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      膏體充填開采底板破壞機(jī)理及分區(qū)治理技術(shù)

      2022-08-16 03:00:32軒召軍常慶糧
      煤礦安全 2022年8期
      關(guān)鍵詞:膏體步距巖層

      軒召軍,常慶糧

      (1.山東康格能源科技有限公司,山東 濟(jì)寧 272000;2.中國礦業(yè)大學(xué) 深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 徐州 221116;3.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

      我國研究者對(duì)于充填開采法防治承壓水上采煤下伏煤巖層的破壞進(jìn)行了大量理論研究和實(shí)踐應(yīng)用,但對(duì)于近距離高承壓水、復(fù)雜開采地質(zhì)條件下安全采煤的研究仍需進(jìn)一步開展研究。朱開鵬[1]、龐貴良[2]、黃建飛等[3]為了研究分析工作面開采過程中下伏煤巖的破壞深度及其規(guī)律,通過ADINA 數(shù)值模擬分析,得到在工作面采煤經(jīng)過正斷層區(qū)域時(shí),下伏含水層突水的最危險(xiǎn)位置在工作面經(jīng)過斷層帶和頂板初次來壓的地段,且下伏煤巖層呈現(xiàn)“馬鞍型”破壞的形狀;孫??萚4-5]、張培森等[6]為了研究分析工作面開采過程中下伏煤巖層的破斷規(guī)律和突水條件,將下伏煤巖層看作脆性巖體,通過構(gòu)建下伏導(dǎo)水和不導(dǎo)水的斷裂面力學(xué)分析模型,提出下伏煤巖層斷裂和突水機(jī)率隨著煤層采深的增加而增大,底板突水與礦山壓力有直接關(guān)系;宋文成等[7-8]為了研究分析工作面開采過程中下伏煤巖的破壞深度和規(guī)律,通過現(xiàn)場(chǎng)三維地應(yīng)力實(shí)測(cè),并根據(jù)莫爾-庫倫準(zhǔn)則,通過FLAC3D數(shù)值模擬分析得出了不同采煤階段工作面下伏煤巖層的塑性破壞區(qū)和應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律;張士川等[9]、劉傳韜等[10-11]為了研究分析華北地區(qū)煤層工作面開采過程中下伏煤巖的破壞深度,采用現(xiàn)場(chǎng)物探和鉆探相結(jié)合的手段,探測(cè)了多個(gè)采煤工作面下伏煤巖層的破壞深度,通過探測(cè)工作面采煤前后下伏煤巖層的位移、變形破壞特征及應(yīng)力場(chǎng)分布,得出了工作面采煤前后下伏煤巖層變形破壞的深度及其影響因素。

      岱莊煤礦屬于典型建筑物下、近距離高承壓水上采煤條件,井田范圍內(nèi)地表村莊共計(jì)78 個(gè),村莊稠密,村莊下煤炭的可采儲(chǔ)量約7 900 萬t,占礦井總可采儲(chǔ)量的80 %,而其中3上煤層村莊下煤炭的可采儲(chǔ)量約5 000 萬t,占礦井所有村莊下煤炭可采儲(chǔ)量的63 %。該礦井地面村莊分布較多,礦區(qū)位于濟(jì)寧市區(qū)城鄉(xiāng)結(jié)合部,村莊所處位置優(yōu)越,所以不可能采取搬遷村莊的措施實(shí)現(xiàn)“三下”采煤。針對(duì)岱莊煤礦16#煤層在建筑物下和高承壓水上條件下安全開采,開展高承壓水上建筑物下長壁工作面充填開采技術(shù)的課題研究,初步選定在該煤礦1160 采區(qū)進(jìn)行膏體充填試采研究。采用膏體對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填處理,使充填體與采空區(qū)頂?shù)装逍纬身敯?充填體-底板相互關(guān)聯(lián)的支承體系,該技術(shù)通過控制底板破壞的深度,可以對(duì)地下水資源起到較好的保護(hù)作用,尤其是承壓水上采煤條件下,能夠明顯改善煤礦的安全生產(chǎn)條件;另一方面,該技術(shù)通過對(duì)地表下沉變形的有效控制,實(shí)現(xiàn)不搬遷采煤,可大大提高煤炭資源的采出率;而且,將礦山固體廢物作為充填材料進(jìn)行利用,變廢為寶,可大大改善礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境。

      1 工程概況

      岱莊煤礦位于山東省濟(jì)寧市境內(nèi),南距濟(jì)寧市6 km,區(qū)內(nèi)鐵路、公路、水路運(yùn)輸條件便利,礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力150 萬t,2000 年元月建成投產(chǎn),核定年生產(chǎn)能力為320 萬t。岱莊煤礦歸類為瓦斯礦井,井筒布置在礦井中部,設(shè)計(jì)兩立井分水平開拓,采用中央并列式通風(fēng)方式。礦井分為-410 m 水平上組煤和-580 m 水平下組煤。-410 m 水平主要開采3上、3下煤層,-580 m 水平主要開采16#、17#煤層。根據(jù)該礦地質(zhì)水文鉆孔探明16#煤層距離底板十三灰平均為21.6 m,距離底板奧灰平均為61.1 m,煤層與含水層間的位置關(guān)系如圖1。

