切頂卸壓工作面底板采動破壞實測研究

許延春，羅亞麒，張書軍，張羅迅，郭文硯，范明宇

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京 100083；2.國家煤礦水害防治工程技術(shù)研究中心，北京 100083；3.河南焦煤能源有限公司 九里山礦，河南 焦作 454173)

我國華北型煤田主要為石炭二疊系煤田，回采工作面多受煤系地層基底巨厚奧陶系灰?guī)r強巖溶含水層的威脅，帶壓開采成為實現(xiàn)承壓水上煤炭開采的普遍方法[1-2]。工作面在回采過程中由于受到支承壓力作用，會造成底板巖體的損傷和破壞，使得底板隔水性減弱，增大了突水事故發(fā)生的可能性[3-4]。因此，正確認識煤層開采對底板的擾動特征，對于煤礦防治水措施的制定以及實現(xiàn)礦井安全高效生產(chǎn)都是至關(guān)重要的。

通過預(yù)裂爆破進行切頂卸壓能夠減小工作面初次來壓步距，改善巷道圍巖應(yīng)力狀況，降低應(yīng)力集中系數(shù)，因此被廣泛運用于沖擊地壓改善、瓦斯突出防治、高應(yīng)力巷道維護等領(lǐng)域[5-7]，但是切頂卸壓對于底板破壞的影響卻鮮有研究。鑒于此，利用特制電極電纜對采取切頂卸壓措施的河南焦煤集團九里山礦14141工作面進行了底板鉆孔直流電法觀測，分析得到煤層開采底板破壞參數(shù)，并將其與未考慮切頂影響的統(tǒng)計公式計算值和理論公式計算值進行對比分析。研究成果擴展了對不同條件下煤層開采底板破壞特征的認識，為類似工作面的水害防治工作提供更為科學(xué)的依據(jù)。

1 工程背景

1.1 工作面概況

河南焦煤集團九里山礦14141工作面位于九里山礦一水平14采區(qū)西翼下部，所在區(qū)域地面標高+90.47～+93.56m，煤層頂板標高-181.98～-235.80m。工作面走向長度約748m，傾斜長度111m，開采的二1煤層平均厚度6.9m，平均傾角9.5°。14141工作面直接底為平均厚度約1.0m的炭質(zhì)泥巖，老底為平均厚度約9.6m的粉砂巖，煤層底板綜合柱狀圖見圖1。底板直接充水含水層L8灰?guī)r含水層厚約7.5m，水壓在1.5MPa左右，底板隔水層厚度約21.5m，經(jīng)計算突水系數(shù)為0.07MPa/m，大于構(gòu)造塊段突水系數(shù)的臨界值0.06MPa/m。工作面采用傾斜分層走向長壁綜合機械化采煤法，頂分層沿煤層頂板回采，平均采高3.5m，架后人工鋪設(shè)金屬網(wǎng)假頂，采用全部垮落法處理采空區(qū)頂板。

圖1 14141工作面綜合柱狀

1.2 切頂卸壓工程概況

為了解決14141工作面頂板壓力問題，減輕工作面初次來壓對作業(yè)人員和設(shè)備安全造成的影響，同時降低回采過程中運輸巷的支承壓力，在14141工作面開切眼以及運輸巷頂板進行深孔預(yù)裂爆破。

14141工作面爆破孔布置方式為：

(1)沿工作面開切眼傾向向下10m處開始布置1列爆破孔，列方向與巷道中線平行，設(shè)計爆破孔布置在14141工作面切眼架間間隔處，距煤壁1m，爆破孔直徑為50mm，孔間距1.5m；爆破孔深度為10m，爆破孔傾角為+90°，共設(shè)計施工48個孔，斷層前后5m范圍內(nèi)不布置預(yù)裂孔。

(2)沿運輸巷走向向外布置1列爆破孔，列方向與巷道中線平行。如圖2所示，設(shè)計爆破孔布置在運輸巷頂板距離下幫1.1m處，爆破孔直徑為50mm，孔間距1.8m，另在每2個爆破孔中間施工1個導(dǎo)向孔，導(dǎo)向孔直徑為50mm，孔間距1.8m；爆破孔深度為12m，爆破孔傾角為+90°。在工作面回采前，先在下安全口向外30m范圍施工預(yù)裂爆破孔，并進行爆破；工作面回采過程中保持已預(yù)裂的爆破孔距離工作面下安全口25m，施工至工作面停產(chǎn)線位置結(jié)束，共施工416個爆破孔。

