深部开采底板采动破坏深度演化规律研究_吴培益.pdf

：收稿日期：基金项目：国家自然科学基金面上项目（）；中央高校基本科研业务费（，）作者简介：吴培益（），男，安徽池州人，高级工程师，现从事地测防治水工作，：。引用格式：吴培益，易四海，才向军，等 深部开采底板采动破坏深度演化规律研究 煤炭工程，（）：深部开采底板采动破坏深度演化规律研究吴培益，易四海，才向军，王 赟（唐山开滦林西矿业有限公司，河北 唐山；华北科技学院 安全工程学院，北京）摘 要：针对深部开采工作面底板采动破坏带深度实测困难、已知实测数据极少的难题，采用数值模拟与井下钻孔注水试验相结合的方法，分别对林西矿深部工作面底板岩层完整区域、破碎区域底板采动破坏演化规律及深度进行了研究。注水试验实测结果表明：底板岩层完整区域采动破坏带深度为 ，破碎区域采动破坏带深度为 。数值模拟结果表明：随工作面开采推进，岩层完整的底板采动破坏深度发育将经历“增长稳定”的过程；岩层破碎的底板采动破坏深度发育将经历“增长稳定突增稳定”的过程；底板赋存小构造（或裂隙）“活化”，并与底板采动裂隙联通，是导致岩层破碎的底板采动破坏深度加大的根本原因。关键词：深部开采；采动破坏带深度；注水试验；数值模拟 中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，）：，：，“”；，“”“”（），：；底板采动破坏带深度是底板防治水工作中非常关键的一个参数。近年来，随着我国多个矿井已进入或即将进入深部开采阶段，矿井开采面临日趋严重的“三高一扰动”的复杂地质环境，底板承压含水层水压也普遍增高，井下防治水的问题日趋恶化。因此，掌握深部开采工作面底板变形与破坏演化规律及其最大发育深度，对指导矿井深部开采防治水工作尤为重要。目前，对于底板采动破坏带深度的确定及发育规律的研究多集中在数值模拟、物理模拟试验及井第卷第期 煤 炭 工 程 ，下实测。李昂等采用数值模拟方法，分析得到了适用于澄合矿区的底板岩体扰动破坏深度拟合公式。周杨采用 数值模拟软件，选取寺河矿 煤回采工作面为研究对象，结合多元非线性回归分析理论，建立了采高、采深和采宽底板破坏深度预测模型。黄广帅采用数值模拟的方法，研究了梁北煤矿带压开采工作面 推进距离、埋深、煤层厚度、断层及断层位置等不同条件对底板破坏深度的影响。代革联等采用数值模拟及现场实测相结合的方法，研究了柳家庄煤矿 首采工作面底板破坏裂隙的发育形态及深度、不同工作面宽度条件下的底板破坏深度发育特征；根据压水判别依据，确定了 组底板破坏探测孔裂隙发育深度的实测数据。付翔等采用数值模拟及地质雷达探测法，对祁东矿 工作面底板破坏特征进行研究。许延春等采用相似模拟试验，将超声波检测技术应用于底板岩层结构破坏分析上，确定了底板岩体破坏的深度。王杰等采用 微震监测系统对朱庄煤矿 工作面回采期间煤岩活动和导水裂隙带发育情况进行监测，分析了微震活动能量、时间分布、发育高度以及空间分布规律，测定了底板最大破坏深度。段建华等采用高精度井孔联合微震监测技术，对保德煤矿 工作面底板破坏深度开展实时监测。为确定深部工作面底板采动破坏深度及发育规律，本文以林西矿深部开采工作面为研究对象，采用井下压水实验及数值模拟相结合的方法，分别对深部开采工作面的底板在完整区域、破碎区域的采动裂隙发育规律及破坏深度进行了研究。研究区概况研究区选取开滦矿区林西矿深部已回采的 工作面。该工作面开采 煤层，采厚 ，煤层倾角 ，走向长 ，倾斜长 ，采深 。工作面采用长壁后退式综合机械化采煤法，全部垮落法管理顶板。工作面四周同煤层东侧、南侧均已回采；北侧为采区下山巷道；西侧正在布面开采。工作面位于杜军庄背斜构造块和黑鸭子向斜构造块内，小断层相对发育，最大落差 。工作面顶板含水层为砂岩裂隙含水层组，富水性均比较弱，对工作面影响比较小；底板主要受奥陶纪灰岩（简称奥灰）水威胁，底板距离奥灰顶界面略大于，突水系数为 。矿井水文地质情况如图 所示。