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_李昂.pdf

第41卷第4期 2013年8月 文章编号l001-1986201304-0056-05 煤田地质与勘探 COAL GEOLOGY depth of destroyed floor; theoretical analysis; empirical ula; numerical simulation 董家河煤矿是陕西澄合矿区主力生产矿井之一， 于1980年12月建成投产，至今已有30a的开采历 史。井田煤层赋存于上石炭统太原组和下二叠统山西 组地层之中，下二叠统山西组为井田次要含煤地层， 含1 、2、3号煤层，含煤总厚度0.92m，石炭系上统太 原组为井田主要含煤地层，含5上、5,6、9和10号煤 收稿日期2012-03-01 基金项目陕西省教育厅科研计划项目（llJK.0779 层，煤层总厚6.52m，含煤系数16.56，可采及局 部可采煤层只有5号和10号煤层，5号煤埋深为 173.64-420.04 m, 10号煤埋深在190.5～452.5m, 5号煤为矿井主要可采煤层，10号煤为不稳定的大 部分可采煤层。矿井采用斜井多水平上下山开拓。目 前主要开采5号煤层，开采平均厚度3.71m。 作者简介李昂（1981一），男，辽宁鞍山人，讲师，博士，从事岩土工程、矿山压力及煤矿灾害治理等教学与研究工作 ChaoXing 第4期李昂等带压开采煤层底板破坏深度理论分析及数值模拟 57 董家河煤矿5号煤层主要底板水包括砂岩含水 层水和奥陶系灰岩含水层水。而奥陶系灰岩含水层是 威胁5号煤开采最重要的含水层，5号煤与奥灰顶界 面距离为25-35m, 5号煤现开采标高＋270m，最低 开采标高＋240m，目前奥灰水位为＋375m，故5号 煤属于带压开采。在回采期间，底板受采动影响，根 据“下三带”理论中突水系数计算公式可知［1-3］，底板 采动破坏深度直接影响着有效隔水保护层的安全厚 度，从带压水体上安全采煤的角度，若选取不当，极 易诱发底板突水事故［钊］。 目前对董家河煤矿5号煤层在采动过程中底板变 形破坏深度和破坏规律的研究寥寥无几，为此，结合 董家河煤矿目前开采的实际情况，选取该矿507典型 综采工作面为工程背景，采用底板声波测试技术的现 场实测手段，结合岩石破裂分析系统RFPA20-Flow数 值模拟分析和理论计算结果，确定了煤层底板的破坏 深度和变形破坏规律，从而为董家河煤矿5号煤层的 安全开采和底板注浆加固工作提供了科学依据。 1 工作面水文地质条件 董家河煤矿5号煤层507综采工作面南部与506 采空区以30m煤柱相隔，北部为实体煤。本区煤层 在工作面内部发育完整，厚约3.0m，属中厚煤层， 地面标高＋644.2～＋680.7m，工作面标高＋255叶273m, 工作面走向长度910m，倾斜长度114m。总体表现 为南高北低，煤层倾角为0。～15。，5号煤层位于太原 组的上部，直接顶为较坚硬的灰色L中粒砂岩，厚 度10.9～18.15m，成分以石英为主，硅泥质胶结，裂 隙较发育；直接底为深灰色的粗粉砂岩，厚度 0.23.21 m，含大量云母片，局部夹砂岩条带；老底 为细粒的K3石英砂岩或粉砂岩，厚度3.4～7.8m，采 用长壁综采采煤，全部跨落法管理顶板。 2 底板采动破坏深度理论计算 本次采用塑性理论计算方法和经验公式计算方 法开展研究［6刑。 2.1 塑性理论计算 根据董家河煤矿507工作面具体条件，通过对现 场实际底板岩体应力分布规律研究，采用魏西克提出 的塑性滑移时岩土层极限承载力的综合计算方法得 出的底板岩体采动破坏深度较符合现场实际底板破 坏规律，故此该工作面底板岩体破坏深度理论计算模 型，如图1所示。 