，得到底板破壞深度理論解和數(shù)值解。結(jié)合工作面底板破壞深度現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，驗(yàn)證了沖擊荷載理論計(jì)算模型和數(shù)值解的可靠性，為近距離煤層開采提供安全參考。

1 工作面概述

宿州祁南煤礦位于安徽省宿州市埇橋區(qū)祁縣鎮(zhèn)境內(nèi)，北距宿州市約23 km，南距蚌埠市約70 km，隸屬于淮北礦業(yè)股份有限公司。祁南煤礦6142 工作面為84 采區(qū)61煤層右翼第一個(gè)區(qū)段，工作面走向長603～678 m，工作面埋深?361.3～?419.2 m，傾斜寬178 m，煤層厚度0.30～1.93 m。根據(jù)三維地震勘探及巷道揭露資料分析，該工作面為地層走向近南北、傾向東的單斜構(gòu)造，傾角14°～21°，平均17°，局部有一定的起伏變化。工作面煤層柱狀圖如圖1 所示。

圖1 煤層綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of coal seam

2 傾斜煤層底板破壞特征分析

近距離煤層開采由于煤層間距較小，上煤層的開采將會(huì)直接或間接影響到其下煤層，開采擾動(dòng)下造成的圍巖應(yīng)力變化以及當(dāng)工作面推進(jìn)一定距離后產(chǎn)生的頂板垮落，都將對(duì)下煤層的安全開采造成影響。為獲得靜力荷載、頂板垮落所產(chǎn)生瞬時(shí)沖擊荷載綜合作用下工作面煤壁底板下方的破壞深度，建立近距離傾斜煤層開采擾動(dòng)下工作面底板力學(xué)分析理論模型，在靜載受力模型基礎(chǔ)上增加頂板垮落產(chǎn)生動(dòng)荷載，分析頂板垮落造成沖擊荷載下底板應(yīng)力分布狀態(tài)，研究底板破壞深度范圍。

2.1 垮落巖層沖擊應(yīng)力計(jì)算

將垮落巖層整體看作沖擊物，工作面底板為被沖擊物件，且沖擊過程中垮落巖層的位移距離忽略其垮落前下沉位移，垮落帶高度與垮落巖層體積決定了頂板垮落產(chǎn)生沖擊荷載的大小以及應(yīng)力波傳播后其產(chǎn)生的垮落物對(duì)采空區(qū)產(chǎn)生的恒載作用。

基于彈塑性力學(xué)平面問題[20]將工作面四周看作無限延伸狀態(tài)，單位厚度為1 m，垮落帶（深色部分）視為規(guī)則臺(tái)體，最大垮落角α，其下邊長為工作面斜長，如圖2 所示。

圖2 頂板垮落沖擊模型Fig.2 Impact model of roof caving

祁南煤礦6142 工作面平均傾角17°，煤層開采工作面頂板不存在高強(qiáng)度巖層，垮落帶最大高度Fd按經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式計(jì)算[21]，見式（1）。

式中：Td為上覆巖層彎曲下沉量，m；S為垮落巖層碎脹系數(shù)，通常取1.1～1.4；Ch為開采煤層厚度，m；P為煤層傾角，（°）。

根據(jù)垮落帶最大高度決定垮落層數(shù)，垮落巖層重量F計(jì)算見式（2）。

式中：g為重力加速度，m/s2；n為垮落巖層層數(shù)；Cvi巖層體積，m3；ρvi巖層密度，kg/m3。

垮落巖層靜載作用下底板下沉位移 ?s采用材料力學(xué)公式計(jì)算，見式（3）。

式中： ?d為工作面直接底厚度，m；A為底板受力面積，m2；E為直接底彈性模量，Pa。

沖擊應(yīng)力計(jì)算公式見式（4）[22]。

式中，沖擊荷載Id=FSd，其中，Sd為沖擊因子，計(jì)算見式（5）。

2.2 傾斜煤層底板應(yīng)力計(jì)算

以傾斜工作面左右煤體應(yīng)力集中區(qū)和20 m 原巖應(yīng)力區(qū)L1、L4為邊界，左側(cè)煤體邊界為坐標(biāo)原點(diǎn)。為安全生產(chǎn)及簡(jiǎn)化計(jì)算考慮，底板所受荷載視為均布荷載，煤壁應(yīng)力集中區(qū)荷載取最大支承集中應(yīng)力計(jì)算，兩側(cè)原巖應(yīng)力區(qū)取最大埋深處應(yīng)力，將沖擊荷載視為局部荷載與采空區(qū)垮落巖層荷載疊加，建立工作面底板受力模型（圖3）。