图 矿井水文地质柱状（）随着矿井今后开采深度的进一步增大，突水系数基本上大于底板构造破坏地段突水系数临界值 。矿井今后深部开采面临底板奥灰突水隐患，急需掌握本矿井深部开采底板采动裂隙发育规律及发育深度。底板破坏深度现场测试与分析 测试方法底板破坏带深度探测拟采用井下钻孔压水观测法如图 所示。该方法先是通过附近巷道向采空区底板方向布置钻孔；然后采用“钻孔双端封堵测漏装置”沿钻孔进行分段封堵注水，测定不同深度的漏失量变化情况；最终确定底板破坏带的下限深度。井下钻孔压水观测法相比传统的地面钻孔冲洗液消耗量观测法，具有工程量小、周期短、试验点在井下较为方便、测量准确度高的优点。图 井下钻孔压水观测法探测原理及结构 测试方案设计与过程试验在 工作面下山相邻工作面 的研究探讨 煤 炭 工 程 年第 期回风巷内设计两组井下钻孔，一组布置于 工作面底板完整区域，一组布置于 工作面底板断层破碎区域。井下钻孔设计如图 所示。经现场施工后，两组钻孔的成孔情况见表。图 井下钻孔设计（）表 井下钻孔基本信息钻孔编号钻深 钻孔倾角（）钻径 底板条件 完整 破碎井下观测钻孔成孔后，需对其进行全面洗孔，然后沿钻孔进行分段封堵注水试验，观测每分段的注水流量（即漏矢量）和注水压力。试验过程中，为保证试验探测底板破坏带发育深度的准确性，应确保出水孔口水头压力恒定为 ；每段注水 次，测试漏失量后取其平均值作为该段的测试漏矢量。最后根据注水漏失量及注水压力来判断裂隙发育情况：通常情况，裂隙较为发育的地方，漏失量大，注水压力保持稳定；裂隙不发育或发育不好的地方，漏失量小，注水压力增加。底板破坏深度实测结果分析 底板完整区域钻孔实验数据见表。由表 可以看出：）当钻孔斜长为 （距底板法向深度为 ）时，此试验段位于保护煤柱范围内。此段试验过程中，注水压力稳定在 左右，能够持续注水，注水漏矢量为 ，注水过程中孔口有少量返水，说明注水测试过程中有可能存在因封隔器密封不严而少量漏水。）当钻孔斜长为 （距底板法向深度为 ）时，此段注水压力稳定在 左右，注水漏矢量为 ，注水漏失量开始增加，说明此段开始进入底板破坏带。）当钻孔斜长在 （距底板法向深度 ）时，此段注水漏矢量持续增大且大于 ，注水压力稳定，判断此段为裂隙较为发育区域，据此确定该段进入底板破坏带。）当钻孔斜长为 （距底板法向深度为 ）时，此段注水漏矢量急剧下降且低于 ，甚至下降至，注水时注水困难，压力表压力瞬间上升。说明此时裂隙较少，该段位置已穿过裂隙带的区域范围内。）当钻孔斜长为 （距底板法向深度 ）时，此段注水漏矢量比较小，且呈现先升后降的形态，局部最大漏失量为 ，且注水压力较大，判断此时为底板的原生裂隙区域。根据 钻孔注水试验过程中注水漏矢量及压力随深度的变化规律，可推测出深部开采工作面底板完整条件下的破坏带发育深度（法向）为 。表 钻孔注水实验记录钻孔深度 法向深度 注水压力 注水漏矢量（）注水时长 底板破碎区域钻孔注水实验数据见表。由表 可以看出：）当钻孔斜长为 （距底板法向深度为 ）时，钻孔位于保护煤柱内还未到达底板破坏带下部，此段注水压力稳定在 左右，注水漏矢量非常小，只有 ，试验现场观察到孔口返水量很小，证明实验封堵效果较好。）当钻孔斜长为 （距底板法向深度为 年第 期 煤 炭 工 程 研究探讨 ）时，此段注水压力稳定在 左右，注水漏矢量显著增加，为 ，说明开始进入底板破坏区域。表 钻孔注水实验记录钻孔深度 法向深度 注水压力 注水漏矢量（）注水时长 ）当钻孔斜长在 （距底板法向深度为 ）时，此段注水漏矢量显著增大且普遍大于 ，整体呈现先升后降，局部下降的形态，注水压力也基本维持稳定，判断此段为破坏带较为发育区域，中间局部岩石较为完整导致漏失量下降。）当钻孔斜长为 （距底板法向深度为 ）时，此段注水漏矢量持续下降。同时，下降幅度非常迅速并最终趋于稳定。当注水漏矢量降至 以下时注水困难，压力表压力瞬间上升。说明此时裂隙较少，此段位置已穿过裂隙带的区域范围内。根据 钻孔注水试验过程中注水漏矢量及压力随深度的变化规律，可推测出深部开采工作面底板破碎条件下的破坏带发育深度（法向）为 。