根据滑移线场理论在极限状态下底板塑性区的 解析方法，确定图1中极限塑性区的几何尺寸，从而 得出煤体边缘支承压力作用下底板岩体内极限塑性 破坏区的最大破坏深度h1。 图1极限状态下底板最大破坏深度计算示意图 Fig. 1 The schematic diagram of the maximum floor-broken depth calculation under the limit state ①一超前支承压力区；②一采空压力区；③一底板塑性破坏区 在卒a旷中， ab＝俨0.5与s咐号）1 式中Xa为煤层塑性区的宽度，m；份为底板岩体内 摩擦角。 在卒aeg中，hrsinα，而a2I主一生）－θ，且 2 4 2 J rlj exp（θtan化），所以 时xp（θ叫）cos（θ＋仨）2 上式表明，底板岩体破坏深度随0角的不同而发 生改变，当dh/dθ＝O时可以求出底板破坏区的最大深 度h1，由此计算出 。＝主＋生（3 4 2 将式。）和式（1）代人式（2），即可得出底板岩体最 大破坏深度 fπo I I （πo I I h10.饥cos化secl42 J四Pil4＋τJtan化I4 经现场在煤体内部安装钻孔应力计传感器［坷，通 过测量媒体应力变化引起的钻孔受破坏变形时的压 力值，从而得到超前支承压力分布曲线，如图l中① 所示，超前支承压力峰值至工作面距离即为塑性区的 宽度Xa，实测得到xa5.3m。 现场对507工作面底板进行取样，对钻取的岩石 试块经由室内岩石力学实验得到fJ41.10，根据文献 [10］中岩体内摩擦角值可由岩石试件内摩擦角值乘 以0.85-0.95的折减系数确定，即化＝0.94日＝37。，故 此计算得出底板采动破坏深度h1为10.9m。 2.2 经验公式计算 结合澄合矿区董家河煤矿5号煤层现场工程地 质、水文地质条件，采用数值模拟计算手段对5号煤 ChaoXing 58 煤田地质与勘探第41卷 层采场下底板采动破坏深度进行模拟研究。根据数值 模拟不同的计算结果分析可知，底板破坏深度与工作 面倾斜长度和埋深有一定的关联性，由于本文篇幅有 限，将在其他文章中加以详细分析。运用数理统计的 方法，可得底板破坏深度与上述诸因素的关系 h0.0117H 6.25ln主＋0.545 40 式中h为底板采动最大破坏深度，m,H为5号煤 层埋深，m,H＇.三500m; Lx为工作面倾斜长度，m, Lx运120m。 将H330m及Lx114m代人式（匀，计算得到董 家河煤矿507综采工作面底板采动最大破坏深度为 10.95 m，该值与现场实测破坏深度相对误差为 1.38，绝对误差仅为0.15m。因此该经验公式具有 较好的实用意义，特别是对董家河煤矿5号煤层预测 底板采动破坏深度具有一定的参考价值。 3 底极采动破坏数值模拟分析 本文应用岩石破裂过程渗流－应力祸合分折系统 （盯PA20-flow），从流固藕合的角度模拟分析董家河煤 矿5号煤层典型综采工作面开采底板采动应力分布规 律及其底板破坏发展过程［11-15］。 3.1 数值模型的建立 根据董家河煤矿5号煤层507综采工作面的地质 条件，简化的搞合数学模型长230m，高100m，对 计算模型范围内的物理性质相近的岩层进行简化，将 整个数值计算模型简化为14层的结构体。根据钻孔 岩石力学指标测试报告，数值模型选取的各岩层材料 组按照由上向下的顺序，具体计算参数见表1。 袤1数值模型岩石力学性质参数 Table 1 Rock mechanic parameters for numerical model 弹性抗拉渗透孔隙 容重 岩位筷量强度泊松比 」系数水压力 /kgm I /MPa ／阳a/md-1 系数 5号煤l 650 0.8 石英砂岩8 850 4.8 细砂岩8 500 3.3 6号煤l 700 0.7 砂质泥岩3 500 1.2 细粉砂岩8 200 3.5 K2段岩层8 850 4.2 10号煤2 000 0.8 铝质泥岩2 800 0.7 奥灰岩10 000 8.0 0.32 I 500 0.24 2 650 0.28 2 400 0.32 l 540 0.34 2 200 0.26 2 450 0.25 2 650 0.33 l 520 0.35 2 050 0.26 2 600 0.02 0.10 0.10 0.02 0.01 0.10 0.40 0.02 0.01 100 0.002 0.040 0.040 0.002 0.002 0.040 0.080 0.002 0.002 1.0 本次算例通过分步开挖来模拟底板受采动的影 响。该地质模型中划分的单元数为230 xlOO共23000 个单元。本次模拟中设煤层埋深为350m，以均布荷 载Q形式加载在模型上边界处，若上覆岩层平均容 重为2150 kg/旷，则Q6.6MPa；其中奥灰顶部隔水 岩层由10号煤层与铝质泥岩层组成，本算例中5号 煤层至奥灰岩层的地质模型如图2所示。 QQ 图2数值模拟力学模型示意图 Fig. 2 Mechanic model of numeral simulation 地质模型的边界条件取两侧为限制水平方向位 移的滑动支座，可垂直移动；底部为限制垂直方向位 移的滑动支座，底边与侧边的两个角点处为限制水平 方向与垂直方向位移的固定支座；设定140m高的定 水头边界来模拟奥灰水带压水值（1.4MPa）。模拟中采 用分步开挖法进行研究，其中第一步为自重计算过 程，第二步从65m处开始开挖，设每步开挖8m, 共13步，累计开挖96m。 3.2 数值模拟结果分析 本次数值模拟的重点是要从底板隔水岩层采动 破坏深度演变特征（图3）和采空区底板垂直流量分布规律 （图4）加以分析。 3.2.1 初次来压阶段 a.随着煤层开采，顶底板岩层开始破坏，当工作 面推进至16m时，采空区直接顶板炭质泥岩层发生初 次破断，顶板破裂高度为6m，而采空区底板石英砂岩 层出现拉剪破坏区，采动破坏深度约为2m，底板隔水 性较好，在采空区中部底板岩层发生微小的底鼓量，为 10.9 mm；此时，工作面底板的水流流速较小，仅为 l.66xl0-2时h，底板涌水主要来自直勘高板采动破裂区内 的裂隙水，在开切眼和采煤工作面两端渗流进采空区。 a）推进至40mstep6 c）推进至88m（血pl2d）推进至96mstep 13 图3底板破坏深度演化进程图 Fig. 3 Developmental process of depth of destroyed floor ChaoXing 第4期李昂等带压开采煤层底板破坏深度理论分析及数值模拟 59 P、J，、J L 句3巾叶 JL 句3 」 l伽利－lm 」5 点似L5即 」9 距叫iι业 9 的 1ι5进 MNJ 剑5却 JU5锥 EK5 拙 ik5丽进 hEMU酣 li川加推 d 」i作 - 5 [- 5 ; 4句，＆ i －KU －－句 ，－rEA －，、J－，、J ω却叫叫∞ 4ω 却叫叫∞ 4 nunununununununυnununUAU （ τ且在福错综迟（ TZE）面运运运 －－ r、d －，、J 』’’ ］口加州←仁川川 」MD 离阳』 IN捕 ←姐叫｜ l山川MM出 」MM 迎。』组幻 凶 阳也仁堂uh5 酣 且川自－ Jum -21 AZ - － － E hv 」 ， － a 之内 Miijpi －5 山剧目斗 ω刽则叫骂 、J、EA、久、， ． 