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第 42 卷第 5 期煤 炭 科 学 技 术Vol 42 No 5 2014 年5 月Coal Science and TechnologyMay 2014 采动过程中煤层底板破坏特征及破坏深度分析 段 宏 飞 大同煤矿集团有限责任公司ꎬ山西 大同 037003 摘 要为得到采动过程中煤层底板破坏特征及深度ꎬ采用现场应变实测法对开采过程中煤层底板进 行监测ꎬ获得底板不同深度的轴向应变和径向应变变化曲线ꎬ分析应变变化得出煤层底板破坏范围及 深度ꎮ 通过在山西某煤矿 5304-2 工作面底板布置 7 个应变传感器进行现场应变实测ꎬ测试结果表 明该工作面底板破坏深度为 14 mꎬ其中采动扰动破坏深度约为 12 mꎻ采动过程中ꎬ底板所受矿压显 现影响具有超前和延后的特点ꎬ影响范围随底板深度的增加而减小ꎮ 关键词底板破坏ꎻ采动影响ꎻ轴向应变ꎻ径向应变ꎻ底板突水 中图分类号TD745 文献标志码A 文章编号0253-2336201405-0017-04 Analysis on Failure Features and Failure Depth of Coal Seam Floor During Mining Process DUAN Hong ̄fei Datong Coal Mine Group Corporation LimitedꎬDatong 037003ꎬChina AbstractIn order to obtain the failure features and failure depth of coal seam floor during the mining processꎬa site strain measuring method was applied to monitor and measure coal seam floor during the mining process.Different depth axial strain and radial strain variation curves of the floor were obtained.The failure scope and depth of the seam floor were obtained from the analysis on the strain variation.A site strain measurement was conducted with seven strain sensors set in the floor of No 5304-2 coal mining face in a mine of Shanxi Province. The measurement results showed that the floor failure depth of the coal mining face was 14 m and the mining turbulence failure depth was about 12 m.During the mining operation processꎬthe floor affected by the mine strata pressure behavior would have advance and delay fea ̄ tures and the influence scope would be reduced with the floor depth increased. Key wordsfloor failureꎻmining influenceꎻaxial strainꎻradial strainꎻwater inrush from floor 收稿日期2014-02-22ꎻ责任编辑杨正凯 DOI10.13199/ j.cnki.cst.2014.05.005 基金项目国家自然科学基金青年科学基金资助项目41102201ꎻ中国矿业大学青年科研基金资助项目2009A029 作者简介段宏飞1983ꎬ男ꎬ山西大同人ꎬ博士ꎮ Tel15386829695ꎬE-maildhfcumt9@ 126 com 引用格式段宏飞.