沿空留巷采煤对底板扰动破坏深度影响_刘新民.pdf

第 44 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 44 No.2 2016 年 4 月 COAL GEOLOGY retained gateway along goaf; sonic wave test; numerical simulation 煤层开采之后，底板岩层的原始应力平衡状态 遭到破坏，采空区周边产生了应力集中，底板岩层 经受了“压缩应力解除再压缩”的过程，在底板 岩层中产生竖向张裂隙、层向裂隙和剪切裂隙，从 而使得该部分岩层丧失了隔水能力，形成底板扰动 破坏区域[1]。研究底板变形破坏特征及底板破坏发 育深度，对深化矿井突水机理，指导底板注浆改造 层位，防治煤层底板突水具有十分重要的理论和现 实意义。 沿空留巷技术在我国开始于 20 世纪 50 年代， 由于该开采方式具有无煤柱连续开采、提高矿井回 采率、减少巷道掘进成本等优点，目前在多数矿井 得到了应用[2]。同时，众多学者对沿空留巷采场覆 岩运动规律、 应力分布特征等基础理论进行了研究， 完善了围岩控制与充填工艺等，实现了沿空留巷煤 与瓦斯共采，使得该技术得到较快发展[3-4]。 近年来，随着部分矿区浅部资源枯竭，各矿井 逐步开始进行深部煤炭资源开采，更多矿井面临底 板带压开采问题。尤其是对于分布面积最广的华北 型煤田下组煤开采过程中，底板奥灰含水层带压开 采条件下，底板扰动破坏降低了底板隔水层阻水能 力，增加了突水威胁。部分学者对正常开采条件下 底板破坏深度进行了研究，其中最具代表性的是由 刘天泉院士团队通过对国内大量实测资料进行总结 ChaoXing 80 煤田地质与勘探 第 44 卷 得出的经验公式，并写入了建筑物、水体、铁路 及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程在全国推广 使用[5]。部分学者也采用理论分析、数值模拟、现 场实测等手段对底板扰动破坏深度进行研究，丰富 了该领域研究成果。 但是，目前相关成果主要是针对常规留设煤柱 开采条件下底板扰动破坏规律的研究，而对于沿空 留巷无煤柱开采条件下主要研究方向均集中在采场 应力分布与围岩控制方面，对于底板破坏发育深度 尚未进行深入研究。使得部分底板带压开采工作面 采用沿空留巷开采过程中对底板扰动破坏发育的最 大深度及发育位置不清，给底板突水危险性评价与 水害治理工程设计造成困难。本文以韩城矿区桑树 坪煤矿 11 号煤首采 3105 工作面为例，采用现场实 测结合数值模拟， 研究 3105 工作面采用沿空留巷技 术回采之后底板岩层的破坏裂隙发育深度，为广大 华北型煤田相似条件下带压开采提供借鉴和参考。 1 工作面概况 陕西陕煤韩城矿业有限公司桑树坪煤矿主采煤 层为 3 号煤，但是由于其煤与瓦斯突出问题难以解 决，现开采深部 11 号煤作为 3 号煤开采的保护层。 3105 工作面是矿井南一采区 11 号煤首采工作面， 该面走向长度 713 m，倾斜长度 180 m。工作面煤层 厚度 0.45.9 m， 平均 2.71 m， 倾角 46， 平均 5.3， 属于缓倾斜煤层。采用综采方法进行回采，自然垮 落法管理顶板。工作面开采过程中采用无煤柱沿空 留巷技术， 将 3105 工作面运输巷道经采后保留当作 沿空留巷巷道使用，一侧是已支护的巷道煤壁，另 一侧是人工砌筑而成的柔模墙， 共同构成沿空留巷。 3105 工作面开采过程中主要受到太原组 H32薄 层灰岩含水层、太原组 H31砂岩含水层、山西组底 部砂岩含水层 H25，以及底板太原组石英砂砾岩 H33 含水层影响。但是该含水层总体上厚度薄，富水性 较弱，工作面推采后有涌水现象，但不会威胁矿井 安全。对于工作面回采威胁最大的为底板本溪组下 部的奥陶系灰岩含水层，其顶部峰峰组二段属于强 含水层段，厚度大且富水性较强。该层段与煤系地 层相接，距离煤层底板平均距离仅有 17 m，突水系 数值最大达到 0.072 MPa/m，大于相关规程中所规 定的构造破坏区域突水系数临界值 0.06 MPa/m，存 在底板突水威胁。