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第 47 卷 第 4 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.4 2019 年 8 月 COAL GEOLOGY 2. Shaanxi Key Laboratory of Coal Mine Water Hazard Control, Xi’an 710077, China Abstract Aiming at the damage of coal seam floor caused by mining in isolated coal mining face, taking 11913 iso- lated coal mining face in Gequan coal mine of Hebei Province as the research object, and using KJ959 coal mine mi- croseismic monitoring system to detect the floor failure depth. It is recognized that the microseismic events mainly occur in the roadway of the isolated coal mining face during the mining process, and the maximum vertical failure depth is about 2025m; Moreover, using the COMSOL multi-physical field numerical simulation plat, the varia- tion of in-situ stress and failure law of coal seam floor under the conditions of 11912 first coal mining face, 11914 jumping coal mining face and 11913 isolated coal mining face are analyzed. The simulation results show that the in-situ stress concentration state of coal pillars under the conditions of 11912 first mining face or 11914 jumping mining face has little change, and the maximum failure depth is less than 11.56 m, which only develops into the inte- rior of grouting reation layer. Under the condition of 11913 isolated mining face, the in-situ stress concentration state of coal pillars on both sides of mining face increases sharply due to the influence of repeated mining in mining faces 11912 and 11914, and the maximum failure depth increases to 23 m, which has extended to Benxi limestone aq- uifer of coal seam floor. The conclusion has certain reference value for the study of floor failure law of North China type coalfield and the selection of grouting transation horizon under different mining conditions. ChaoXing 第 4 期 赵春虎 孤岛工作面底板破坏深度微震测试与模拟分析 111 Keywords isolated coal mining face; failure depth; repeated mining; microseismic numerical simulation; Gequan coal mine; Xingtai of Hebei 底板灰岩水是华北型煤田煤层开采主要水害防 治对象，由于煤层采掘空间周围的支承压力向底板 内部转移传递，导致底板发生变形破坏，大大削减 了隔水层厚度，使底板突水危险性增加[1-2]，开展工 作面煤层开采扰动下底板破坏深度研究是评价底板 突水危险性和制定工作面底板水害防治措施的重要 依据[3-4]。 目前煤层底板破坏深度的研究手段主要分为现 场实测和计算分析两类，较为成熟的现场实测手段 主要有以观测水体漏失量的钻孔冲洗液法[5]、井 下孔中注水测漏法[6]，直接对裂缝进行观测的钻孔 彩色电视、钻孔 CT 等[7-8]，以及以地球物理探测为 基础的超声成像及数字测井法等静态探测方法[9]。 