沿空留巷采煤对底板扰动破坏深度影响

沿空留巷采煤对底板扰动破坏深度影响
刘新民
【摘要】以韩城矿区桑树坪煤矿下组煤3105工作面开采实际情况为背景，采用现场声波测试和数值模拟方法，对沿空留巷开采条件下煤层底板扰动破坏规律进行了研究。

声波测试成果表明工作面底板扰动破坏深度为13.2~14.6 m，数值模拟成果显示工作面底板破坏深度为13.0~14.5 m，两种方法结果较为一致。

通过与正常开采条件下底板破坏深度进行对比，结果表明，采用无煤柱式的沿空留巷开采技术不会对底板破坏深度造成较大影响。

研究成果为国内底板带压工作面采用沿空留巷技术开采过程中底板扰动破坏规律的确定提供依据。

%Based on the conditions of working face 3105 in Sangshuping coal mine, by using sonic wave test and numerical simulation, a study for the floor failure law of mining coal in retained gateway along goaf was done. Sonic wave test results indicated that the damage depth of the coal seam floor was about 13.2~14.6 m, and nu-merical simulation showed that the damage depth was 13.0~14.5 m, the results obtained by both methods were in good agreement. Comparison of the damage depth of the coal seam floor and the normal conditions indicated the technique of retained gateway along goaf will not result in significant influence on the damage depth of seam floor. The results provides the foundation for determination of the law of disturbance and damage of seam floor during mining in working face under pressure by using teh mining technique of retained gateway along goaf in China.
【期刊名称】《煤田地质与勘探》
【年(卷),期】2016(044)002
【总页数】6页(P79-84)
【关键词】底板破坏;沿空留巷;声波测试;数值模拟
【作者】刘新民
【作者单位】陕西陕煤韩城矿业有限公司，陕西韩城 715400
【正文语种】中文
【中图分类】TD32
煤层开采之后，底板岩层的原始应力平衡状态遭到破坏，采空区周边产生了应力集中，底板岩层经受了“压缩—应力解除—再压缩”的过程，在底板岩层中产生竖
向张裂隙、层向裂隙和剪切裂隙，从而使得该部分岩层丧失了隔水能力，形成底板扰动破坏区域[1]。

研究底板变形破坏特征及底板破坏发育深度，对深化矿井突水
机理，指导底板注浆改造层位，防治煤层底板突水具有十分重要的理论和现实意义。

沿空留巷技术在我国开始于20世纪50年代，由于该开采方式具有无煤柱连续开采、提高矿井回采率、减少巷道掘进成本等优点，目前在多数矿井得到了应用[2]。

同时，众多学者对沿空留巷采场覆岩运动规律、应力分布特征等基础理论进行了研究，完善了围岩控制与充填工艺等，实现了沿空留巷煤与瓦斯共采，使得该技术得到较快发展[3-4]。

近年来，随着部分矿区浅部资源枯竭，各矿井逐步开始进行深部煤炭资源开采，更多矿井面临底板带压开采问题。

尤其是对于分布面积最广的华北型煤田下组煤开采过程中，底板奥灰含水层带压开采条件下，底板扰动破坏降低了底板隔水层阻水能
力，增加了突水威胁。

部分学者对正常开采条件下底板破坏深度进行了研究，其中最具代表性的是由刘天泉院士团队通过对国内大量实测资料进行总结得出的经验公式，并写入了《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》在全国推广使用[5]。

部分学者也采用理论分析、数值模拟、现场实测等手段对底板扰动
破坏深度进行研究，丰富了该领域研究成果。

但是，目前相关成果主要是针对常规留设煤柱开采条件下底板扰动破坏规律的研究，而对于沿空留巷无煤柱开采条件下主要研究方向均集中在采场应力分布与围岩控制方面，对于底板破坏发育深度尚未进行深入研究。

使得部分底板带压开采工作面采用沿空留巷开采过程中对底板扰动破坏发育的最大深度及发育位置不清，给底板突水危险性评价与水害治理工程设计造成困难。

本文以韩城矿区桑树坪煤矿11号煤首采3105工作面为例，采用现场实测结合数值模拟，研究3105工作面采用沿空留巷技术回采之后底板岩层的破坏裂隙发育深度，为广大华北型煤田相似条件下带压开采提供借鉴和参考。

陕西陕煤韩城矿业有限公司桑树坪煤矿主采煤层为3号煤，但是由于其煤与瓦斯
突出问题难以解决，现开采深部11号煤作为3号煤开采的保护层。

3105工作面
是矿井南一采区 11号煤首采工作面，该面走向长度713 m，倾斜长度180 m。

工作面煤层厚度0.4～5.9 m，平均2.71 m，倾角4°～6°，平均5.3°，属于缓倾
斜煤层。

采用综采方法进行回采，自然垮落法管理顶板。

工作面开采过程中采用无煤柱沿空留巷技术，将3105工作面运输巷道经采后保留当作沿空留巷巷道使用，一侧是已支护的巷道煤壁，另一侧是人工砌筑而成的柔模墙，共同构成沿空留巷。

