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承压水上方煤层带压开采底板破坏规律与风险分析

2024-01-12 75 上传者：管理员

摘要：宏岩煤矿开采过程中存在底板承压水害威胁，为判断采动过程中底板的破坏深度，采用理论计算、数值模拟、现场测试等方法进行综合分析。结果表明：煤层底板的破坏深度为9～9.06 m.底板塑性区表现出周期性的张拉破坏—重新压实—张拉破坏形式，底板的突水系数为0.098 MPa/m,满足安全开采的需求，但由于与临界安全值较为接近，需要加强底板防治水工作。

关键词：
奥陶系岩溶水
带压开采
底板承压水
底板破坏
突水风险
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1、工程概况

煤矿带压开采时容易受到底板承压水害的威胁[1,2]。我国华北地区煤田的煤层底板普遍存在太原组灰岩含水层和奥陶系灰岩含水层，尤其是奥陶系灰岩含水层厚度大、岩溶发育、补给面积大、水位较高、水量极为丰富，是华北煤田开采下组煤的主要水害威胁[3,4]。宏岩煤矿井田内对煤层开采影响大的地下水为奥陶系岩溶水，最大水压约为3 MPa, 现阶段开采的9号煤层底板为泥岩、砂质泥岩、页岩、铝质泥岩等岩性较弱的岩石，具有极高的底板突水风险。因此，拟采用理论计算、数值模拟、现场测试等方法对底板破坏规律与风险性进行分析与评价。

2、承压水上方煤层底板破坏特征

煤层开采的过程中，随着工作面的逐渐推进，采场底板的支承压力也会相应发生变化，当开采产生的扰动应力大于煤层底板岩石的极限强度时，底板会产生塑性破坏，整体的承压能力降低。在底板水压的作用下，底板承压水会向上导升，当导升高度达到采动应力导致的底板塑性破坏区后便会向采场内部涌水，容易导致水害事故。煤层底板承压水应力分布与塑性破坏区如图1所示。

图中，γ为覆岩容重，kN/m3;H为煤层埋深，m; xa为超前支承压力峰值点到工作面的距离，m; l1为底板塑性破坏区到工作面的最大距离，m; l2为采空区到工作面的底板塑性区距离，m; Hm为垮落带高度，m; φ为底板岩石的内摩擦角，(°);h为底板塑性破坏区深度，m.

图1 煤层底板承压水应力分布与塑性破坏区

根据图1所示的力学模型，对煤层开采造成的底板最大破坏深度进行分析。在底板abf几何区域内，岩石受到较高的支承压力作用，此区域内的岩石在垂直方向被压缩，在水平方向上对abec岩石做挤压运动。abec区域内的岩石受到的水平挤压力向右上方的acd岩石传递，最终导致采空区的底板岩石出现底鼓，并容易导致底板承压水涌入采空区。工作面底板的塑性破坏区最大深度见式(1)[5]:

底板塑性破坏区到工作面最大距离的计算公式见式(2):

采空区到工作面底板塑性区距离的计算公式见式(3):

底板支承压力峰值点到工作面的距离见式(4):

式中：K为支承压力集中系数，取2.5;σc为岩石抗压强度，取15 MPa.

根据现场实测勘探数据，取γ=25 kN/m3,H=580 m,φ=16°.将数据带入上式，最终得到底板塑性破坏区到工作面的最大距离l1为2.6 m,底板支承压力峰值点到工作面的距离xa为5.37 m,采空区到工作面的底板塑性区距离l2为11.18 m,工作面底板的塑性破坏区最大深度Hmax为9.06 m.

3、底板破坏特征数值模拟

3.1 数值模型的建立

根据宏岩煤矿9号煤层工作面的地质条件，运用FLAC3D数值模拟软件建立长500 m、高100 m、宽300 m的长方体模型，在煤层上方施加10 MPa的地应力。限制模型四周的水平位移以及模型底部的垂直位移。在模型的底部边界施加3 MPa的水压边界模拟底板的承压水。数值模拟采用摩尔-库伦本构模型。模型的岩性参数如表1所示。

表1 数值模拟岩性参数

3.2 底板破坏深度变化特征

为分析工作面布置长度对底板塑性区发育深度的影响，在数值模型中分别模拟100 m、120 m、140 m、160 m、180 m、200 m共计6种不同工作面长度的模型，计算的走向开采长度均为100 m,最终得到工作面长度与底板破坏深度变化关系如图2所示。底板的破坏深度随工作面长度变化呈现出非线性增长的趋势，在工作面长度为120～160 m的过程中，底板破坏深度快速增加，当长度大于160 m后，底板破坏深度的上升趋势逐渐平缓。