近年来，利用微震探测岩体微破裂三维空间成为底 板破坏深度探测的新趋势，可从空间和时间上圈定 采掘活动引起的次生导水通道空间范围，实现煤层 采掘过程中底板破坏深度的动态监测，在岩爆冲击 地压、滑坡等动力灾害监测预警以及煤矿水害防治 方面得到较多应用[10-13]。底板破坏深度计算分析方 法主要包括理论计算、经验公式、数值模拟和相似 材料模拟等[14-16]，其中数值模拟能够综合考虑影响 底板破坏深度的多种因素，较为全面地刻画地层结 构以及模拟较为复杂的系统边界等，在定量研究底 板破坏规律方面具有一定的优势。 孤岛型工作面由于煤柱两侧临空，较之煤柱两 侧不临空或一侧临空型工作面的巷道煤柱应力集中 程度高，在重复采掘扰动下的煤层底板破坏深度进 一步加剧，增加了底板突水威胁。目前对孤岛工作 面底板破坏深度的探测和研究较少，不利于其安全 回采。 笔者以河北邢台葛泉煤矿 11913 孤岛型回采工 作面为研究对象，应用微震监测技术对工作面回采 过程中底板破坏深度进行监测识别，并采用数值模 拟技术依次构建 11912 首采、11914 跳采与 11913 孤岛型 3 个工作面煤层开采底板应力场变化与破坏 深度数值模型，对比分析不同开采条件下底板破坏 深度发育规律，为华北型煤田煤层开采底板岩溶水 害注浆加固治理的层位优化提供科学依据。 1 研究区概况 河北邢台葛泉煤矿上组煤太原组 5 号煤层已开 采殆尽，自 2010 年开始下组煤 9 号煤层的开采，工 作面布置主要采用走向长壁及倾斜长壁等方式，综 合机械化开采。本文研究对象为葛泉煤矿 3 个相邻 工作面 11912、11913 以及 11914，其煤层底板标高 –100–40 m，煤层走向倾角约 15图 1。 图 1 邢台葛泉煤矿工作面示意图 Fig.1 Diagram of coal mining faces distribution in Gequan coal mine of Xingtai 如图 2 所示，9 号煤层下伏富水性中等、厚度 较薄的本溪组岩溶裂隙含水层简称“本灰”以及富 水性好、巨厚层状的奥陶系岩溶裂隙含水层简称 “奥灰”，其中奥灰岩溶水是矿井主要水害防治对 象。9 号煤层与本灰之间为砂质泥岩、铝土质页岩 类隔水层， 本灰与奥灰之间的粉砂岩、 铝土泥岩等软 弱岩层是阻止奥灰突水的关键隔水层。 两灰岩含水层 具有一定的水力联系， 含水层水位标高均在20 m 左 右，9 号煤层属带压开采，存在底板岩溶突水威胁。 图 2 9 号煤层底板水文地质综合柱状示意图单位m Fig.2 The hydrogeological column of No. 9 coal seam floor 为防治底板灰岩水害，葛泉煤矿先后对 11912、 11914 等工作面煤层底板隔水层及本灰进行全面注 浆改造与加固注浆深度一般为煤层底板以下 15 m， 注浆改造与加固完成后，11912 首采面 2013 年回采 结束，随后跳采 11914 工作面，中间 11913 孤岛工 ChaoXing 112 煤田地质与勘探 第 47 卷 作面于 2015 年开始回采。 孤岛工作面两侧均为采空 区，可能出现不同于首采和跳采工作面的底板破坏 深度发育规律，为了进一步优化注浆层位，有效防 治孤岛工作面底板突水，2015 年矿井应用微震监测 技术对 11913 孤岛工作面回采过程中底板破坏深度 进行了实时监测。 2 底板破坏深度微震测试 2.1 微震监测系统构建 采用 KJ959 煤矿微震监测系统[17]，试验布置如 图 1 所示，分别在 11913 工作面上下两巷煤柱内壁 设计施工 1.5 m 的浅孔，两巷交叉部署 8 个微震传 感器，间距约 50 m；为提高采动破坏深度在垂向上 的定位精度，在工作面上巷钻进的深孔中埋设 4 个 微震传感器进行监测，垂深 1620 m，微震监测系 统持续监测 20 d，获得微震事件 881 个。 2.2 微震监测结果分析 通过对本次微震监测数据的分析处理，绘制出 11913 工作面回采过程中底板破坏微震事件分布投 影图图 3。 图 3 11913 工作面底板微震事件剖面投影分布图 Fig.3 Microseismic events distribution in coal seam floor profile of 11913 working face 如图 3、图 4 所示，微震事件数目随底板深度 的增加呈现出显著的减少趋势，11913 工作面回采 过程中大量的微震事件集中在煤层底板以下垂深 015 m 区段内，占事件总数的 73.67，025 m 深 度占事件总数的 86.56，其中 1520 m、2025 m 两区段的事件数分别增加了 6.92与 5.97；而垂 深大于 25 m 以下的微震事件数目显著下降，如 2530 m、3035 m 两区段的事件数仅增加了 2.79 与 2.38，因此，开采形成最大破坏深度识别为 2025 m。微震主体事件主要集中在 11913 下巷附 近，与文献[18]中桃园煤矿的监测结论一致[18]。结合 煤层底板岩性组合特征分析，11913 工作面底板采动 裂隙已发育至本溪组灰岩含水层下部， 而本溪组灰岩 含水层底部赋存较为完整的铝土质粉砂岩、 泥岩、 粉 砂岩等软弱岩层， 微震监测结果显示该软弱岩层在一 定程度上抑制了底板采动裂隙向下延伸。 图 4 底板微震事件分布柱状图 Fig.4 Column diagram of microseismic event distribution in coal seam floor 3 底板破坏深度数值模拟分析 3.1 概念模型 根据葛泉煤矿工作面采掘地质条件，构建研究 对象的概念模型，上边界至地表松散层，下边界至 奥灰顶界面以下 50 m，将概念模型由下至上概化为 奥灰含水层、 低渗透岩层、 本溪灰岩层、 注浆改造层、 9 号煤层倾角 15、基岩层和松散层共 7 层图 5。 11912、11913、11914 工作面宽度均为 80 m，其中 11912 和 11914 为已采工作面，老空区均为积水区。 图 5 概念模型示意图 Fig.5 Conceptual model sketch of the study area 3.2 数学模型 利用岩体变形与损伤的位移场方程和塑性损伤 判据方程组成的数学模型，描述煤层开采扰动下底 板围岩应力变化与破坏特征。 ChaoXing 第 4 期 赵春虎 孤岛工作面底板破坏深度微震测试与模拟分析 113 岩体变形与损伤的位移场方程表述如下 2 *0 12 G Guu v   1 式中 G为切变模量， Pa； v为介质的泊松比无量纲； G2E1ν，E 为介质弹性模量，Pa；u 分别为 x 轴、 y 轴及 z 轴方向的位移，m。 岩体塑性损伤判据 F1采用 Mohr-Coulomb 准 则[19-20]，表述如下 112 0FIJK 2 式中 1123 I 222 2122331 1 6 J    2 tan912tan 2 3912tanKc 式2为 Mohr-Coulomb 剪应力破坏准则的一种 变换形式，其中1、2、3为 3 个主应力，Pa；I1 为有效应力第一不变量，Pa；J2为有效应力偏量第 二不变量，Pa；α，K 分别与岩石的内摩擦角 φ 和黏 聚力 c 有关。 3.3 数值模型 利用多物理场数值模拟软件 COMSOL 构建数 值模型，如图 6 所示。为了提高计算精度，在煤层、 采空区、煤层底板的本溪灰岩层及低渗透层均进行 了加密剖分。 a. 初始条件 在采掘活动未发生以前，煤层应力状态保持平 衡。在不考虑构造应力的条件下，其垂直与水平应 力计算公式如下 v H 3 h 1 v H v   4 式中 v 为垂直应力， N/m2； h 为水平应力， N/m2； v 为岩石泊松比；γ 为岩层平均容重，N/m3；H 为埋 深，m。 地应力是一种体力， 模型中根据每个单元的埋深 分别应用式8和式9来计算赋值，初始位移为零。 b. 边界条件 定义模型底部为“固定边界”，限制单元在三维 空间上的变形，即位移为 0；采宽较模型研究尺度 相对较小， 模型两侧在水平方向变形基本可以忽略， 因而定义为“辊边界”，即允许边界单元仅在垂向上 有位移产生，水平方向位移为 0；地表与采空区设 置为自由边界。模型主要参数如表 1 所示。 图 6 计算机数值模型单位m Fig.6 Computer numerical model 表 1 数值模型主要参数 Table 1 main parameters of the numerical model 岩层 容重 γ/Ncm–3 弹性模量 E/GPa 黏聚力 c/MPa 内摩擦角 φ/ 泊松比 v 松散层 1 360 0.75 1.5 35 0.42 基岩层 2 580 3.34 3.0 35 0.26 注浆改造层 2 680 3.53 3.3 32 0.26 低渗透泥岩粉砂岩层 2 700 2.55 2.5 39 0.29 煤层 1 350 3.25 3.5 35 0.32 灰岩层 2 950 3.00 2.7 30 0.17 3.4 模拟结果分析 分析采场底板应力分布规律是研究底板破坏深度 和范围的重要前提[21]。如图 7 所示，11912 工作面首采 条件下，工作面采场上、下部一定范围内应力表现形 式从采前的压应力状态转变为向采空区的拉应力。受 采掘扰动影响，在采场周边均表现出明显的应力集中 现象，而且在采场两侧最为明显，压应力最大值出现 在 11912 工作面下巷煤柱附近， 约 6106 N/m2； 随着埋 深相对较大的 11914 工作面跳采后， 压应力最大值出现 在 11914 工作面下巷煤柱附近，增加至 6.7106 N/m2； 11913 孤岛工作面形成后，压应力最大值出现在 11913 工作面下巷煤柱附近，骤增至 1.7107 N/m2 表 2。 ChaoXing 114 煤田地质与勘探 第 47 卷 图 7 11912、11914、11913 工作面开采条件下围岩采动应力与底板破坏特征 Fig.7 The in-situ stress and failure depth characteristics under the conditions of 11912、11914 and 11913 coal mining faces 表 2 围岩体应力与破坏深度特征值 Table 2 Eigenvalues of in-situ stress and failure depth of surrounding rock mass 工作面开采顺序 应力最大值/106 Nm–2 底板最大破坏深度/m 破坏深度发育层位 首采11912 6.0 10.93 注浆改造层内 跳采11914 6.7 11.56 注浆改造层内 孤岛11913 17 23.50 揭穿本溪组灰岩含水层，发育至奥灰顶部低渗透层内 煤层开采形成底板塑性损伤区，最大深度出现 在工作面煤岩柱两侧[22]，微震监测和模拟结果均显 示，左侧下巷煤岩柱受到的塑性损伤范围稍大于右 侧上巷，主要是因为煤层自身倾角造成了上覆地层 向两侧煤岩柱施压强度不同。