3105工作面开采过程中主要受到太原组H32薄层灰岩含水层、太原组 H31砂岩含水层、山西组底部砂岩含水层H25，以及底板太原组石英砂砾岩H33含水层影响。

但是该含水层总体上厚度薄，富水性较弱，工作面推采后有涌水现象，但不会威胁矿井安全。

对于工作面回采威胁最大的为底板本溪组下部的奥陶系灰岩含水层，
其顶部峰峰组二段属于强含水层段，厚度大且富水性较强。

该层段与煤系地层相接，距离煤层底板平均距离仅有17 m，突水系数值最大达到 0.072 MPa/m，大于相
关规程中所规定的构造破坏区域突水系数临界值0.06 MPa/m，存在底板突水威胁。

同时，工作面回采过程中底板厚度最薄区域仅有16 m，煤层开采破坏深度有可能达到奥灰含水层顶部，直接导通峰峰组二段强含水层，造成底板奥灰突水事故。

因此，需要对3105工作面在采用沿空留巷开采技术条件下底板扰动破坏深度进行深入研究，指导矿井11号煤底板水害防治方案制定。

2.1 测试原理
声波探测技术是利用频率很高的声波或声波作为信息载体对岩体进行探测的一种方法。

由于频率高、波长短，因此分辨率很高。

对于声波测量来说大多数岩石都近似服从于弹性理论的胡克定律[6]。

在均匀并且各向同性的弹性介质中，波传播速度
公式为：
式中 E为弹性模量；ν为泊松比；ρ为岩体密度。

波在岩体中的传播速度与岩石的弹性模量 E、泊松比ν以及岩体密度ρ有关。

岩
石由于成因不同、矿物成分不同、地质年代不同，至使其岩性千差万别，即使岩性相同的岩石也可能显示出不同的力学性质。

各种岩石的E、ν、ρ等均不同，因此
各种岩石的声波速度是不同的。

实践证明，超声波在非均质岩体中传播时，除能量被吸收消耗外在不同的结构面上由于波的绕射等影响，波的传播速度发生变化，在节理与裂隙不发育、孔隙率小、风化程度低、完整坚硬的岩石中声速快。

反之，在软弱、破碎、风化松散的岩体中声速慢。

岩体受力状态不同时波速也发生变化，岩体受压缩时声速快，膨胀时声速慢。

利用声波在岩体中传播的特征可以探测采煤工作面推进过程中采场底板受力情况和破坏深度[7]。

采煤工作面向前推进过程中底
板受力状态如图1所示。

声波在岩体中传播的特征和煤层底板在采动过程中的受力状态和破坏可知：原岩岩
性和原始结构状态不同，声波速度不同。

受采动影响后，岩体的应力状态发生变化和岩体遭受破坏，声波速度也将发生变化。

利用采动前后多次重复观测，对比采动前后声波速度的变化，可消除原岩岩性、结构差异影响，而突出采动影响。

在底板不同的深度处，凡是波速有升高—降低变化者为采动影响深度，没有上述变化者
是没有受采动的影响深度。

2.2 测试方法及工程布设
根据工作面情况和测试条件，在3105工作面运输顺槽距离工作面切眼540 m处
布设测试钻孔一组(共 3个钻孔)，分别用于测试不同垂深岩石声波情况。

具体钻孔参数如表 1，钻孔的平面布置图和剖面图如图2所示。

现场使用 CLC1000型超声波围岩裂隙探测仪，该仪器由发射器、接收器和主机组成。

发射器和接收器由开槽塑封管连接组成探头固定在铜管上，用1 m长带有10 cm刻度槽的铜管逐根连接推送探头并控制点距。

超声波测试时，钻孔中充满水耦合声波传播，通过孔口主机控制探头发射声波，并由接收器接收声波来测量声波沿孔壁滑行的时间。

每测完一点将铜杆往上提到另一测点，测点间距为10～20 cm。

通过以上方法测出岩石钻孔声波纵波速度在底板岩体总的分布变化情况。

测试工作从回采工作面距离钻孔36 m开始，至采后约56.7 m历时60 d。

2.3 测试结果分析
通过多次超声波测试，分析声波在不同深度传播时间变化规律，得出“深度–时间”变化曲线(图3)。

由图3可以看出，在工作面距离测线14 m时，声波波形出现波动但起伏变化较小，说明在该距离底板受到的垂向压力逐渐增大，发生岩石压密和弹性屈服。

在推采到距离测线 1.1 m时，TC2钻孔10.0～11.5 m深度范围内声波传播时间延长，波
形出现明显的起伏变化，说明该层位岩体发生部分塑性破坏，裂隙增大。

工作面推采过测线6 m之后，埋深10.0～14.6 m测试段声波波形起伏明显，声波随着工
作面推移波形出现明显的“升高—降低”变化，其中13.2～14.6 m之间呈现出明显的升高区域，说明底板岩层破坏深度最大可能达到了14.6 m。