图2 工作面长度与底板破坏深度变化关系

3.3 底板支承压力分布特征

随着工作面的逐渐开采，底板的支承压力分布特征如图3所示。当工作面开采100 m时，底板应力值约为26 MPa,随着工作面的逐渐推进，应力值逐渐上升，最大值达到了38 MPa.同时在工作面推进方向上，平均每推进10 m会产生小幅度的应力攀升，这主要是由于周期来压导致的循环性应力增高。根据底板应力的数值可知，采空区内部存在着一定范围的卸压区，越靠近工作面，卸压区的卸压效果越明显。

图3 煤层底板支承压力分布

煤层底板的塑性破坏区随着工作面的推进周期性移动，底板塑性区表现出来周期性的张拉破坏—重新压实—张拉破坏形式，这与工作面的周期来压密切相关，也与图3所示的采空区中的小幅度应力升高密切相关。工作面向前推进时，底板应力随着支承压力峰值点的迁移而增加，达到应力峰值点并引发塑性破坏，当工作面推进过后，底板应力迅速释放，发生剪切滑移破坏。因此，工作面后方0～40 m范围内的岩体最易形成导水通道。

综合分析可知，在煤层开采的动载荷作用以及承压水压力的综合作用下导致了底板塑性破坏区的发育，破坏区域主要发育在工作面附近到采空区触矸区范围内。此区域主要为垂直应力的卸压区，底板岩石主要以张拉破坏为主，破坏深度约为9 m,数值模拟的计算数值与式(1)计算的工作面底板的塑性破坏区最大深度相近。

4、底板破坏深度现场测试

4.1 测试方案

为判断宏岩煤矿9号煤层的底板破坏深度，根据现场试验条件，采用钻孔分段压水观察水量变化，以此对煤层底板的破坏深度进行研究。取测试段的长度为2 m,压水测试的时间为20 min,压水的压力为0.2 MPa,每隔5 min记录1次水量的变化。现场试验的钻孔布置如图4所示。

测试孔的编号与测试深度分别为3号孔(7.51 m,12.37 m)、4号孔(12.4 m,14.43 m)、5号孔(14.43 m,20.00 m)。由于4号钻孔与5号钻孔的压水量基本保持不变，而根据图5所示的3号钻孔测试结果可知，最大压水量为28.6 L/min,最小压水量为19.8 L/min,变化量较大，压水量出现变化主要在3号钻孔，因此，可以判定底板的破坏发生在3号钻孔的测试范围内。根据图5(b)所示的双塞压分段水流量变化特征，只有3号钻孔在(8.98 m,9.03 m)区间内的流量满足判别标准，表明此区间内的底板破坏较为发育。

图4 压水试验钻场布置示意

图5 3号钻孔测试曲线

4.2 突水风险评价

根据宏岩煤矿地质测试资料，底板承压水的压力值约为3 MPa.根据前文的理论计算、数值模拟、现场实测，底板的破坏深度为9～9.06 m.为保证工程可靠性，拟推断9号煤层的底板最大破坏深度为9.5 m,底板承压水的隔水层厚度为30.5 m,根据式(5)所示的突水系数进行计算：

T=P/M (5)

式中：T为底板突水系数，MPa/m;P为底板承压水的水头，MPa;M为隔水层厚度，m.

根据计算结果，最终推断9号煤层的突水系数为0.098 MPa/m.根据煤矿防治水条例，隔水层在地质条件良好的赋存地带，突水系数需小于0.1 MPa/m.因此，9号煤层开采时满足安全开采的需求，但由于两值的计算结果较为接近，需要加强底板防治水工作。

5、结语

1) 理论分析了煤层底板承压水应力分布与塑性破坏区的力学模型，根据理论计算得到底板塑性破坏区到工作面的最大距离为2.6 m,底板支承压力峰值点到工作面的距离为5.37 m,采空区到工作面的底板塑性区距离为11.18 m,工作面底板的塑性破坏区最大深度为9.06 m.

2) 运用FLAC3D进行多场耦合计算，表明随着煤层开采，底板的破坏深度随工作面长度变化呈现出非线性增长的趋势，底板塑性区表现出张拉破坏—重新压实—张拉破坏形式。底板的破坏深度约为9 m.

3) 根据现场钻孔分段压水测试结果，煤层底板的破坏深度为8.98～9.03 m.突水系数约为0.098 MPa/m.表明9号煤层开采时满足安全开采的需求，但接近于临界值，需要加强底板防治水工作。

参考文献: