煤層底板破碎帶區(qū)域注漿圍巖穩(wěn)定性分析

任 波，余國(guó)峰，牟文強(qiáng)，韓云春，李連崇，魏廷雙

（1.煤炭開(kāi)采國(guó)家工程技術(shù)研究院 深部煤炭開(kāi)采與環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083；3.平安煤炭開(kāi)采工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232000；4.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819；5.淮南礦業(yè)集團(tuán) 張集煤礦，安徽 淮南 232000）

我國(guó)煤礦開(kāi)采中涌水、突水事故時(shí)有發(fā)生。事故的發(fā)生與采場(chǎng)內(nèi)地質(zhì)和生產(chǎn)條件密切相關(guān)，而造成突水事故的直接原因是回采破壞原始應(yīng)力狀態(tài)，造成圍巖應(yīng)力場(chǎng)重新分布，使得部分完整巖體出現(xiàn)應(yīng)力集中而造成巖體發(fā)生破斷[1-3]。含煤地層中的斷層、陷落柱等不良地質(zhì)體，增大了導(dǎo)水通道延伸擴(kuò)展的可能性，極易誘發(fā)突水事故[4]。針對(duì)底板承壓水、陷落柱突水致災(zāi)機(jī)理已趨于成熟，基于現(xiàn)場(chǎng)和數(shù)模實(shí)驗(yàn)等方法已做了大量的研究工作[5-9]，為類似開(kāi)采條件下水害防治技術(shù)提供了指導(dǎo)。針對(duì)淮南煤田煤層底板較差隔水性能的礦井，鄭士田等[10]提出了低密度連續(xù)高壓劈裂注漿探查治理技術(shù)。而針對(duì)底板承壓水、陷落柱突水致災(zāi)機(jī)理及注漿效果、圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法，許延春等[11]提出了基于注漿鉆孔數(shù)據(jù)集的注漿工作面底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)體系。謝志鋼等[12]對(duì)改造前后的陷落柱進(jìn)行數(shù)值模擬分析，分析了煤層底板隱伏陷落柱破壞狀態(tài)，研究了注漿巖體對(duì)陷落柱的支撐作用。而鑒于煤礦開(kāi)采地質(zhì)條件的復(fù)雜性、不同生產(chǎn)礦井開(kāi)采條件的多變性，煤層底板灰?guī)r水害治理需要不斷在各類地質(zhì)條件下完善，尤其是針對(duì)可能的破碎帶地質(zhì)缺陷，同時(shí)單一分析方法已不能滿足安全評(píng)價(jià)需求，不能針對(duì)注漿采場(chǎng)提出有效的指導(dǎo)意義。而微震監(jiān)測(cè)技術(shù)作為預(yù)警手段用于工作面回采過(guò)程中水害機(jī)理研究中，取得了良好的效果[13-15]。因此，可嘗試將數(shù)值模擬及微震評(píng)價(jià)相結(jié)合來(lái)評(píng)價(jià)注漿治理效果。

1 工程地質(zhì)概況

張集煤礦位于淮南煤田中部，目前主采深部的A 組煤[16]，井田為新生界松散層覆蓋的全隱蔽區(qū)，主要可采煤層全部隱伏于巨厚松散層下，水文地質(zhì)單元較完整，包含新生界松散層孔隙、二疊系砂巖裂隙和石灰?guī)r巖溶裂隙3 個(gè)主要含水層（組），為新生界松散孔隙水、頂板砂巖水與A 組煤底板巖溶水等多充水水源類型礦井。

張集煤礦1612A 工作面位于西三1 煤上采區(qū)，經(jīng)施工定向長(zhǎng)鉆孔，結(jié)合前期物探圈定了1613A 工作面底板長(zhǎng)約52 m、寬約33 m 的橢圓形富水異常區(qū)范圍，該垂向破碎帶底部可能與奧陶系灰?guī)r含水層存在水力聯(lián)系，其邊緣距離1612A 運(yùn)輸巷幫距離約為75 m。通過(guò)在破碎帶區(qū)域內(nèi)實(shí)施注漿治理，該區(qū)域內(nèi)的裂隙被水泥材料填充，水量減小，破碎體得到了水泥注漿體的加固支撐，由于物探所探明的劃定區(qū)域?yàn)楣烙?jì)值，鄰近工作面的回采仍然可能會(huì)擾動(dòng)注漿的通道及其圍巖，造成裂隙巖體的過(guò)度損傷貫通。

2 注漿圍巖應(yīng)力演化數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

垂向?qū)扑閹Ь嚯x1612A 運(yùn)輸巷幫距離約為75 m，若回采造成鄰近注漿的破碎區(qū)域擾動(dòng)破壞而形成導(dǎo)水通道，可能存在潛在突水安全隱患。為此，根據(jù)張集煤礦1612A 工作面工程地質(zhì)條件，建立了1612A 工作面采場(chǎng)的FLAC3D模型。

模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高=600 m×600 m×400 m，巖層傾角為10°，破碎帶區(qū)域尺寸為長(zhǎng)×寬=52 m×33 m。模擬計(jì)算工作面不同開(kāi)采進(jìn)尺條件下注漿巖體的應(yīng)力擾動(dòng)[17]，分析1612A 工作面采動(dòng)對(duì)鄰近注漿巖體的影響。數(shù)值模型所用的巖體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of rock mass

2.2 注漿前后擾動(dòng)應(yīng)力演化

分別獲取巖層處于工作面回采距破碎帶注漿區(qū)域40 m、工作面與破碎帶注漿區(qū)平行和工作面過(guò)破碎帶注漿區(qū)50 m 時(shí)，注漿前后圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布特征如圖1。

由圖1 可以看出，在未注漿時(shí)，由于垂向破碎帶的各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)的異常，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力出現(xiàn)異常。同時(shí)在工作面回采過(guò)破碎帶50 m 范圍時(shí)，在破碎帶的近工作面一側(cè)出現(xiàn)了較大的應(yīng)力擾動(dòng)異常區(qū)域A，該區(qū)域可能導(dǎo)致工作面?zhèn)认騾^(qū)域巖層與破碎帶發(fā)生擾動(dòng)損傷貫通。而在實(shí)施注漿后，破碎帶與其圍巖相互支撐，呈現(xiàn)相近的應(yīng)力狀態(tài)，而在工作面回采過(guò)破碎帶50 m 范圍時(shí)，相比較未注漿時(shí)異常區(qū)域減小至B，該區(qū)域與破碎帶不再發(fā)生貫通擾動(dòng)。

圖1 注漿前后圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布特征Fig.1 Distribution of surrounding rock stress field before and after grouting

1612A 工作面回采的不同階段對(duì)鄰近垂向破碎帶注漿巖體的應(yīng)力擾動(dòng)不同，應(yīng)力擾動(dòng)大小為工作面采過(guò)破碎帶50 m＞工作面與破碎帶平行＞工作面距離破碎帶40 m＞初始應(yīng)力狀態(tài)，工作面開(kāi)采側(cè)向應(yīng)力的峰值出現(xiàn)在距離工作面巷幫10 m 左右，應(yīng)力峰后開(kāi)采應(yīng)力擾動(dòng)逐漸減小。不同回采階段在距工作面一定距離之外存在1 個(gè)低擾動(dòng)范圍。而通過(guò)對(duì)注漿后的破碎帶（導(dǎo)水通道）進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)，可以發(fā)現(xiàn)隨著回采持續(xù)進(jìn)行注漿體所受到的應(yīng)力持續(xù)增加，而在過(guò)50 m 后曾大至19.5 MPa。此時(shí)注漿體的應(yīng)力集中系數(shù)約為1.18，應(yīng)力變化未出現(xiàn)較大異常。沿工作面傾向的應(yīng)力變化規(guī)律如圖2。

圖2 沿工作面傾向的應(yīng)力變化規(guī)律Fig.2 Variation law of stress along working face inclination

根據(jù)隨回采距離變化的應(yīng)力場(chǎng)分布，選擇峰后應(yīng)力變化，從而得到了注漿后破碎帶同一水平圍巖應(yīng)力與距巷幫距離的擬合公式。

根據(jù)應(yīng)力分布擬合公式，可以獲得不同開(kāi)采階段、不同應(yīng)力集中系數(shù)（取1～1.5）條件下的臨界距離，應(yīng)力集中系數(shù)下的臨界距離見(jiàn)表2。

表2 應(yīng)力集中系數(shù)下的臨界距離Table 2 Critical distances under stress concentration factors