      圖1 煤層與含水層間的位置關(guān)系圖Fig.1 Location relationship between coal seam and aquifer

      16#煤層底板奧灰含水層的最大突水系數(shù)約為0.12 MPa/m,根據(jù)煤炭開采先易后難的原則,岱莊煤礦研究決定對(duì)11605 工作面鄰近地質(zhì)條件相對(duì)簡單的11607 工作面先行進(jìn)行膏體充填試驗(yàn)開采。11607工作面設(shè)計(jì)傾斜和走向平均長度分別為120、1 000 m。工作面地面標(biāo)高在+37.1~+41.4 m 之間,平均標(biāo)高為+40.3 m;工作面底板標(biāo)高在-443.5~-516.9 m 之間,平均標(biāo)高為-501.3 m。工作面埋深在480.6~558.3 m 之間,平均埋深541.6 m。工作面內(nèi)16#煤層厚度在1.65~2.35 m 之間,平均煤厚2.16 m,傾角小于12°,煤層局部含細(xì)粒砂巖夾矸,厚度在0.10~0.27 m 之間。

      2 膏體充填開采底板破壞機(jī)理

      2.1 等效巷道理論

      長壁膏體充填工作面如圖2。

      圖2 長壁膏體充填工作面示意圖Fig.2 Schematic diagram of longwall paste filling working face

      當(dāng)工作面未采用充填開采時(shí),隨著工作面不斷向前推進(jìn),當(dāng)頂板懸露長度達(dá)到一定程度時(shí),頂板便會(huì)發(fā)生初次破斷和周期性的破斷,礦山壓力顯現(xiàn)較為強(qiáng)烈且明顯;而當(dāng)采用充填開采時(shí),由于工作面后方采空區(qū)不斷被膏體充填,對(duì)頂?shù)装宓募皶r(shí)支護(hù)作用,可將開切眼看成不斷向前推進(jìn)的等效巷道[5-7],由于等效巷道暴露的寬度較小,相對(duì)于未采用充填開采時(shí)其礦壓顯現(xiàn)不明顯,直接頂不會(huì)發(fā)生周期性的破斷,基本頂同樣也不會(huì)發(fā)生周期性的來壓,于是大大改善采空區(qū)頂?shù)装宓膰鷰r條件。所以充填開采下伏煤巖層破壞深度可以采用等效巷道理論進(jìn)行理論計(jì)算[5-7]。

      對(duì)于膏體充填工作面等效成移動(dòng)巷道(或短壁工作面)的探究,關(guān)鍵問題在于如何確定等效移動(dòng)巷道的空間效應(yīng)和時(shí)間效應(yīng)。

      2.2 等效巷道寬度空間效應(yīng)

      隨著工作面后方采空區(qū)充填的膏體材料的固化凝結(jié),隨著充填體齡期的增加,對(duì)頂?shù)装宓闹С凶饔靡搽S之增加,等效巷道的寬度并非工作面控頂距,而應(yīng)是煤壁至工作面后方某一位置的充填體的距離。此位置的充填體應(yīng)在強(qiáng)度上滿足一定要求。針對(duì)承壓水上開采的具體問題,分析認(rèn)為充填體強(qiáng)度足以達(dá)到將上覆巖層自重荷載傳遞給底板,達(dá)到平衡底板水壓荷載時(shí),充填體強(qiáng)度稱為耐水壓強(qiáng)度,并將該位置的充填體看作等效移動(dòng)巷道的一幫,該位置距離工作面煤壁的寬度為等效移動(dòng)巷道的寬度。

      隨著膏體充填工藝的不同,等效巷道的寬度也將隨之改變[4-6],充填體凝固速度、工作面日進(jìn)尺、充填步距、控頂距等參數(shù)都影響著等效巷道的寬度,進(jìn)而引起工作面下伏煤巖層破壞的深度改變。等效巷道寬度與底板破壞深度關(guān)系如圖3。

      圖3 等效巷道寬度與底板破壞深度關(guān)系Fig.3 The relationship between equivalent roadway width and floor failure depth

      1)在工作面開切眼開掘后采煤機(jī)割煤以前,工作面采動(dòng)影響只有開切眼的開掘,而前面已經(jīng)分析了開切眼看作1 條等效移動(dòng)的巷道,該巷道寬度為開切眼的寬度Lq。