圖2 14141工作面運輸巷預(yù)裂爆破孔布置

2 底板破壞深度實測研究

2.1 底板鉆孔直流電法觀測原理

礦井直流電法又稱礦井電阻率法，該方法根據(jù)各類巖石或礦體的導(dǎo)電性差異，通過觀測和分析巷道周圍人工穩(wěn)定電流場的空間分布規(guī)律，求取巖體的視電阻率，從而達到了解巷道周圍巖層中的導(dǎo)水和含水構(gòu)造的目的[8-10]。本次觀測在工作面底板鉆孔中預(yù)埋設(shè)均勻分布有若干電極的特制電纜，采用對稱四極電極布置的觀測方式，即供電電極A，B和測量電極M，N對稱地排列在測點O的兩邊。通過將鉆孔內(nèi)不同位置電極與直流電法儀連接，始終保持供電電極極距(AB)和測量電極極距(MN)不變，依次觀測沿鉆孔方向以不同測點O為中心一定體積范圍內(nèi)介質(zhì)的視電阻率，從而得到沿整個鉆孔一定測量范圍內(nèi)巖體的視電阻率。通過回采過程中的間斷性重復(fù)測量以及視電阻率與巖體內(nèi)部采動裂隙變化及其是否充水的關(guān)系，得到底板受采動影響的情況。

2.2 測站布置及觀測方案設(shè)計

測站布置及觀測按照如下原則與步驟：首先選擇適合觀測的工作面位置區(qū)域；然后預(yù)計工作面底板最大破壞深度，確定鉆孔參數(shù)，并在鉆孔施工完畢后埋設(shè)電極電纜；最后，在工作面開采過程中間斷性重復(fù)采集底板巖層視電阻率數(shù)據(jù)，并結(jié)合鉆孔與工作面的空間位置關(guān)系，確定底板破壞參數(shù)。

為了得到開采過程中底板的最大破壞深度，測站布置在距14141工作面開切眼170m處的運輸巷上幫，工作面測站位置見圖3。從測站向開切眼方向的煤體內(nèi)施工底板觀測ZK1鉆孔，鉆孔傾角-17°，方位角239°，鉆孔長度90m，孔徑98mm，鉆孔參數(shù)如圖4所示。為防止底煤段塌孔，在ZK1鉆孔前20m安裝φ108mm鐵質(zhì)套管。鉆孔內(nèi)埋設(shè)1根電極電纜，電纜前端加工有40個銅環(huán)電極，電極間距為2m。將所有電纜送入鉆孔中后(共計埋入電纜長度78m)，采用高壓注漿封孔，以確保電極與周圍巖層接觸良好，也避免鉆孔成為人為導(dǎo)水通道。

圖3 14141工作面測站布置

圖4 ZK1鉆孔參數(shù)示意

為針對性解決對稱四極電剖面法測量數(shù)據(jù)的多解性問題，每次觀測分別得到一倍極距(AB/2=3m，MN/2=1m)、二倍極距(AB/2=6m，MN/2=2m)和三倍極距(AB/2=9m，MN/2=3m)條件下底板巖層的視電阻率，根據(jù)視電阻率異常點的空間分布情況并結(jié)合理論破壞形態(tài)，最終確定底板破壞深度的唯一解。

2.3 電法觀測成果分析

2.3.1 視電阻率觀測結(jié)果

電極電纜安裝完成后共計進行了6次觀測，各次觀測工作面與測站的水平距離D分別為150m(背景值)，48m，36m，32m，26m和20m。由于前20m鐵質(zhì)套管對直流電法測量產(chǎn)生影響，因此此段數(shù)據(jù)不予以考慮。各次觀測一倍極距、二倍極距、三倍極距條件下底板巖層視電阻率沿電極電纜的變化情況，如圖5所示。

圖5 ZK1鉆孔底板巖層視電阻率觀測數(shù)據(jù)

由一倍極距觀測結(jié)果(圖5(a))可知，在工作面推進過程中，20號測點前的視電阻率測值相比背景值顯著減小，分析是由采動引起的淺部巖體裂隙充水以及超前支承壓力對較深部巖體的壓實作用所致。此外，淺部12～17號測段巖體視電阻率測值存在明顯波動，最大波動幅度達12Ω·m，表明此區(qū)域底板巖體經(jīng)歷了壓實狀態(tài)與卸壓膨脹狀態(tài)，其內(nèi)部裂隙產(chǎn)生不同程度的閉合與張開，且裂隙充水后視電阻率進一步降低。當工作面由距離測站26m推進至距離測站20m時，之前保持不變的16號測點視電阻率有所降低，表明巖體因由超前支承壓力影響區(qū)進入卸壓膨脹段而發(fā)生破壞且裂隙充水，因此判定16號測點不是破壞區(qū)域的最深點；17號測點的視電阻率在工作面推進過程中始終不發(fā)生改變，表明此處巖體處在底板破壞范圍邊界或下方。因此，當工作面距離測站20～26m時，底板破壞達到最深的17號測點處。

二倍、三倍極距觀測值的變化情況如圖5(b)，5(c)所示。由于所測的巖體柱體積增大，數(shù)據(jù)敏感度較一倍極距有所降低。由視電阻率的變化規(guī)律可知，最大破壞深度出現(xiàn)在二倍極距18號測點位置以及三倍極距19號測點位置。但受套管影響，淺部觀測數(shù)據(jù)失效，因此無法確定破壞帶淺部邊界。