、J、－h AUAUnUUnunυ （－ ut －EY 虽瑶山目中（TZ 可倒回归爆且可 c）推进至88mstep12 d）推进至96mstepl3 图4采空区底板水流流速曲线 Fig. 4 Water velocity of gob floor b.随着煤层开采，在开切眼和工作面煤壁处出 现应力集中，顶底板岩层逐渐破坏。当工作面推进至 40 m时，采动引起基本顶板细粒砂岩发生初次来压， 顶板损伤破裂高度11m，而采空区底板细砂岩出现拉 剪破坏区，采动破坏深度约为5m（图3a），在采空区中 部底板岩层发生较小的底鼓现象，底鼓量仅为18.7mm; 此时工作面底板的水流流速较小，仅为2.58xl0-2m/h, 底板涌水主要来自底板以下石英砂岩和细粒砂岩中的 裂隙水，出水处多数发生在采空区内（图4a）。 3.2.2 周期来压阶段 c.当工作面推进到56m时，基本顶出现第一次 周期性压力显现，采空区顶板损伤裂隙继续向上层 “岩梁”发育至14m，采空区底板剪切破坏区不断向 深部扩展，底板采动破坏深度达7m（图3b），底板岩 层底鼓量继续增加，约为27mm；此时，工作面底板 的水流流速较小，仅为2.58x10-2 m/h，底板涌水主要 来自底板以下石英砂岩和细粒砂岩中的裂隙水，出水 处多数发生在采空区内（图4b）。 d.当工作面回采到88m时，基本顶已发生3次 周期性垮落，顶板围岩裂隙扩展至中粒砂岩层顶部， 采空区悬空面积的不断增大使得底板在拉、压剪共同 作用下破坏裂隙不断向强度较低的砂质泥岩层延伸， 其上部硬岩层几乎完全破坏，失去隔水作用，底板采 动破坏深度已达到11m（图3c），采空区底板最大底 鼓量约为96.7mm；此时，底板水流流速增大到 9.2510-2 m/h，涌水点主要集中在开切眼和采煤工作 面煤壁处，底板采动破坏区并没有与K2段岩层形成 导水通道（图4c）。 e.当工作面推进至96m时，基本顶再次发生周期 来压，而顶板起关键层作用的粉砂岩层断裂，使得顶 板围岩裂隙向上导通至地表，而底板剪切破坏裂隙不 再继续向下部岩层延伸，底板采动破坏深度达到最大 值11m（图3哟，而采空区底板弯曲鼓胀变形随着采空 区冒落研石逐渐被压实，最大底鼓量回落至63.5mm; 此时，采空区底板被冒落肝石压实，底板涌水量有所 回落，水流流速降低至5.25 x 10-2 m/h（图4哟，而底板采 动破坏区没有与K2段岩层或奥陶灰岩含水层相互连通 形成导水通道，底板隔水层仍保持较好的阻水能力。 3.3 现场测试 声波在岩体中传播时，原始状态和受力不同则声 波波速也不同。采煤过程中煤层底板由于受采动影响 各点应力状态发生变化，岩层遭受破坏，因而波速也 发生变化，压缩时波速快，膨胀时波速低，据此原理 在采前向煤层底板施工斜钻孔，并在采前、采中、采 后沿钻孔自下而上进行多次重复观测声波速度，对比 其深度变化规律，从而得到煤层采动前后底板的最大 破坏深度［16］。 根据现场实际情况，从507工作面进风巷向采煤 层底板斜下方打孔，距底板垂深用孔的斜长和倾角控 制，钻孔施工设计参数见表2所示。 表2底板测试钻孔施工设计参数 Table 2 Parameters for design of test boreholes in floor 钻孔倾角钻孔方位钻孔斜长垂深水平距终孔孔径 ／（。）／（。）Im Im Im Imm -29 117 28.8 14 22.4 73 注水平距为工作面距钻孔孔口的距离。 钻孔声波测试从距工作面78m处开始监测，测 试段有效垂深2.0～14m，当回采工作面推进至距测试 孔X78～47.6m时，由于底板处于原岩应力状态，声 波波形无明显变化，所以本次从X47.6m处进行分 析，如图5所示（X为工作面距测试钻孔孔口距离，时， 其结论如下 a. X47.615.6 m，在工作面前方这一范围内的 煤层底板由于受到工作面超前支承压力作用，煤体应 力逐渐上升，底板岩体发生压密阶段和弹性屈服阶 段。