同时，工作面回采过程中底板厚 度最薄区域仅有 16 m，煤层开采破坏深度有可能达 到奥灰含水层顶部， 直接导通峰峰组二段强含水层， 造成底板奥灰突水事故。因此，需要对 3105 工作面 在采用沿空留巷开采技术条件下底板扰动破坏深度 进行深入研究， 指导矿井 11 号煤底板水害防治方案 制定。 2 现场声波测试 2.1 测试原理 声波探测技术是利用频率很高的声波或声波作 为信息载体对岩体进行探测的一种方法。 由于频率高、 波长短，因此分辨率很高。对于声波测量来说大多数 岩石都近似服从于弹性理论的胡克定律[6]。在均匀并 且各向同性的弹性介质中，波传播速度公式为 纵波波速 （） （）（） p 1 112 Eν V ννρ - - 1 横波波速 （） s 21 E V νρ 2 式中 E 为弹性模量；ν 为泊松比；ρ 为岩体密度。 波在岩体中的传播速度与岩石的弹性模量 E、 泊松比 ν 以及岩体密度 ρ 有关。 岩石由于成因不同、 矿物成分不同、地质年代不同，至使其岩性千差万 别，即使岩性相同的岩石也可能显示出不同的力学 性质。各种岩石的 E、ν、ρ 等均不同，因此各种岩 石的声波速度是不同的。实践证明，超声波在非均 质岩体中传播时，除能量被吸收消耗外在不同的结 构面上由于波的绕射等影响，波的传播速度发生变 化，在节理与裂隙不发育、孔隙率小、风化程度低、 完整坚硬的岩石中声速快。反之，在软弱、破碎、 风化松散的岩体中声速慢。岩体受力状态不同时波 速也发生变化，岩体受压缩时声速快，膨胀时声速 慢。 利用声波在岩体中传播的特征可以探测采煤工作 面推进过程中采场底板受力情况和破坏深度[7]。采煤 工作面向前推进过程中底板受力状态如图 1 所示。 图 1 采面推进过程中底板受力状态示意图 Fig.1 Stress state in floor during advancement of working face 声波在岩体中传播的特征和煤层底板在采动过 程中的受力状态和破坏可知原岩岩性和原始结构 状态不同，声波速度不同。受采动影响后，岩体的 应力状态发生变化和岩体遭受破坏，声波速度也将 发生变化。利用采动前后多次重复观测，对比采动 ChaoXing 第 2 期 刘新民 沿空留巷采煤对底板扰动破坏深度影响 81 前后声波速度的变化，可消除原岩岩性、结构差异 影响，而突出采动影响。在底板不同的深度处，凡 是波速有升高降低变化者为采动影响深度，没有 上述变化者是没有受采动的影响深度。 2.2 测试方法及工程布设 根据工作面情况和测试条件， 在 3105 工作面运 输顺槽距离工作面切眼 540 m 处布设测试钻孔一组 共 3 个钻孔，分别用于测试不同垂深岩石声波情 况。具体钻孔参数如表 1，钻孔的平面布置图和剖 面图如图 2 所示。 现场使用 CLC1000 型超声波围岩裂隙探测仪， 该仪器由发射器、接收器和主机组成。发射器和接收 器由开槽塑封管连接组成探头固定在铜管上，用 1 m 长带有 10 cm 刻度槽的铜管逐根连接推送探头并控制 点距。超声波测试时，钻孔中充满水耦合声波传播， 通过孔口主机控制探头发射声波，并由接收器接收声 波来测量声波沿孔壁滑行的时间。每测完一点将铜杆 往上提到另一测点，测点间距为 1020 cm。 通过以上方法测出岩石钻孔声波纵波速度在底 板岩体总的分布变化情况。测试工作从回采工作面 距离钻孔 36 m 开始，至采后约 56.7 m 历时 60 d。 表 1 底板破坏深度测试钻孔参数表 Table 1 Parameters of borehole for testing the damage depth of floor 孔号方位角/ 倾角/ 孔深/m 测试段/m 测试段垂深/m TC28 37 29 16.626.6 10.016.0 TC328 44 32 23.028.8 16.020.0 TC442 50 37 26.132.6 20.025.0 图 2 钻孔剖面布置图 Fig.2 Layout of boreholes 2.3 测试结果分析 通过多次超声波测试， 分析声波在不同深度传播 时间变化规律，得出“深度–时间”变化曲线图 3。 