采动过程中煤层底板破坏特征及破坏深度分析[J].煤炭科学技术ꎬ2014ꎬ42517-20. DUAN Hong ̄fei.Analysis on Failure Features and Failure Depth of Coal Seam Floor During Mining Process[J].Coal Science and Technologyꎬ 2014ꎬ42517-20. 0 引 言 煤矿突水事故一直威胁煤矿安全生产ꎬ其中的 煤层底板突水是煤矿突水事故中较为常见的一种类 型[1]ꎮ 华北地区作为我国的主要煤炭生产基地ꎬ主 采石炭二叠系煤层ꎬ该地区的煤层开采受到底板下 多层灰岩含水层的威胁ꎬ尤其受到奥陶系巨厚层灰 岩强含水层的威胁[2-4]ꎮ 而底板隔水层是防止底板 突水的关键层ꎬ煤层开采改变了底板岩层的应力状 态ꎬ造成底板隔水层的破坏、减小了底板隔水层的有 效厚度ꎬ进而降低了底板隔水层的阻水能力ꎬ由此增 加了底板发生突水的危险性[5-7]ꎮ 因此ꎬ掌握煤层 开采底板破坏特征ꎬ确定煤层底板破坏深度对指导 煤矿安全生产具有重要的意义ꎮ 基于此ꎬ笔者以山 西某煤矿 5304-2 工作面煤层开采底板为研究对 象ꎬ采用现场应变实测法对煤层底板破坏特征进行 研究ꎬ获得了煤层底板岩体不同深度在采动过程中 的的扰动特征ꎬ以期为防止底板突水ꎬ提高煤矿开采 安全系数提供理论依据ꎮ 1 底板破坏特征研究方法 近年来ꎬ许多国内外专家、学者对煤层底板破坏 71 2014 年第 5 期煤 炭 科 学 技 术第 42 卷 特征进行了研究ꎬ并取得了大量的研究成果ꎬ形成了 一系列的底板破坏特征研究方法ꎮ 目前关于底板破 坏特征的研究方法可以归纳为现场实测、室内模拟 试验和解析计算 3 种[8]ꎮ 1 1 现场实测 现场实测最早应用于研究工程地质、水文地质 等ꎬ20 世纪 80 年代以来ꎬ运用于矿井地应力、顶底 板破坏变形等研究方面ꎮ 现场实测是揭示采动底板 破坏特征、确定破坏深度最可靠和最有效的方 法[8]ꎮ 目前ꎬ煤层底板破坏深度的现场实测方法有 很多钻孔应变法[7-10]通过在煤层底板下不同深度 处埋设应变传感器测试岩层变形程度ꎬ进而确定底 板岩层破坏特征和破坏深度ꎻCT 电法[3ꎬ11]通过测试 煤层开采前、开采期间及开采后底板岩石的电阻率 的差异来分析底板破坏特征、确定破坏深度ꎻ微震监 测法[6ꎬ12]通过监测煤层开采过程中底板岩体释放的 微震信号来确定底板岩体的空间破坏范围、破坏形 态ꎻ钻孔注水法[13]通过在煤层开采前后对钻孔进行 分段封堵注水ꎬ对比前后各段的漏失流量分析煤层 底板岩层的破坏情况ꎬ确定煤层底板的破坏深度ꎮ 1 2 室内模拟试验 室内模拟试验是研究底板破坏突水问题的重要 方法ꎬ主要包括相似材料模拟试验和数值模拟试验 2 种ꎮ 相似材料模拟试验是将与回采工作面物理力 学性质相似的材料ꎬ按一定的几何相似比制成相似 模型ꎬ然后在模型中模拟煤层开采底板的破坏状 态[14-16]ꎬ是研究煤层开采底板破坏特征的一种有效 途径ꎮ 数值模拟试验是指运用数值模拟软件对煤层 底板采动应力、破坏特征进行模拟分析ꎬ随着计算机 技术的高速发展ꎬ数值模拟试验在底板破坏、底板水 害防治方面得到了不断拓展ꎬ科学性和仿真度也不 断提高ꎬ目前ꎬ很多学者都运用了数值模拟试验对煤 层开采底板破坏问题进行了研究[3ꎬ6-7ꎬ17-18]ꎮ 1 3 解析计算 解析计算是指通过统计分析预测或经验公式计 算来确定底板破坏深度的方法ꎮ 文献[6]根据底板 破坏深度的实测资料ꎬ选取开采深度 Hꎬ煤层倾角 αꎬ岩石普氏系数 fꎬ工作面斜长 L 等4 个因素进行回 归分析ꎬ得到底板破坏深度 h1的经验公式h1= 0 110 5L+0 006H+0 451 4f-0 008 5α-2 39ꎮ 文献 [19-20]根据已有底板破坏资料ꎬ运用 BP 神经网络 建立底板破坏深度的预测模型ꎬ进而对底板破坏深 度进行了预测ꎮ 2 现场应变实测 尽管现场实测、室内模拟试验和解析计算 3 种 方法都能对底板变形破坏特征进行研究ꎬ然而ꎬ从力 学的角度来看ꎬ煤层开采过程底板岩体的应力状态 也处于不断的调整ꎬ并产生相应的位移、变形直至破 坏ꎮ 