该段声波波形出现波动，但起伏变化较小，随着 最大主应力的增大，是岩体受压过程的弹性阶段，这 -X47.6 m-X40.6 m哺－X33.7m→－X25.2m 3.0 r r－开＝13.1m-Xl 1.7 m-X9.4 m5.2m 俨｜十X19.4m-Xl5.6m 2.5 已 二号2.0 细 毫1.5 『1.0 0.5 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 测点垂深Im 图5测试钻孔“时间－垂深”分布变化曲线 Fig. 5 Variation of time vs vertical depth oftest borehole ChaoXing 60 煤田地质与勘探第41卷 时岩体裂隙大小基本不变，声波传播速度变化较小， 波形起伏变化不大； b. X15.6-9.4 m，这一阶段垂深在2～10.8m的 测试段随着工作面的推进而进人采空区，岩体部分发 生塑性破坏，裂隙增大，声波传播时间延长，波形起 伏变化较大。垂深在10.8～14m的测试段，在这一阶 段声波波形起伏变化不明显，说明在这一阶段底板由 于受到侧向水平压力和垂向应力集中的影响变化不 大，破裂的岩体中的裂隙仅处于压密和弹性变化区 间，岩体裂隙大小基本不变，声波波形起伏变化不大； c.X9.4-0.9 m，在这一阶段垂深在5～IO.Sm的 测试段随着工作面的推进已进人采空区，由于采空区 支承压力仅为采空区直接顶板的重量，和侧向压力之 差的进一步增大，底板岩体的裂隙逐渐加大并出现翘 曲趋势变化，塑性范围达到最大，这时垂深5～10.8m 测试段声波波形起伏达到最大值，声波时间波形出现 明显的起伏变化，说明底板岩层破裂到这一深度；而 10.814 m的测试段底板仍处于弹性变化，声波波形 起伏变化不大，说明底板岩层破裂还没有发青到这一 深度。 自此运用声波测试技术在董家河煤矿507工作 面使用声波仪进行了现场开采前后底板破坏深度动 态过程测试，测定不同深度岩层声速与工作面推进关 系曲线，现场实测测得该工作面底板最大破坏深度在 10.8 m。 4结论 a.以滑移线场理论为基础，利用塑性理论计算 的董家河煤矿507综采工作面煤层底板岩体最大破 坏深度为10.9m。 b.给出了董家河煤矿5号煤层底板岩层破坏深 度与工作面倾斜长度和埋深关系的经验公式 h0.0117H6.25ln王三＋0.54 40 该经验公式计算得出的董家河煤矿507综采工 作面底板采动最大破坏深度为10.95m，该值与现场 实测破坏深度相对误差为1.38，绝对误差仅为 0.15 m，因此该经验公式具有较好的实用价值。 c.数值模拟分析可知，老顶初次垮落步距为 40 m，周期来压步距大小不均，其周期来压步距在 8～24m，老顶的初次来压和周期来压对底板岩层的破 坏深度约为10-11m，此时底板采动破坏区没有与 K2段岩层或奥陶灰岩含水层相互连通形成导水通 道，底板隔水层仍保持较好的阻水能力，说明底板有 效隔水层整体强度足以抵抗底板承压水威胁。 d.本文通过理论及数值模拟分析结果可得，董 家河煤矿5号煤层在开采过程中底板岩层的最大破 坏深度为11m，这一结论与声波仪在现场实测结果 10.8 m相一致，该结论为董家河煤矿带压开采工作面 煤层底板突水预测与防治提供了科学依据。 参考文献 [I］肖福坤，段立群，葛志会采煤工作面底板破裂规律及瓦斯拍 放应用［月．煤炭学报，2010,353 417-419. 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