此后，随着工作
面持续推采，声波波形逐步开始出现回落现象，底板应力变化开始趋于稳定。

在整个测试过程中，垂深14.6 m以下探查声波均变化较小，说明底板岩层破裂还没有发育到这一深度。

综合以上探测成果，3105工作面沿空留巷开采底板破坏深度达到13.2～14.6 m。

3.1 模型建立
根据 3015工作面地质及开采条件，运用FLAC3D程序建立工作面在沿空留巷条
件下煤层开采对底板扰动破坏深度发育形态计算模型[8]。

工作面开采条件为：煤层厚度3 m，工作面宽度180 m，采深450 m，同时考虑沿空留巷锚杆支护条件(图4)。

模型上覆地层厚度310 m，转换为模型顶部附加应力8.37 MPa。

本次数值模拟采用了立体模型，计算模型走向长600 m，倾斜宽600 m，高243 m(模型顶板采用附加应力代替)，网格剖分共计241 000个单元。

模型上边界为附加应力，模型左、右、前、后边界均施加水平约束，底边界施加水平及垂直约束。

地质模型如图 5，顶底板岩层物理参数及力学参数见表2、表3。

3.2 模拟结果分析
在建立的数值计算模型初始应力平衡之后，在距离下边界200 m处11号煤开切
眼开始开挖。

根据矿井实测，3105工作面来压步距约为18～22 m。

考虑步距与
网格剖分情况，按照10 m步距逐步推进，一次采全高的方法进行开采，开挖方式如图6所示。

煤层开挖后，通过研究在应力场作用下，11号煤层底板塑性区分布规律与应力分
布规律，研究底板岩体是否发生屈服破坏，从而确定底板扰动破坏深度。

煤层开挖塑性区分布规律如图7所示。

从图7可以看出，当工作面开采到50 m时，采场底板附近出现底臌现象，受到拉应力作用形成拉破坏区，深度约5.5 m。

当开挖至100 m时，在煤层直接底板和
老底板带压区均出现了屈服破坏区，仍为弹性变形，老底屈服破坏区最大破裂深度达到13.0 m，沿空留巷两侧的柔模墙和煤柱仍未出现明显的塑性区。

当开挖至150 m时，采空区覆岩顶板塑性区随着开采长度增大以横向扩展为主，部分区域
出现较大破坏深度的倒波峰现象，波峰最大深度为13.0 m和14.5 m。

采空区四
周边界主要以剪切破坏为主，在沿空留巷一侧的煤柱也开始出现塑性区。

当工作面开采到200 m时，采空区底板塑性区沿煤层开采方向做横向发育，而不再向深部
继续延伸。

由此可以看出，在采用沿空留巷技术开采条件下，采宽180 m工作面，采厚 3 m时底板破坏深度为13.0～14.5 m，破坏深度较大区域主要出现在采空区四周和沿空留巷一侧的煤柱。

对正常工作面开采条件下底板破坏深度研究成果较为丰富。

本次研究利用该模型对工作面不采用沿空留巷技术条件下进行模拟，结果显示底板破坏深度为13.9～14.5 m，破坏深度较大区域出现在采空区四周煤壁处，与以往研究成果较为吻合。

综合以上研究成果表明，3105工作面采用无煤柱形式的沿空留巷开采技术，对底板扰动破坏深度而言，工作面倾向长度上底板塑性破坏横向范围相比正常开采(无
沿空留巷)时略有缩减，这相当于工作面开采宽度减小(减小量仅为柔模墙和沿空留巷宽度)，但是对底板扰动最大破坏深度的影响并不明显。

而由于沿空留巷一侧高
强度混凝土灌注的柔模墙的存在，使其巷道下部本应发生塑性拉剪破坏的位置转移至柔模墙体靠近采空区一侧的底板下方，煤层开采底板破坏深度约13.0～14.5 m，与现场实测成果较为一致。

通过对桑树坪煤矿11煤3105工作面底板扰动破坏规律现场实测及数值模拟研究，得出以下结论：
a. 利用不同裂隙岩体声波传播速率不同的原理，研究现场声波测试对3105工作面
沿空留巷开采条件下底板声波变化规律，得出底板破坏深度约13.2～14.6 m。

在工作面开采通过测点6 m后底板破坏深度达到最大值。

b. 建立了由沿空留巷开采，混凝土揉摸墙支护条件下煤层开采模型。

研究表明工作面开采底板塑性破坏最大深度达到14.5 m，不同区域底板破坏深度为13.0～
14.5 m。

c. 研究结果表明 3105工作面采用无煤柱形式的沿空留巷开采技术，相比正常开采(无沿空留巷)底板扰动破坏深度略有缩减，但是缩减量相对较小。

但是采用沿空留巷开采技术使其巷道下部本应发生塑性拉剪破坏的位置转移至柔模墙体靠近采空区一侧的底板下方。

该技术不会导致底板破坏深度增加，仅会造成位置的转移，可按照构建柔模墙后开采宽度进行底板扰动破坏深度的确定。

研究成果为我国采用沿空留巷技术开采的底板带压工作面水害防治方案制定提供依据。

【相关文献】
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