圖3 傾斜工作面底板受力模型Fig.3 Stress model of the floor of inclined working face

模型中L為工作面斜長，m；L2和L3為煤體應(yīng)力集中區(qū)長度，m，計(jì)算見式（6）[23]。

式中：K1,2中K1和K2分別為傾斜煤層下部與上部的支承壓力集中系數(shù)；φ為煤體內(nèi)摩擦角，（°）；φu和φd為煤體上下側(cè)與巖體接觸面上摩擦角，（°）。

假設(shè)傾斜工作面一點(diǎn)處受力大小為P，在其垂直應(yīng)力分量P1和水平應(yīng)力分量P2作用下工作面底板任意一點(diǎn)處切向應(yīng)力τ和垂直應(yīng)力σ在平面極坐標(biāo)系下表現(xiàn)形式見式（7）[24]。

轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)系下形式，見式（8）。

利用分段積分將一點(diǎn)處受力情況擴(kuò)展到局部荷 載作用下，以求得工作面底板下任意一點(diǎn)的應(yīng)力，見式（9）。

各分段應(yīng)力計(jì)算見式（10）。

式中：H1、H2、H3、H4分別為L1區(qū)段、L2區(qū)段、L3區(qū)段、L4區(qū)段最大埋深位置，m；γ為頂板巖層平均容重，kN/m3。

利用主應(yīng)力求解公式求得底板下任意一點(diǎn)主應(yīng)力σ1和σ3表達(dá)式，見式（11）；并結(jié)合摩爾-庫倫屈服判斷公式求解等式兩邊相等處y值，取y最大值即可求得底板下方最大破壞深度，見式（12）。

式中：C為底板巖層平均黏聚力，MPa；φ0為底板巖體平均內(nèi)摩擦角，（°）。

祁南煤礦6142 工作面垮落巖層荷載F，Td根據(jù)假設(shè)取0，P為煤層傾角17°，S為垮落巖層碎脹系數(shù)，通常取1.15，Ch=1.6 m，g為重力加速度9.8 m/s2， ?d為工作面直接底厚4.08 m，A為底板受力面積178 m2，C取2.3 MPa，頂板垮落產(chǎn)生沖擊應(yīng)力21.81×103kN/m2，K1和K2分別為2.39、2.12，φ煤體內(nèi)摩擦角28°，φu和φd煤體上下側(cè)與巖體接觸面上摩擦角26°。上覆巖層平均容重24.9 kN/m3，H1為440.75 m，H2為434.89 m，H3為361.3 m，H4為344.27 m，計(jì)算得工作面底板最大破壞深度17.32 m（表1）。

表1 祁南煤礦6142 工作面沖擊荷載影響下底板破壞深度計(jì)算Table 1 Calculation of the depth of floor failure under the influence of impact load in 6142 working face of Qinan Coal Mine

3 煤層底板破壞數(shù)值分析

基于祁南煤礦6142 工作面工程地質(zhì)條件建立FLAC3D計(jì)算模型，采用摩爾-庫倫基本模型，長度278 m、寬度220 m、高度105 m。分別在模型x軸、y軸兩側(cè)和模型底部固定邊界，由于工作面淺部埋深361.3 m，模型兩側(cè)留設(shè)煤柱50 m，考慮傾角因素模型頂部未能模擬，巖層每100 m 厚度壓力按照0.025 MPa 取值，模型上方施加等效應(yīng)力荷載大小為330 m×0.025 MPa，模型共計(jì)515 755 個(gè)單元，534 690個(gè)結(jié)點(diǎn)，為盡可能還原工作面采煤過程，采用分區(qū)段沿傾向和走向逐步推進(jìn)，采用傾向30 m×走向20 m回采方式，觀察底板破壞發(fā)育狀況，各煤層物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 煤層巖性及物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Lithology and physical and mechanical properties of coal seam

