中組煤上覆煤層開采沖擊荷載擾動下底板破壞深度研究

晁騰躍，華心祝，朱 曄

（安徽理工大學礦業工程學院，安徽 淮南 232001）

0 引 言

我國正處于高速發展的階段，資源消耗也在不斷提高，淺部煤炭資源已經基本消耗殆盡[1]，煤層賦存條件愈發復雜，煤礦開采中遇到近距離煤層開采的頻率不斷上升，實際開采中遇到煤層賦存地質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、平頂山礦區、西山礦區、新汶礦區、大同礦區等[2]，在近距離煤層開采中，底板破壞可能會引起瓦斯突出，對其下煤層開采的巷道布置、頂板安全等造成影響。

當前對底板破壞的研究多采用數值模擬、理論分析、經驗公式、現場觀測[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因素，關聯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，傾角達到30°時，破壞深度達到最大，超過30°，底板最大破壞深度逐漸減小。孫闖[9]采用UDEX 和FLAC3D模擬軟件進行分析，在相同地質條件下，采高與工作面斜長均存在臨界值，達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定。段宏飛[10]采用現場應變實測法研究得出，在煤層開采過程中，底板所受采動礦壓影響具有超前和延后特點，且煤層采動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，當工作面開采寬度小于140 m 時，煤層破壞深度隨工作面增大而增大，幾乎成線性關系，超過之后，煤層底板采動破壞深度基本不變。王程等[13]通過孔中瞬變電磁法測得底板破壞深度，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]采用相似模擬實驗法模擬斜橋煤礦極近距離煤層重復開采過程，當上煤層開采穩定后，對下煤層進行開采產生與上工作面采空區貫穿的裂縫，導致下煤層工作面周期來壓發生不規律變化。王厚柱等[15]根據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，與經驗和理論公式對比結果偏大，與現場實測相比結果偏小，模擬結果依次從上到下開采時與單獨開采下煤層相比，底板最大破壞深度有效減小。施龍青等[16]對眾多現場實測數據進行分析，對底板破壞深度與其有關的影響因子進行曲線擬合，得到采場底板破壞深度的非線性回歸修正計算公式。沈浩等[17]采用斷裂力學理論建立了煤層傾角對底板破壞深度影響的計算模型，通過與我國大量礦井現場數據對比分析，驗證了計算模型的可靠性。PENG等[18]通過數值模擬和理論計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。MENG 等[19]結合鉆孔漏水法和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，對煤層開采擾動下底板破壞的研究多集中于單煤層預防承壓水隔水層破壞，對多煤層間隔近、上煤層開采對其下煤層安全開采有無造成影響方面研究較少。此外，現有對底板破壞深度構建的理論計算模型中，沒有考慮回采中采空區頂板垮落步距，以及垮落沖擊荷載對底板的破壞作用，需要在開采擾動下底板破壞公式中加以補充，進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條件。通過理論計算、數值模擬、現場觀測對61煤層開采擾動下底板破壞進行研究，揭示近距離煤層工作面回采過程中底板巖體的塑性區發育破壞規律，得到底板破壞深度理論解和數值解。結合工作面底板破壞深度現場觀測，驗證了沖擊荷載理論計算模型和數值解的可靠性，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祁縣鎮境內，北距宿州市約23 km，南距蚌埠市約70 km，隸屬于淮北礦業股份有限公司。祁南煤礦6142 工作面為84 采區61煤層右翼第一個區段，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，上煤層的開采將會直接或間接影響到其下煤層，開采擾動下造成的圍巖應力變化以及當工作面推進一定距離后產生的頂板垮落，都將對下煤層的安全開采造成影響。為獲得靜力荷載、頂板垮落所產生瞬時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下工作面底板力學分析理論模型，在靜載受力模型基礎上增加頂板垮落產生動荷載，分析頂板垮落造成沖擊荷載下底板應力分布狀態，研究底板破壞深度范圍。

2.1 垮落巖層沖擊應力計算

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生沖擊荷載的大小以及應力波傳播后其產生的垮落物對采空區產生的恒載作用。

基于彈塑性力學平面問題[20]將工作面四周看作無限延伸狀態，單位厚度為1 m，垮落帶（深色部分）視為規則臺體，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度巖層，垮落帶最大高度Fd按經驗計算公式計算[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，通常取1.1～1.4；Ch為開采煤層厚度，m；P為煤層傾角，（°）。

根據垮落帶最大高度決定垮落層數，垮落巖層重量F計算見式（2）。

式中：g為重力加速度，m/s2；n為垮落巖層層數；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采用材料力學公式計算，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。

沖擊應力計算公式見式（4）[22]。

式中，沖擊荷載Id=FSd，其中，Sd為沖擊因子，計算見式（5）。

2.2 傾斜煤層底板應力計算

以傾斜工作面左右煤體應力集中區和20 m 原巖應力區L1、L4為邊界，左側煤體邊界為坐標原點。為安全生產及簡化計算考慮，底板所受荷載視為均布荷載，煤壁應力集中區荷載取最大支承集中應力計算，兩側原巖應力區取最大埋深處應力，將沖擊荷載視為局部荷載與采空區垮落巖層荷載疊加，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為煤體應力集中區長度，m，計算見式（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；φ為煤體內摩擦角，（°）；φu和φd為煤體上下側與巖體接觸面上摩擦角，（°）。