距工作面“–”表示尚未开采到测试线，“”表示开采通过测试线 图 3 声波“深度–时间”变化曲线 Fig.3 Variation curves of “depth-time” of sonic wave ChaoXing 82 煤田地质与勘探 第 44 卷 由图 3 可以看出，在工作面距离测线 14 m 时， 声波波形出现波动但起伏变化较小，说明在该距离 底板受到的垂向压力逐渐增大，发生岩石压密和弹 性屈服。在推采到距离测线 1.1 m 时，TC2 钻孔 10.011.5 m 深度范围内声波传播时间延长，波形出 现明显的起伏变化，说明该层位岩体发生部分塑性 破坏，裂隙增大。工作面推采过测线 6 m 之后，埋 深 10.014.6 m 测试段声波波形起伏明显， 声波随着 工作面推移波形出现明显的“升高降低”变化，其 中 13.214.6 m 之间呈现出明显的升高区域， 说明底 板岩层破坏深度最大可能达到了 14.6 m。此后，随 着工作面持续推采，声波波形逐步开始出现回落现 象，底板应力变化开始趋于稳定。在整个测试过程 中，垂深 14.6 m 以下探查声波均变化较小，说明底 板岩层破裂还没有发育到这一深度。 综合以上探测成果，3105 工作面沿空留巷开采 底板破坏深度达到 13.214.6 m。 3 数值模拟分析 3.1 模型建立 根据 3015 工作面地质及开采条件，运用 FLAC3D程序建立工作面在沿空留巷条件下煤层开 采对底板扰动破坏深度发育形态计算模型[8]。 工作面开采条件为煤层厚度 3 m，工作面宽 度 180 m，采深 450 m，同时考虑沿空留巷锚杆支护 条件图 4。模型上覆地层厚度 310 m，转换为模型 顶部附加应力 8.37 MPa。 图 4 开采前后沿空留巷支护示意图 Fig.4 Support in retained gateway along goaf before and after mining 本次数值模拟采用了立体模型，计算模型走向长 600 m，倾斜宽 600 m，高 243 m模型顶板采用附加应 力代替，网格剖分共计 241 000 个单元。模型上边界 为附加应力，模型左、右、前、后边界均施加水平约 束，底边界施加水平及垂直约束。地质模型如图 5， 顶底板岩层物理参数及力学参数见表 2、表 3。 图 5 模型剖分图 Fig.5 Sectional subdivision of model 表 2 模型地层表 Table 2 S trata of model 岩性 厚度/m 重度/10Nm–3 砂泥岩为主 方案采深-顶板 模型 上覆 换算为模型顶面附加应力 2 700 砂泥岩互层 79.8 2 600 粉砂岩 12.9 2 620 石英砂岩 9.3 2 660 砂质泥岩 6.6 2 640 石英砂岩 26.0 2 660 砂质泥岩 1.3 2 640 粉砂岩 1.2 2 620 顶板 140 m 石英砂岩 2.9 2 660 煤层 11煤 随方案变化 1 400 砂质泥岩 1.5 2 640 细砂岩 1.5 2 630 粉砂岩 2.0 2 620 砂质泥岩 2.0 2 640 细砂岩 2.5 2 630 中砂岩 4.3 2 650 细砂岩 2.5 2 630 铝质泥岩 3.7 2 620 底板 100 m 奥陶系灰岩 80.0 2 700 3.2 模拟结果分析 在建立的数值计算模型初始应力平衡之后，在 距离下边界 200 m 处 11 号煤开切眼开始开挖。 根据 矿井实测，3105 工作面来压步距约为 1822 m。考 虑步距与网格剖分情况，按照 10 m 步距逐步推进， 一次采全高的方法进行开采， 开挖方式如图 6 所示。 煤层开挖后，通过研究在应力场作用下，11 号 煤层底板塑性区分布规律与应力分布规律，研究底 板岩体是否发生屈服破坏，从而确定底板扰动破坏 深度。煤层开挖塑性区分布规律如图 7 所示。 