2.3.2 底板破壞深度地質(zhì)點空間定位

由于底板巖體破壞時其視電阻率會發(fā)生異常波動，因此可以根據(jù)這些異常波動點在不同極距條件下的空間分布來確定倒馬鞍形底板破壞區(qū)域的大致范圍。如圖6所示，觀測所得的視電阻率值在垂向方向上相對電極電纜的空間位置可能出現(xiàn)兩種情況，即觀測值反映電極電纜上方測點(編號首字母為A)或下方測點(編號首字母為B)的導(dǎo)電特性。測點名稱中的首位數(shù)字表示觀測極距，后兩位數(shù)字表示測點編號。

圖6 地質(zhì)點空間分布及最大破壞深度示意

若觀測值反映的是電極電纜上方巖體視電阻率，底板破壞區(qū)域邊界輪廓如圖6中實線曲線所示，則曲線以上巖體均處于底板破壞帶內(nèi)。破壞帶范圍由淺部到深部逐漸減小，由觀測數(shù)據(jù)得到的破壞區(qū)域符合倒馬鞍形形態(tài)特征，結(jié)合測點空間位置確定底板最大破壞深度位于一倍極距17號測點(A117)位置；若觀測值反映的是電極電纜下方巖層視電阻率，底板破壞區(qū)域邊界輪廓如圖6中虛線曲線所示，則曲線以下部分均處于底板破壞帶內(nèi)。由于破壞帶范圍由淺部到深部逐漸擴大，由觀測數(shù)據(jù)得到的破壞區(qū)域形態(tài)與理論馬鞍形破壞形態(tài)相矛盾，因此將這種情況排除。

綜合以上分析，底板破壞帶最深點位于一倍極距17號測點位置，最大破壞深度為9.8m，此時工作面距離測站20～24m，因此最大破壞深度點與工作面的水平距離為4.1～10.3m。

3 切頂卸壓影響分析

3.1 底板破壞參數(shù)計算

3.1.1 統(tǒng)計公式法[11]

在僅考慮工作面長度以及綜合考慮工作面長度、開采深度及煤層傾角的情況下，分別由式(1)和式(2)計算14141工作面煤層采動底板破壞深度h1。

h1=0.7007+0.1079L

(1)

h1=0.0085H+0.1665α+0.1079L-4.3579

(2)

式中，L為工作面斜長，取110m；α為煤層傾角，取9.5°；H為開采深度，取300m。

將各參數(shù)值代入式(1)和式(2)，得到用統(tǒng)計公式法計算的底板破壞深度分別為12.6m和11.6m。

3.1.2 理論公式法[12]

根據(jù)塑性力學(xué)理論，得到最大破壞深度hmax及其與工作面的水平距離lmax的計算公式如式(3)和式(4)所示。

(3)

(4)

式中，Ls為煤層塑性區(qū)寬度，估算為0.015H，即4.5m；φ0為底板巖體權(quán)重平均內(nèi)摩擦角，取40°。

將各參數(shù)值代入式(3)和式(4)，得到用理論公式法計算的底板破壞深度為10.6m，且最大破壞深度點與工作面水平距離為8.9m。

3.2 底板破壞深度對比分析

為更直觀地分析切頂卸壓對于煤層開采底板破壞參數(shù)的影響，將直流電法實測結(jié)果與統(tǒng)計公式值及理論計算值進行對比，比較結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出，14141工作面采取切頂卸壓措施后，底板最大破壞深度相比未考慮切頂影響的兩個統(tǒng)計公式值及一個理論公式值均有所下降，下降幅度分別為22.2%、15.5%及7.5%，平均15.1%。分析認為切頂卸壓措施有效縮短了工作面初次來壓及周期來壓步距，降低了開采過程中工作面的支承壓力，從而減輕了底板受采動影響的破壞程度，減小了底板破壞深度。由于實測得到的最大破壞深度點與工作面煤壁間的距離為范圍值，理論公式值雖在此范圍內(nèi)，但無法與實測值進行直接對比。

表1 14141工作面底板破壞參數(shù)比較

4 結(jié) 論

(1)通過在工作面開切眼和運輸巷采用深孔爆破進行切頂卸壓，可以降低回采過程中初次來壓和周期來壓強度，減小巷道支承壓力，從而對采動引起的底板破壞產(chǎn)生影響。

(2)通過對鉆孔直流電法現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)分析得出，九里山礦14141工作面在對開切眼和運輸巷采取切頂卸壓的情況下，底板最大破壞深度為9.8m，最大破壞深度點距工作面煤壁4.1～10.3m。

(3)對比未考慮切頂卸壓的14141工作面底板破壞深度統(tǒng)計公式及理論公式計算值，實測值均有所減小，減小幅度分別為22.2%、15.5%及7.5%，平均15.1%，說明切頂卸壓能夠減輕煤層開采對底板巖體的破壞程度，減小底板破壞深度，可以作為一種有效的工作面底板水防治措施。