因此ꎬ通过原位实测底板采动过程的应力和应 变的变化规律是揭示底板采动变形破坏的最有效方 法ꎮ 现场应变实测是指在工作面底板监测钻孔中不 同深度位置处埋设应变传感器ꎬ通过应变记录仪实 时采集应变传感器距工作面不同水平距离ꎬ并得出 煤层底板不同深度的应变ꎬ分析底板不同测点位置 的岩层变形程度ꎬ由此进一步确定底板岩体受采动 影响程度和底板破坏深度ꎮ 2 1 工程概况 山西某煤矿 5304-2 工作面位于五采区-430 m 水平ꎬ西侧为尚未开采的 5303 工作面ꎬ东、北侧分别 与已回采完毕的 5303-2 工作面和 5304-1 工作面 相邻ꎬ开切眼紧邻矿井边界煤柱ꎮ 工作面对应地面 标高+44 30+46 29 mꎬ工作面标高-212-311 mꎬ工作面走向长 2 4222 434 mꎬ倾斜宽 228 mꎬ煤 层厚 8 3 8 8 mꎬ平均 8 60 mꎬ煤层普氏系数为 2 9ꎮ 工作面内煤层结构简单ꎬ工作面南部及中部煤 层底板上部 0 51 6 m 处局部发育厚 0 51 0 m 的硬质煤体ꎮ 该工作面地质条件简单ꎬ煤层产状总 体趋势为西高东低、北高南低ꎬ倾角 6 15ꎬ平均 8ꎮ 工作面北部为一单斜构造ꎬ南部次级宽缓褶皱 较发育ꎮ 工作面轨道巷施工过程中揭露 4 条断层ꎬ 落差分别为 4 5、0 9、3 3、2 0 mꎮ 图 1 应变传感器结构示意 2 2 现场应变实测法测试原理 现场应变实测法所采用的应变传感器结构如图 1 所示ꎬ并采用 KBJ-12 型应变记录仪进行应变数据 采集ꎮ 已有的测试结果表明[7-10]这种应变传感器 对围岩变形的反应比较灵敏ꎬ围岩的变形程度可由 测试数据予以显现ꎮ 当采煤工作面距离测试位置较 远、采动影响尚未波及传感器位置时ꎬ应变传感器测 81 段宏飞采动过程中煤层底板破坏特征及破坏深度分析2014 年第 5 期 试数据相对稳定ꎬ读数变化不大ꎻ当工作面推进至测 试位置ꎬ传感器的测试数据会随着采动影响的严重 程度同步变化ꎻ当传感器读数变化很大或者测试数 据消失时表明该传感器位置受采动影响很大而被破 坏ꎮ 理论上ꎬ传感器位置离底板越远ꎬ传感器测试数 据变化幅度越小ꎬ由此可通过不同深度传感器的测 试数据来确定煤层开采底板破坏的特征ꎮ 应变传感 器由 8 个应变片及铝合金轴芯组成ꎬ其中 1、3、5、7 应变片为轴向应变片ꎬ2、4、6、8 应变片为径向应变 片ꎬ根据布置对称关系ꎬ1 和 5 应变片方位一致ꎬ3 和 7 方位一致ꎬ2 和 6 方位一致ꎬ4 和 8 方位一致ꎮ 此 外ꎬ传感器外壁包有高弹性塑胶材料ꎬ受力均匀ꎬ弹 性灵敏度高ꎬ且对破坏变形的感应较好ꎮ 2 3 测试方案 综合考虑现场条件及技术要求ꎬ本次现场应变 实测选在山西某矿五采区第二运输上山位置布置 3 个测试孔ꎬ该巷道顶板距离 5304-2 工作面运输巷 底板约 14 mꎬ距离其轨道巷底板约 9 mꎬ测试孔的设 计参数见表 1ꎮ 表 1 测试孔设计参数 编号 钻孔方向与水 平线夹角 煤岩层倾 角/ 孔口上距离煤 层底板垂深/ m 孔深/ m Ⅰ30仰角511 54 Ⅱ90俯角513 58 Ⅲ90俯角89 713 注开孔和终孔直径均为 91 mmꎮ 根据同区内底板变形破坏实测结果[7-8ꎬ10]ꎬ并 结合 5304-2 工作面地质和开采条件ꎬ初步预计此 工作面采动底板破坏深度在煤层底板垂深 12 m 以 下ꎬ因此该次现场应变实测重点监测煤层底板垂深 12 m 以下范围ꎮ Ⅰ号测试孔中设置 1 个应变传感器ꎬ距煤层底 板垂深 10 mꎻⅡ号孔设置 3 个应变传感器ꎬ距底板 垂深分别为 14、16、19 mꎻⅢ号孔设置 3 个传感器ꎬ 距离底板垂深分别为 12、15、17 mꎮ 3 个测试孔中 7 个应变传感器交叉设置可控制底板下 1019 m 段 岩层的变形情况ꎮ 2 4 测试结果 现场应变实测从 2012 年 11 月 11 日开始ꎬ至 2012 年 12 月 7 日结束ꎬ具体从工作面距测点约 65 m 开始进行连续监测ꎬ至工作面推过测点约 50 m 结 束ꎮ 每个应变传感器共有 8 个应变片ꎬ数据处理时ꎬ 根据对称特点将同方位的应变片的应变值进行了平 均计算ꎮ 为了明显的对比同一方位应变片在不同底 板深度处的应变变化情况ꎬ将 7 个应变传感器中的 相同方位的应变片的应变变化值进行制图ꎬ由于数 