ChaoXing 第 2 期 刘新民 沿空留巷采煤对底板扰动破坏深度影响 83 表 3 主要地层力学参数表 Table 3 Mechanics parameters of main ations 地层岩性 密度/kgm–3 弹性模量/GPa 泊松比 内聚力/MPa 摩擦角/抗拉强度/MPa 体积模量/GPa 剪切模量/GPa 砂泥岩 2 600 9 0.2 3.8 36 1.2 5.00 3.75 粉砂岩 2 620 10 0.2 2.4 24 1.0 5.56 4.17 石英砂岩 2 660 14 0.17 3.6 36 1.5 7.07 5.98 砂质泥岩 2 640 11.5 0.2 2.0 23 0.8 6.39 4.79 11煤 1 400 4.5 0.22 1.0 28 0.1 2.68 1.84 细砂岩 2 630 9.8 0.21 2.0 24 1.0 5.63 4.05 中砂岩 2 650 8.5 0.19 2.1 27 0.9 4.57 3.57 铝质泥岩 2 620 7.8 0.2 2.5 33 1.2 4.33 3.25 奥灰岩 2 700 16 0.21 4.0 40 2.0 9.20 6.61 图 6 采场平面布置图 Fig.6 Plan of stope 从图 7 可以看出，当工作面开采到 50 m 时，采 场底板附近出现底臌现象，受到拉应力作用形成拉 破坏区，深度约 5.5 m。当开挖至 100 m 时，在煤层 直接底板和老底板带压区均出现了屈服破坏区，仍 为弹性变形，老底屈服破坏区最大破裂深度达到 13.0 m，沿空留巷两侧的柔模墙和煤柱仍未出现明 显的塑性区。当开挖至 150 m 时，采空区覆岩顶板 塑性区随着开采长度增大以横向扩展为主，部分区 域出现较大破坏深度的倒波峰现象，波峰最大深度 为 13.0 m 和 14.5 m。采空区四周边界主要以剪切破 坏为主， 在沿空留巷一侧的煤柱也开始出现塑性区。 当工作面开采到 200 m 时，采空区底板塑性区沿煤 层开采方向做横向发育，而不再向深部继续延伸。 由此可以看出，在采用沿空留巷技术开采条件下， 采宽 180 m 工作面，采厚 3 m 时底板破坏深度为 13.014.5 m，破坏深度较大区域主要出现在采空区 四周和沿空留巷一侧的煤柱。 对正常工作面开采条件下底板破坏深度研究成 果较为丰富。本次研究利用该模型对工作面不采用 沿空留巷技术条件下进行模拟，结果显示底板破坏 深度为 13.914.5 m，破坏深度较大区域出现在采空 区四周煤壁处，与以往研究成果较为吻合。 综合以上研究成果表明，3105 工作面采用无煤 柱形式的沿空留巷开采技术，对底板扰动破坏深度 而言，工作面倾向长度上底板塑性破坏横向范围相 比正常开采无沿空留巷时略有缩减，这相当于工 作面开采宽度减小减小量仅为柔模墙和沿空留巷 宽度，但是对底板扰动最大破坏深度的影响并不明 显。而由于沿空留巷一侧高强度混凝土灌注的柔模 墙的存在，使其巷道下部本应发生塑性拉剪破坏的 位置转移至柔模墙体靠近采空区一侧的底板下方， 煤层开采底板破坏深度约 13.014.5 m，与现场实测 成果较为一致。 4 结 论 通过对桑树坪煤矿 11 煤 3105 工作面底板扰动 破坏规律现场实测及数值模拟研究， 得出以下结论 a. 利用不同裂隙岩体声波传播速率不同的原 理， 研究现场声波测试对 3105 工作面沿空留巷开采 条件下底板声波变化规律，得出底板破坏深度约 13.214.6 m。在工作面开采通过测点 6 m 后底板破 坏深度达到最大值。 b. 建立了由沿空留巷开采，混凝土揉摸墙支护 条件下煤层开采模型。研究表明工作面开采底板塑 性破坏最大深度达到 14.5 m，不同区域底板破坏深 度为 13.014.5 m。 c. 研究结果表明 3105 工作面采用无煤柱形式 的沿空留巷开采技术，相比正常开采无沿空留巷 底板扰动破坏深度略有缩减， 但是缩减量相对较小。 但是采用沿空留巷开采技术使其巷道下部本应发生 塑性拉剪破坏的位置转移至柔模墙体靠近采空区一 侧的底板下方。 该技术不会导致底板破坏深度增加， 仅会造成位置的转移，可按照构建柔模墙后开采宽 度进行底板扰动破坏深度的确定。研究成果为我国 采用沿空留巷技术开采的底板带压工作面水害防治 方案制定提供依据。 ChaoXing 84 煤田地质与勘探 第 44 卷 图 7 采场走向与倾向塑性区分布图 Fig.7 The plastic zone of stope along strike and dip 参考文献 [1] 高延法. 煤层底板破坏深度统计分析[J]. 煤田地质与勘探， 1988，16138–41. 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