在模擬開采的過程中，回采時(shí)煤層底板塑性區(qū)在采空區(qū)兩側(cè)煤體下部發(fā)育較深，塑性區(qū)的發(fā)育呈現(xiàn)出兩側(cè)“先垂直后水平擴(kuò)散”的特點(diǎn)，采空區(qū)垂直煤壁下方發(fā)育較快，當(dāng)發(fā)育到一定程度后，垂直發(fā)育速度變慢，同時(shí)塑性區(qū)向兩側(cè)擴(kuò)散，如圖4 所示。

圖4 傾向方向工作面回采塑性區(qū)發(fā)育Fig.4 The development of plastic zone during mining in the dip direction of working face

隨著工作面開采長度的增加，工作面兩端煤壁承受壓力不斷增加，直至采空區(qū)頂板發(fā)生垮落，隨著工作面不斷推進(jìn)，這一過程重復(fù)發(fā)生，最終在煤層底板下方形成大范圍的塑性區(qū)，底板下方存在強(qiáng)度高巖層時(shí)塑性區(qū)發(fā)育被隔絕，在實(shí)際生產(chǎn)中必要時(shí)可考慮采取底板加固，為下煤層開采提供保障。

當(dāng)工作面完成傾斜方向一趟回采過程后，沿走向向前推進(jìn)，塑性區(qū)范圍在傾向回采后的基礎(chǔ)上繼續(xù)發(fā)育，工作面沿走向推進(jìn)25 m 后塑性區(qū)發(fā)育趨于穩(wěn)定，底板破壞深度達(dá)到最大值為16.12 m，62煤層、63煤層頂板均受到61煤層開采擾動(dòng)影響產(chǎn)生剪切破壞，形成塑性區(qū)，如圖5 所示。

圖5 走向推進(jìn)25 m 原位塑性區(qū)發(fā)育Fig.5 The development of plastic zone at the original position when the working face advances 25 m

為觀察工作面推進(jìn)過程中底板塑性區(qū)發(fā)育與底板應(yīng)力位移變化關(guān)聯(lián)性，在工作面下方不同位置設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別于底板埋深5 m、15 m、25 m 處設(shè)置應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，同一巖層埋深測(cè)點(diǎn)水平間距分布為25 m、20 m，如圖6 所示。

圖6 模型測(cè)點(diǎn)布置Fig.6 Model measuring point arrangement

當(dāng)工作面沿著傾向方向推進(jìn)時(shí)，觀察回采第二段時(shí)位于推進(jìn)前方25 m 后煤體下方所有3 號(hào)測(cè)點(diǎn)位移無明顯變化，不受集中支撐壓力影響。在工作面傾向前側(cè)煤體下方產(chǎn)生的位移量隨著埋深的增大而減少，如測(cè)點(diǎn)1-1、測(cè)點(diǎn)1-2、測(cè)點(diǎn)1-3 在傾向方向第一段回采時(shí)豎向位移大小分別為0.550 cm、0.400 cm、0.288 cm。未開挖至測(cè)點(diǎn)水平面時(shí)，測(cè)點(diǎn)處垂直應(yīng)力均呈現(xiàn)出不同程度的垂直應(yīng)力增加。當(dāng)工作面走向推進(jìn)越過測(cè)點(diǎn)，應(yīng)力瞬間釋放，大幅度減少；沿著走向推進(jìn)距離達(dá)15 m 時(shí)，測(cè)點(diǎn)處應(yīng)力位移仍會(huì)受到工作面開挖的影響；當(dāng)走向方向向前推進(jìn)30 m 左右，測(cè)點(diǎn)處應(yīng)力位移變化基本穩(wěn)定，不再出現(xiàn)大幅度變化，此時(shí)工作平面處塑性區(qū)發(fā)育也基本穩(wěn)定；當(dāng)走向向前推進(jìn)與測(cè)點(diǎn)走向方向距離達(dá)45 m 時(shí)，位移應(yīng)力變化不再受工作面推進(jìn)的影響，塑性區(qū)的發(fā)育與應(yīng)力變化狀態(tài)密切相關(guān)，如圖7 所示。