如表 2 所示，11912 工作面首采条件下，采动造成底板最大塑性破坏深 度位于 11912 工作面下巷，约为 10.93 m；11914 工 作面跳采后，模拟得出最大破坏深度位于 11914 工 作面下巷，最大深度约为 11.56 m，可见 11914 跳采 对 11912 工作面底板破坏影响不大，首采与跳采工 作面采动形成的底板破坏深度仅发育至注浆改造层 内。11912 首采与 11914 跳采工作面底板破坏深度 的模拟结果， 与 2007 年葛泉煤矿 11912 首采工作面 通过底板应力应变观测与压水试验得出破坏深度 11.8712.40 m 的成果较为一致 [23-24]，说明基于 COMSOL 有限元数值分析成果的可靠性较高。 与首采、跳采工作面相比，11913 孤岛工作面 形成后，由于受相邻 11912 与 11914 工作面重复开 采扰动，煤柱两侧应力集中程度与底板破坏深度增 加明显， 底板破坏最大深度在形成孤岛后延伸至23.5 m， 与微震识别得出的 11913 工作面最大破坏深度 2025 m 结果基本一致，底板破坏深度已发育至煤 层底板富水性中等、厚度较薄的本溪灰岩含水层底 部。另外由图 7 可以看出，11913 孤岛工作面底板 破坏在奥灰含水层顶部的铝土质泥岩、粉砂岩类软 弱地层内延伸受阻，说明软弱岩层对煤层采动底板 破坏发育深度有明显的抑制作用，降低了强富水奥 灰岩溶水沿采动裂隙的突水威胁。 4 结 论 a. 通过 KJ959 煤矿微震监测系统测试结果显 示，邢台葛泉煤矿 11913 孤岛工作面回采过程中微 震事件主要发生在该工作面下巷，识别其最大破坏 深度为 2025 m。 ChaoXing 第 4 期 赵春虎 孤岛工作面底板破坏深度微震测试与模拟分析 115 b. 通过 11912 首采、11914 跳采及 11913 孤岛 3 种回采条件下围岩体采动应力与底板破坏规律对 比分析，首采与跳采条件下煤柱应力集中状态变化 不大，最大破坏深度小于 11.56 m，发育至矿井注浆 改造加固层内部；而孤岛回采条件下，受到重复采 动影响，工作面两侧煤柱应力集中骤增，最大破坏 深度剧增至 23.5 m，已发育至煤层底板的本溪灰岩 含水层。 参考文献 [1] 宋振骐，蒋宇静，杨增夫，等. 煤矿重大事故预测和控制的动 力信息基础研究[M]. 北京煤炭工业出版社，2003. [2] 张蕊，姜振泉，于宗仁，等. 煤层底板采动破坏特征综合测试 及数值模拟研究[J]. 采矿与安全工程学报，2013，304 531–537. ZHANG Rui，JIANG Zhenquan，YU Zongren，et al. Com- prehensive testing and numerical analysis on the failure charac- teristics of mining coal seam floor[J]. Journal of Mining Safety Engineering，2013，304531–537. [3] 施龙青，徐东晶，邱梅，等. 采场底板破坏深度计算公式的改 进[J]. 煤炭学报，2013，38增刊 2299–303. SHI Longqing，XU Dongjing，QIU Mei，et al. Improved on the ula about the depth of damaged floor in working area[J]. Journal of China Coal Society，2013，38 S2299–303. [4] 李七明，翟立娟，傅耀军，等. 华北型煤田煤层开采对含水层 的破坏模式研究[J]. 中国煤炭地质，2012，24738–43. LI Qiming，ZHAI Lijuan，FU Yaojun，et al. A study on coal mining aquifer destruction mode in North China typed coal- fields[J]. Coal Geology of China，2012，24738–43 [5] 程学丰，刘盛东，刘登宪. 煤层采后围岩破坏规律的声波 CT 探测[J]. 煤炭学报，2001，262153–155. CHENG Xuefeng， LIU Shengdong， LIU Dengxian. Sound-wave CT detection for failure patterns of surrounding rock after mining[J]. Journal of China Coal Society，2001，262153–155. [6] 施龙青，朱鲁，韩进，等. 矿山压力对底板破坏深度监测 研究[J]. 煤田地质与勘探，2004，32620–23. SHI Longqing，ZHU Lu，HAN Jin，et al. Monitor study on broken floor depth caused by underground pressure[J]. Coal Ge- ology Exploration，2004，32620–23. [7] 陈继刚，熊祖强，李卉，等. 