底板采动破坏演化规律模拟分析 模拟方案采用 数值模拟软件，分别模拟底板完整和破碎条件下深部煤层开采，研究两种工况条件下底板采动破坏演化规律，进一步揭示底板岩层赋存条件对采动破坏发育深度的影响机制。数值模拟设置两种工况：）工况一模拟底板完整条件下深部煤层开采。根据林西矿 工作面地质开采条件，设计模拟工作面采厚 ，走向长 、倾向宽 。工作面顶板设计高，对模型未能模拟的 厚上覆岩层采用补偿荷重的方式实现，施加的补偿荷载重力约为 （单位体积上覆岩层重力取 ）。工作面底板设计深 。为减小边界对工作面开采模拟的影响，走向两边各延长了，倾向边界各延长了 。初始垂直应力为自重应力，初始水平应力取垂直应力的 倍。）工况二模拟底板破碎条件下深部煤层开采。在工况一设计模型的基础上，在开采工作面底板设置一倾向、倾角、垂向延展高度 、落差为 的小断层，小断层上部尖灭于工作面底板走向 处。模拟断层分界面采用无厚度分界面单元，可描述为可以滑动、分离的平面。模型模拟岩层采用摩尔库伦本构模型，模拟断层采用库伦剪切本构模型，数值模型岩层参数见表。在数值模拟计算过程中，采用沿走向每 为一阶段对煤层进行开挖。待每阶段岩层移动基本稳定后，提取每阶段的围岩塑性发育情况，重点分析随着工作面走向推进底板岩层的采动破坏演化规律。表 主要岩层力学参数序号岩层名称密度（）弹性模量泊松比体积模量剪切模量内摩擦角（）凝聚力抗拉强度砂岩 泥岩 煤 中粒砂岩 细粒砂岩 粉砂岩 模拟结果分析走向推进、阶段围岩塑性区发育情况如图 所示。由图 可以看出，底板岩层完整和破碎条件下底板破坏发育演化规律分别表现为：）底板岩层完整条件下，工作面走向推进 研究探讨 煤 炭 工 程 年第 期图 工作面走向推进不同距离时塑性区发育时，底板岩层开始受到采动破坏，发育深度约为，破坏带形状大致呈“勺型”，为拉张破坏；走向推进 时，底板岩层采动破坏深度进一步加深，发育深度约为 ，破坏带整体为拉张破坏，两侧出现剪切破坏；走向推进 时，底板破坏深度稳定至 左右，随着工作面推进底板破坏只是横向扩展发育；走向推进 时，底板破坏深度稍有增加，向下发育至 ；之后随着工作面进一步推进，底板破坏带只横向扩展发育，不再向纵深方向发育。最终底板岩层完整条件下的采动破坏发育最大深度稳定在 ，即完整条件下底板破坏带深度最大为 。）底板岩层破碎条件下，工作面走向推进至 之前，工作面下方底板破坏发育演化过程基本同底板完整条件下相同，但前方小断层受采动应力影响，小断层上下端部出现破坏区，且随工作面推进向小断层靠近，小断层上下端部破坏区均快速地顺着断层面扩展而相互靠近；走向推进 时，工作面开采至断层上部尖灭点，此时该处底板破坏区与断层破坏区彼此连通，同时断层下端破坏区向深部略有扩展，从而导致底板破坏区深度大幅增加，突增至 ；走向推进 时，底板破坏区深度保持稳定在 左右，只在横向上有所扩展；走向推进 时，底板破坏区主要在横向上发育，在纵深方向因断层下端部进一步向下破坏发育，使得底板破坏深度略有增加，至 。最终底板岩层破碎条件下采动破坏发育最大深度稳定在，即破碎条件下底板破坏带深度最大为 。数值模拟得到的底板岩层完整、破碎条件下工作面推进各阶段的底板破坏带深度发育规律如图 所示。总体来看，底板岩层完整条件下，底板破坏带发育深度刚开始随工作面推进而快速增加，当工作面推进达到一定距离后，其值将不再增加而保持基本稳定；底板破碎条件下，底板塑性区发育深度刚开始同样随工作面推进而快速增加，当工作面推进达到一定距离后，其值将不再增加保持稳定，但当工作面推进至断层处时，底板破坏带可能与断层破坏区连通，导致底板破坏带深度突增，随后其值将不再随工作面的推进增加而保持基本稳定。图 走向推进各个阶段底板破坏带发育深度由此可见，底板赋存的小构造（或裂隙）将增大底板破坏损伤的范围和程度。就其原因是工作面煤层被采出后，底板应力平衡状态就遭到破坏，底板岩石上部应力卸载产生移动，并在一定深度内产生裂缝，即是所谓的底板采动破