圖7 工作面推進(jìn)底板應(yīng)力位移變化Fig.7 The stress and displacement change of floor with the advance of working face

4 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬和理論計(jì)算的可靠性，采用TS-C0601 鉆孔多功能成像分析儀對(duì)6142 工作面底板內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)。TS-C0601 鉆孔多功能成像分析儀主要包括成像分析儀主機(jī)、探頭、深度測(cè)深滑輪等主要部件，以及電纜架、連接電纜、充電器和USB轉(zhuǎn)接線等。對(duì)于水平孔和傾斜孔，另配有探頭居中保護(hù)裝置和推桿等附件，其主要構(gòu)件如圖8 所示。

圖8 鉆孔多功能成像儀Fig.8 Multifunctional borehole imager

根據(jù)理論計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果，底板最大破壞深度均未超過20 m，為降低觀測(cè)成本，在6142 工作面沿機(jī)巷與工作面垂直夾角60°施工鉆孔，鉆孔全長25.2 m，如圖9 所示。

圖9 鉆孔施工位置Fig.9 Location of drilling construction

底板鉆孔的窺視結(jié)果如圖10 所示。由圖10 可知，探測(cè)區(qū)域的底板圍巖完整性差，煤線等其他軟弱夾層較多；在底板4.08 m 范圍內(nèi)，軟弱夾層較為常見，大于4.08 m 之后，圍巖逐漸變得完整，偶爾可見軟弱夾層。由于煤線等軟弱夾層的存在，底板在軟硬巖層的分界面極易出現(xiàn)顯著的變形破壞。在采動(dòng)影響下，底板16.85 m 前后仍產(chǎn)生了較大的裂隙，說明該處底板仍未處于穩(wěn)定狀態(tài)。底板25.00 m 處圍巖較為完整，未發(fā)生破壞。

圖10 底板采動(dòng)前后（上下）窺視Fig.10 Peeping view of floor before and after mining in working face（up and down）

綜合理論計(jì)算、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果對(duì)比分析，6142 工作面采動(dòng)破壞深度為15～20 m，工作面完成61煤層開采后，其下方62煤層、63煤層頂板完整性均受到影響，開采作業(yè)時(shí)需注意加強(qiáng)頂板管理。

5 結(jié) 論

1）煤層底板回采過程中，工作面煤壁下方塑性區(qū)發(fā)育呈現(xiàn)“先垂直后擴(kuò)散”的特點(diǎn)，在不斷推進(jìn)過程中，最終在底板下方形成大面積塑性區(qū)，工作面沿走向推進(jìn)30 m 后塑性區(qū)發(fā)育趨于穩(wěn)定，底板破壞深度達(dá)到最大值16.12 m。

2）在傳統(tǒng)半無限體理論基礎(chǔ)上增加了底板垮落作用下沖擊荷載對(duì)底板破壞的應(yīng)力影響分析，以求解采空區(qū)下工作面底板在頂板垮落沖擊荷載及靜載影響下任意一點(diǎn)應(yīng)力分布狀態(tài)，最終通過主應(yīng)力求解和屈服條件判斷公式求得垮落頂板沖擊作用下底板最大破壞深度理論解為17.32 m。

3）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果得出祁南煤礦6142 工作面61煤層回采過程中底板破壞范圍在16.85 m 附近，驗(yàn)證了沖擊荷載底板破壞計(jì)算模型的可靠性，61煤層的回采使得下方62煤層、63煤層頂?shù)装灏l(fā)生破壞，下方煤層均受采動(dòng)影響。