倾斜特厚煤层综放带压开采底板 破坏特征研究[J]. 岩石力学与工程学报，2016，35增刊 1 3018–3023. CHEN Jigang，XIONG Zuqiang，LI Hui，et al. Failure char- acteristics of floor under predssure inclined and extra thick coal seam in full-mechanized top coal caving faces[J]. Chinese Jour- nal of Rock Mechanics and Engineering，2016，35S1 3018–3023. [8] 程久龙，于师建，宋扬，等. 煤层底板破坏深度的声波 CT 探 测试验研究[J]. 煤炭学报，1999，246576–580. CHENG Jiulong，YU Shijian，SONG Yang，et al. Detection of failure depth of coal seam floor by acoustic wave computer to- mography[J]. Journal of China Coal Society，1999，246 576–580. [9] 张朋，王一，刘盛东，等. 工作面底板变形与破坏电阻率特征[J]. 煤田地质与勘探，2011，39164–67. ZHANG Peng，WANG Yi，LIU Shengdong，et al. Resistivity characteristic of deation and failure of floor in workface[J]. Coal Geology Exploration，2011，39164–67. [10] 李书奎，张连福，张少峰，等. 微震监测技术在煤层底板突水 防治中的应用[J]. 煤矿开采，2011，16594–96. LI Shukui，ZHANG Lianfu，ZHANG Shaofeng，et al. Appli- cation of micro-seismic monitoring technology in floor wa- ter-burst prevention[J]. Coal Mining Technology，2011，165 94–96. [11] 尹贤刚. 试论基于微震监测技术研究大尺度岩体破坏机理的 必要性及意义[J]. 矿业研究与开发，2013，33631–33. YIN Xiangang. Discuss of the significance and necessity of studying on the failure mechanism of large-scale rock mass based on micro-seismic monitoring technology[J]. Mining Research Development，2013，33631–33. [12] 姜福兴，叶根喜，王存文，等. 高精度微震监测技术在煤矿突 水监测中的应用[J]. 岩石力学与工程学报，2008，279 1932–1938. JIANG Fuxing，YE Genxi，WANG Cunwen，et al. Application of high-precision microseismic monitoring technique to water inrush monitoring in coal mine[J]. Chinese Journal of Rock Me- chanics and Engineering，2008，2791932–1938. [13] 孙运江，左建平，李玉宝，等. 邢东矿深部带压开采导水裂隙 带微震监测及突水机制分析[J]. 岩土力学，2017，388 2335–2342. SUN Yunjiang，ZUO Jianping，LI Yubao，et al. Micro-seismic monitoring on fractured zone and water inrush mechanism analysis of deep mining above aquifer in Xingdong coalmine[J]. Rock and Soil Mechanics，2017，3882335–2342. [14] 程爱平，高永涛，梁兴旺，等. 基于未确知聚类法的底板采动 破坏深度动态预测[J]. 采矿与安全工程学报，2014，315 739–744. CHENG Aiping，GAO Yongtao，LIANG Xingwang，et al. Dynamic forecasting of mining-induced failure depth of floor based on unascertained clustering [J]. Journal of Mining and Safety Engineering，2014，31 5739–744. [15] 林远东， 涂敏. 采场端部底板破坏深度解析分析[J]. 