      2)當(dāng)工作面割煤進(jìn)尺為1 個(gè)充填步距時(shí),相對(duì)于等效移動(dòng)巷道進(jìn)行了拓幫加寬。在充填體固化凝結(jié)前,等效巷道的寬度為:Lz+Lb(其中Lb為1 個(gè)充填步距,Lz為支架頂梁長度),如圖3(a)。

      3)隨著工作面向前割煤繼續(xù)推進(jìn),當(dāng)工作面割煤進(jìn)尺達(dá)到2 個(gè)充填步距時(shí),相對(duì)于等效移動(dòng)巷道繼續(xù)進(jìn)行了拓幫加寬。該時(shí)期第1 個(gè)充填帶的齡期為1 d,則此時(shí)等效巷道的寬度為(Lz+Lb)~(Lz+2Lb)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用的實(shí)踐表明,為了保證下伏煤巖層計(jì)算破壞深度值的安全性,等效巷道的寬度最大?。↙z+2Lb),如圖3(b)。

      4)采空區(qū)采取膏體材料充填后,隨著充填體的凝結(jié)固化,其強(qiáng)度不斷增大,對(duì)采空區(qū)頂?shù)装迤鸬街С凶饔茫?dāng)充填體強(qiáng)度足以達(dá)到將上覆巖層自重荷載傳遞給底板,達(dá)到平衡底板水壓荷載時(shí),此時(shí)將該位置的充填體看作等效移動(dòng)巷道的一幫。則此時(shí)等效巷道的寬度為Lz+nLb(充填體達(dá)到耐水壓強(qiáng)度的天數(shù)為n)。如圖3(c)。

      5)當(dāng)整個(gè)膏體充填工作面達(dá)到停采線之后回撤液壓支架前,此時(shí)工作面已經(jīng)停止向前割煤推進(jìn),采空區(qū)充填體的固化凝結(jié),隨著充填體強(qiáng)度不斷增大,等效巷道的寬度減小,停采后的工作面煤壁與充填帶之間的距離為最終等效巷道的寬度,此時(shí)膏體充填工作面等效巷道寬度最大為Lq+nLb,寬度最小為開切眼寬度Lq。不同狀態(tài)的膏體充填工作面的等效巷道寬度不同,等效巷道最寬為Lz+n×Lb,此時(shí)底板破壞深度最大。

      2.3 等效巷道作用時(shí)間效應(yīng)

      根據(jù)一般巷道的變形觀測(cè)結(jié)果,自巷道掘成到其變形穩(wěn)定要經(jīng)歷30~40 d,而巷道變形主要組成部分為巷道圍巖松動(dòng)圈變形,因此推斷巷道底板破壞范圍的形成也不是一蹴而就的。膏體充填工作面等效成移動(dòng)的巷道,其底板破壞深度也應(yīng)具有時(shí)間效應(yīng),而目前對(duì)于巷道底板破壞深度的時(shí)間效應(yīng)并沒相關(guān)研究,本研究暫不考慮等效巷道的時(shí)間效應(yīng)[4-6]。需要說明的是不考慮等效巷道時(shí)間效應(yīng)的計(jì)算方法對(duì)承壓水上開采的安全性是有利的。

      分析認(rèn)為,當(dāng)采空區(qū)無充填體支護(hù)時(shí),底板在水壓和礦山壓力的作用下逐漸鼓起,煤壁處支承壓力和底板彎矩逐漸增大,采空區(qū)進(jìn)行充填后,隨著充填體強(qiáng)度逐漸增加,充填體阻止了頂板的繼續(xù)下沉并將頂板載荷傳遞給底板,當(dāng)充填體傳遞的載荷使底板隔水層受力平衡時(shí),煤壁處底板彎矩不再增加,此時(shí)底板破壞深度不會(huì)繼續(xù)增加。而底板從“開挖-支架支護(hù)-暴露的待充區(qū)-充填體支護(hù)”所經(jīng)歷的時(shí)間也就是等效巷道礦山壓力作用的時(shí)間。其計(jì)算公式[5-7]為:

      式中:T 為等效巷道作用時(shí)間,d;Lz為支架的長度,m;Lb為1 個(gè)充填步距,m;v 為工作面推進(jìn)速度,m/d;t 為充填體達(dá)到耐水壓強(qiáng)度的時(shí)間,d。

      2.4 底板破壞深度

      基于等效巷道理論膏體充填工作面底板塑性破壞區(qū)的形態(tài)如圖4,當(dāng)工作面底板發(fā)生破壞,產(chǎn)生塑性破壞范圍時(shí),將工作面底板塑性破壞范圍劃分成:主動(dòng)極限范圍(如圖4 的I 區(qū))、過渡范圍(如圖4 的II 區(qū))和被動(dòng)極限范圍(如圖4 的III 區(qū))。