据较多ꎬ限于篇幅ꎬ笔者重点以编号 3 和 7 应变片应 变平均值变化曲线为例ꎬ分析采动过程中底板不同 深度处应变传感器监测数据的变化规律ꎮ 编号 3 和 7 应变片的平均应变变化曲线如图 2 所示ꎬ图中纵 坐标正值表示采前工作面距测点距离ꎬ负值表示工 作面采后距测点距离ꎮ 图 2 编号 3 和 7 应变片的应变平均值变化曲线 1工作面推进过程中采前约 65 m 至采后约 50 mꎬ底板下部 1019 m 段 7 个应变传感器的轴 向应变均显示了采动矿压的超前及延后反应[7-8]ꎮ 当工作面推进至距离测点约 65 mꎬ底板下不同深度 处应变传感器均开始出现不同程度的应变变化ꎬ这 种变化直到工作面推过测点约 50 m 后消失ꎮ 2对比不同深度处应变传感器轴向应变可以 看出ꎬ浅部应变传感器应变变化幅度明显大于深部ꎬ 这与实际的采动矿压显现规律相符ꎮ 底板下部 10 和 12 m 位置的应变传感器图 2a在采前 6530 m 的轴向应变感应比较平缓ꎻ自采前 30 m 开始ꎬ2 个 测点的应变感应急剧增强ꎬ其中底板下部 10 m 位置 的应变传感器的应变数据在采前约 8 m 中断ꎬ分析 判断为应变传感器受到采动影响受损破坏所致ꎬ底 板下部 12 m 位置轴向应变变化幅度小于 10 m 位 置ꎬ且其应变持续至采后约 50 mꎮ 底板下部 14、15、 16、17、19 m 位置应变传感器图2b 和图2c的轴向 应变呈现类似的变化过程ꎬ但在应变感应程度及变 91 2014 年第 5 期煤 炭 科 学 技 术第 42 卷 化幅度上ꎬ不同深度测点存在一定的差异ꎬ且具有由 浅到深逐渐减小的基本特点ꎮ 3底板下部 10、12、14 m 位置的轴向应变感应 过程、感应程度及变化幅度比较相近ꎬ3 个测点的轴 向应变分别在工作面距离测点约 30、23 和 20 m 位 置开始出现应变感应明显增强的现象ꎬ轴向应变最 大变化幅度分别为 3 50010 -6 、2 00010 -6 、2 100 10 -6 ꎻ3 个测点在采后轴向应变感应剧烈的延后距离 分别为 0破坏、25、22 mꎮ 与上部测点相比ꎬ底板 下部 15、16、17、19 m 处的轴向应变感应变化程度相 对微弱ꎬ4 个测点采前轴向应变感应剧烈的超前距 分别为 15、23、20、10 mꎬ轴向应变最大变化幅度分 别为 80010 -6 、1 90010 -6 、50010 -6 、90010 -6 ꎻ4 个测点在采后轴向应变感应剧烈的延后距分别为 15、25、20、12 mꎮ 2 5 测试结果分析 由现场应变实测结果可知ꎬ轴向应变在底板下 部 10、12、14 m 三个浅部测点的应变感应剧烈ꎬ变化 幅度大ꎬ数据分异现象显著ꎬ其中底板下部 10 m 处 测点的轴向及径向应变在采前约 8 m 中断ꎬ其他深 度测点在整个测试过程中均正常ꎮ 结合以往实测经 验[7-10]ꎬ分析认为底板下部 10 m 处应变传感器位置 的钻孔ꎬ由于受到采动矿压影响发生错段或严重的 挤压变形而造成应变传感器损毁ꎻ而底板下部 12、 14 m 处的应变传感器受到强烈的采动影响进而造 成应变变化幅度大ꎮ 轴向应变在底板下部 15、16、17、19 m 四个深部 测点的变化幅度相对较小ꎬ分析认为此深度岩层未 产生较大的塑性变形ꎬ可认为此深度岩层未产生破 坏ꎮ 轴向应变在底板下部 14 m 以上最大应变变化 幅度大ꎬ14 m 以下变化相对较小ꎮ 基于以上分析ꎬ 可知 5304-2 工作面底板破坏深度为 14 m 左右ꎬ其 中采动扰动破坏深度约为 12 mꎮ 3 结 论 1采用现场应变实测法对采动过程中底板破 坏特征进行了监测ꎬ经过对比分析 7 个不同底板深 度处的应变传感器测试数据ꎬ确定底板破坏深度约 为 14 mꎬ采动底板扰动破坏深度约 12 mꎮ 2煤层开采过程中ꎬ底板所受采动矿压的影响 具有超前和延后特点ꎬ且影响范围随着底板深度的 增加而逐渐减小ꎻ煤层采动超前影响距一般大于延 后影响距ꎮ 参考文献 [1] 肖建于ꎬ童敏明ꎬ姜春露.基于模糊证据理论的煤层底板突水量 预测[J].煤炭学报ꎬ2012ꎬ37S0131-137. 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