煤炭科学 技术，2011，39325–28. LIN Yuandong， TU Min. Resolution and analysis on failure depth of face end floor in coal mining face[J]. Coal Science and Tech- nology，2011，39325–28. [16] 李昂， 谷拴成， 陈方方. 带压开采煤层底板破坏深度理论分析 及数值模拟 以陕西澄合矿区董家河煤矿 5 号煤层为例[J]. 煤 田地质与勘探，2013，41456–60. LI Ang， GU Shuancheng， CHEN Fangfang. Theoretical analysis and numerical simulation of destroyed depth of coal seam floor during bearing miningWith seam No.5 in Dongjiahe mine， ChaoXing 116 煤田地质与勘探 第 47 卷 Chenghe mining area，Shaanxi as example[J]. Coal Geology Exploration，2013，41456–60. [17] 刘毅，秦鸿刚. 基于微震监测技术的巷道底板监测准确性 研究[J]. 煤炭技术，2017，36249–51. LIU Yi，QIN Honggang. Study of floor monitoring accuracy based on microseismic monitoring technology[J]. Coal Technol- ogy，2017，36 249–51. [18] 孙建，王连国，唐芙蓉，等. 倾斜煤层底板破坏特征的微震监 测[J]. 岩土力学，2011，3251589–1595. SUN Jian， WANG Lianguo， TANG Furong， et al. Microseismic monitoring failure characteristics of inclined coal seam floor[J]. Rock and Soil Mechanics，2011，3251589–1595. [19] 王连国，韩猛，王占盛，等. 采场底板应力分布与破坏规律研 究[J]. 采矿与安全工程学报，2013，303317–322. WANG Lianguo，HAN Meng，WANG Zhansheng，et al. Stress distribution and damage law of mining floor[J]. Journal of Min- ing Safety Engineering，2013，303317–322. [20] 朱术云，周海洋，李新芳，等. 基于现场实测“三软”煤层采 动底板变形破坏机制[J]. 采矿与安全工程学报，2013，304 518–525. ZHU Shuyun，ZHOU Haiyang，LI Xinfang，et al. Deation and failure mechanism of mining floor in “three-soft” coal seam based on field measurement[J]. Journal of Mining and Safety Engineering，2013，304518–525. [21] 刘德君. 采空区的围岩应力分布及其与底板突水的关系[J]. 煤矿安全，1988735–39. LIU Dejun. The stress distribution of the goaf and its relationship of water inrush[J]. Safety in Coal Mines，1988735–39. [22] 鲁海峰，姚多喜. 采动底板层状岩体应力分布规律及破坏 深度研究[J]. 岩石力学与工程学报，2014，33102030– 2039. LU Haifeng，YAO Duoxi. Stress distribution and failure depths of layered rock mass of mining floor[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2014，33102030–2039. [23] 徐玉增. 葛泉矿带压开采下组煤底板破坏深度探测研究[J]. 中国煤炭，2010，36448–51. XU Yuzeng. A study on the depth of floor damage in lower coal seam mining with water pressure in Gequan coal mine[J]. China Coal，2010，36448–51. [24] 白峰青，李冲，徐玉增，等. 葛泉矿带压开采 9 号煤底板突水 危险性分析[J]. 煤矿安全，2010，416106–108. BAI Fengqing，LI Chong，XU Yuzeng，et al. Analysis of water inrush risk when mining 9 floor under pressure in Gequan coal mine[J]. Safety in Coal Mines，2010，416106–108. 责任编辑 周建军 ChaoXing