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

轉換為直角坐標系下形式，見式（8）。

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

各分段應力計算見式（10）。

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

利用主應力求解公式求得底板下任意一點主應力σ1和σ3表達式，見式（11）；并結合摩爾-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為底板巖體平均內摩擦角，（°）。

祁南煤礦6142 工作面垮落巖層荷載F，Td根據假設取0，P為煤層傾角17°，S為垮落巖層碎脹系數，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，頂板垮落產生沖擊應力21.81×103kN/m2，K1和K2分別為2.39、2.12，φ煤體內摩擦角28°，φu和φd煤體上下側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 煤層底板破壞數值分析

基于祁南煤礦6142 工作面工程地質條件建立FLAC3D計算模型，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，模型兩側留設煤柱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力荷載大小為330 m×0.025 MPa，模型共計515 755 個單元，534 690個結點，為盡可能還原工作面采煤過程，采用分區段沿傾向和走向逐步推進，采用傾向30 m×走向20 m回采方式，觀察底板破壞發育狀況，各煤層物理力學參數見表2。

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

在模擬開采的過程中，回采時煤層底板塑性區在采空區兩側煤體下部發育較深，塑性區的發育呈現出兩側“先垂直后水平擴散”的特點，采空區垂直煤壁下方發育較快，當發育到一定程度后，垂直發育速度變慢，同時塑性區向兩側擴散，如圖4 所示。

圖4 傾向方向工作面回采塑性區發育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，直至采空區頂板發生垮落，隨著工作面不斷推進，這一過程重復發生，最終在煤層底板下方形成大范圍的塑性區，底板下方存在強度高巖層時塑性區發育被隔絕，在實際生產中必要時可考慮采取底板加固，為下煤層開采提供保障。

當工作面完成傾斜方向一趟回采過程后，沿走向向前推進，塑性區范圍在傾向回采后的基礎上繼續發育，工作面沿走向推進25 m 后塑性區發育趨于穩定，底板破壞深度達到最大值為16.12 m，62煤層、63煤層頂板均受到61煤層開采擾動影響產生剪切破壞，形成塑性區，如圖5 所示。

圖5 走向推進25 m 原位塑性區發育Fig.5 The development of plastic zone at the original position when the working face advances 25 m

為觀察工作面推進過程中底板塑性區發育與底板應力位移變化關聯性，在工作面下方不同位置設置監測點，分別于底板埋深5 m、15 m、25 m 處設置應力監測點，同一巖層埋深測點水平間距分布為25 m、20 m，如圖6 所示。

圖6 模型測點布置Fig.6 Model measuring point arrangement

當工作面沿著傾向方向推進時，觀察回采第二段時位于推進前方25 m 后煤體下方所有3 號測點位移無明顯變化，不受集中支撐壓力影響。在工作面傾向前側煤體下方產生的位移量隨著埋深的增大而減少，如測點1-1、測點1-2、測點1-3 在傾向方向第一段回采時豎向位移大小分別為0.550 cm、0.400 cm、0.288 cm。未開挖至測點水平面時，測點處垂直應力均呈現出不同程度的垂直應力增加。當工作面走向推進越過測點，應力瞬間釋放，大幅度減少；沿著走向推進距離達15 m 時，測點處應力位移仍會受到工作面開挖的影響；當走向方向向前推進30 m 左右，測點處應力位移變化基本穩定，不再出現大幅度變化，此時工作平面處塑性區發育也基本穩定；當走向向前推進與測點走向方向距離達45 m 時，位移應力變化不再受工作面推進的影響，塑性區的發育與應力變化狀態密切相關，如圖7 所示。

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

4 現場觀測

為了驗證數值模擬和理論計算的可靠性，采用TS-C0601 鉆孔多功能成像分析儀對6142 工作面底板內部結構進行探測。TS-C0601 鉆孔多功能成像分析儀主要包括成像分析儀主機、探頭、深度測深滑輪等主要部件，以及電纜架、連接電纜、充電器和USB轉接線等。對于水平孔和傾斜孔，另配有探頭居中保護裝置和推桿等附件，其主要構件如圖8 所示。

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

根據理論計算和數值模擬結果，底板最大破壞深度均未超過20 m，為降低觀測成本，在6142 工作面沿機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

底板鉆孔的窺視結果如圖10 所示。由圖10 可知，探測區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，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顯著的變形破壞。在采動影響下，底板16.85 m 前后仍產生了較大的裂隙，說明該處底板仍未處于穩定狀態。底板25.00 m 處圍巖較為完整，未發生破壞。

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

綜合理論計算、數值模擬、現場觀測結果對比分析，6142 工作面采動破壞深度為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，開采作業時需注意加強頂板管理。

5 結 論

1）煤層底板回采過程中，工作面煤壁下方塑性區發育呈現“先垂直后擴散”的特點，在不斷推進過程中，最終在底板下方形成大面積塑性區，工作面沿走向推進30 m 后塑性區發育趨于穩定，底板破壞深度達到最大值16.12 m。

2）在傳統半無限體理論基礎上增加了底板垮落作用下沖擊荷載對底板破壞的應力影響分析，以求解采空區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應力分布狀態，最終通過主應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）根據現場觀測結果得出祁南煤礦6142 工作面61煤層回采過程中底板破壞范圍在16.85 m 附近，驗證了沖擊荷載底板破壞計算模型的可靠性，61煤層的回采使得下方62煤層、63煤層頂底板發生破壞，下方煤層均受采動影響。