應(yīng)力集中系數(shù)為1.2 時(shí)，工作面回采至距注漿巖體40 m、工作面與注漿巖體平行和采過(guò)注漿巖體50 m 條件下對(duì)應(yīng)的擾動(dòng)范圍分別為距離巷幫＞1.65 m、＞53.41 m 和＞60.43 m。應(yīng)力集中系數(shù)為1.1 時(shí)，上述3 種開(kāi)采條件對(duì)應(yīng)的低擾動(dòng)范圍分別為距離巷幫＞19.33 m、＞59.65 m 和＞64.72 m。隨著應(yīng)力集中系數(shù)取值增大，對(duì)應(yīng)的低擾動(dòng)范圍不斷擴(kuò)大。在1612A工作面回采過(guò)程中，開(kāi)采對(duì)注漿體圍巖的應(yīng)力擾動(dòng)影響較小，始終處于低擾動(dòng)應(yīng)力范圍內(nèi)，注漿巖體穩(wěn)定。

3 注漿圍巖擾動(dòng)微震

3.1 1612A 工作面微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

微震事件是對(duì)應(yīng)力擾動(dòng)誘發(fā)巖層微破裂的宏觀表現(xiàn)，借助微震手段可以對(duì)注漿區(qū)域圍巖的應(yīng)力情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。為此，在張集煤礦1612A 工作面軌道巷及其1613A 底抽巷內(nèi)設(shè)計(jì)安裝24 個(gè)微震監(jiān)測(cè)點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作面回采期間的巖層破壞，尤其是底板巖層的采動(dòng)破壞情況[18]。循環(huán)式微震監(jiān)測(cè)技術(shù)如圖3。

圖3 循環(huán)式微震監(jiān)測(cè)技術(shù)Fig.3 Cyclic microseismic monitoring technology

3.2 基于微震監(jiān)測(cè)注漿巖體穩(wěn)定性

微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自2019 年2 月底開(kāi)始正常運(yùn)行，對(duì)鄰近垂向?qū){區(qū)域重點(diǎn)關(guān)注，直至工作面回采結(jié)束。1612A 工作面逐漸靠近鄰近1613A 工作面注漿巖體過(guò)程中，注漿巖體未監(jiān)測(cè)到微震事件發(fā)生區(qū)域巖體維持穩(wěn)定。微震監(jiān)測(cè)結(jié)果分析如圖4。

圖4 微震監(jiān)測(cè)結(jié)果分析Fig.4 Analysis of microseismic monitoring results

選擇開(kāi)采過(guò)注漿區(qū)域?yàn)閷?duì)象，通過(guò)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到的微震事件在煤層頂?shù)装逯械姆植伎梢钥闯觯蚤_(kāi)采后1612A 工作面擾動(dòng)波及1613A 工作面，但是在注漿圍巖后時(shí)微震事件發(fā)生了“繞路”現(xiàn)象，在其范圍內(nèi)基本無(wú)微震事件發(fā)生，表明了圍巖的穩(wěn)定性。為了分析注漿巖體附近的開(kāi)采擾動(dòng)情況，以注漿巖體中心為圓心，分別獲取了半徑距離為30、40、50、60、70、80、90、100 m 范圍內(nèi)的底板微震事件分布數(shù)量。隨著獲取半徑的不斷擴(kuò)大而靠近工作面巷幫，微震數(shù)量逐漸增大，開(kāi)采擾動(dòng)引發(fā)的微震事件主要集中在距1612A 工作面約40 m 范圍內(nèi)，而在超過(guò)70 m 幾乎無(wú)微震事件發(fā)生，未受到開(kāi)采擾動(dòng)影響，該結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果一致。注漿圍巖體改變了微震事件的空間分布特性，這與數(shù)值模擬結(jié)果的應(yīng)力集中降低有密切關(guān)系，未發(fā)生進(jìn)一步破壞，注漿巖體穩(wěn)定。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）注漿前后破碎帶的圍巖應(yīng)力分布存在明顯差異，未注漿的破碎帶回采后存在與鄰近應(yīng)力擾動(dòng)而導(dǎo)致擾動(dòng)損傷貫通；注漿后應(yīng)力異常區(qū)減小，加固的破碎帶與其圍巖不再發(fā)生耦合影響，圍巖穩(wěn)定。

2）存在1 個(gè)應(yīng)力擾動(dòng)影響較大的集中范圍，微震事件誘發(fā)區(qū)也進(jìn)一步驗(yàn)證，且事件在注漿體附近表現(xiàn)出繞路現(xiàn)象，表明了有效的注漿效果。

3）工作面的安全回采，驗(yàn)證了圍巖的穩(wěn)定及所提出的注漿工程效果的分析方法是可行的，即數(shù)值模擬和微震監(jiān)測(cè)相結(jié)合的綜合評(píng)估方法，可有效為注漿工程提供重要支撐，進(jìn)一步保證礦井安全。