      圖4 等效巷道底板破壞深度計(jì)算模型Fig.4 Calculation model of equivalent roadway floor failure depth

      由塑性滑移線場(chǎng)理論可推導(dǎo)出底板破壞深度計(jì)算公式[8-10]:

      式中:hpo為膏體充填工作面下伏煤巖破壞的深度,m;la為巷道兩幫塑性區(qū)寬度,m;φ 為煤層底板內(nèi)摩擦角,(°)。

      3 底板破壞數(shù)值模擬

      3.1 數(shù)值模擬模型及方案

      本次模擬采用FLAC[12-14]數(shù)值模擬軟件,運(yùn)用連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日差分法。結(jié)合岱莊煤礦現(xiàn)場(chǎng)11607 工作面綜合柱狀圖和煤層下伏煤巖L10-2、L10-4、11607-2 和15-2 號(hào)4 個(gè)地質(zhì)鉆孔實(shí)際情況,本次數(shù)值模擬以11607 工作面下部最脆弱的隔水層地點(diǎn)為數(shù)值模擬原型地點(diǎn),11607-2 號(hào)地質(zhì)鉆孔顯示該處11607 工作面下部十三灰隔水層厚度僅為24 m 左右。構(gòu)建模型高度、長度和寬度分別為114.6、200、200 m,16#開采煤層與模型最上部邊界距離39.6 m,與模型下底部邊界距離75 m,設(shè)計(jì)模型中開采煤層與下部奧灰上界距離為61.1 m,與下部十三灰上界距離21.6 m,構(gòu)建數(shù)值模擬模型如圖5。設(shè)計(jì)模型中16#煤層與模型最頂端邊界的距離為39.6 m,而16#煤層的埋深為541.6 m,則上部覆巖自重荷載施加在模型上部邊界的載荷為12.55 MPa。

      圖5 數(shù)值模擬模型與邊界條件Fig.5 Numerical simulation models and boundary conditions

      設(shè)計(jì)模型中11607 膏體充填工作面傾斜長度為120 m,在模型左端50 m 布置開切眼,11607 工作面割煤高度2 m,自模型左端向右開采推進(jìn)距離為100 m。模擬工作面首先進(jìn)行采煤作業(yè),采空區(qū)再緊跟著充填作業(yè),膏體充填體凝固形成承載結(jié)構(gòu),采空區(qū)的充填步距與工作面每日進(jìn)尺保持一致。設(shè)計(jì)模型左右兩邊界之間寬度為200 m,為降低模擬邊界的影響,開切眼設(shè)置在距離模型左邊界50 m 處,自開切眼向右開采100 m,模型右邊界留設(shè)邊界煤柱寬度為50 m。

      本次模擬主要針對(duì)11607 膏體充填工作面在不同充填體強(qiáng)度、充填步距及充填率條件下,研究分析膏體充填工作面不同充填工藝參數(shù)與底板破壞深度之間的關(guān)系,并分析底板巖層形、應(yīng)力場(chǎng)及塑性區(qū)分布等特征?,F(xiàn)場(chǎng)11607 膏體充填工作面采用“三八”工作制度,首先進(jìn)行采煤作業(yè),采空區(qū)再緊跟著充填作業(yè),最后進(jìn)行工作面檢修,同時(shí)膏體充填體凝固,其中采空區(qū)的充填步距與工作面每日進(jìn)尺保持一致,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件設(shè)計(jì)數(shù)值模擬方案為:①方案Ⅰ:模擬設(shè)定11607 工作面采空區(qū)在充填率為98%,充填的步距2.4 m/d 時(shí),模擬充填體的28 d 強(qiáng)度分別為3、4、5、7 MPa;②方案Ⅱ:模擬設(shè)定11607 工作面采空區(qū)在膏體充填體的強(qiáng)度(28 d 強(qiáng)度)為5 MPa,充填率為98%的條件下,模擬膏體充填體的充填步距分布為1.2、2.4、3.6 m。

      3.2 數(shù)值模擬結(jié)果

      根據(jù)數(shù)值模擬方案Ⅰ的模擬結(jié)果,在采空區(qū)充填率為98%,充填的步距2.4 m/d 條件下,不同充填體的28 d 強(qiáng)度時(shí)膏體充填工作面底板破壞深度、巖層變形及塑性區(qū)分布等規(guī)律的模擬結(jié)果如圖6(在11607 工作面推進(jìn)方向的中部截取剖面)。

      圖6 不同膏體28 d 強(qiáng)度數(shù)值模擬塑性區(qū)情況Fig.6 Numerical simulation of plastic zone of 28 d strength of different paste

      由圖6 分析可知,當(dāng)11607 工作面充填膏體28 d 強(qiáng)度自3 MPa 上升至7 MPa 時(shí),工作面上覆煤巖層下沉量峰值同樣呈現(xiàn)下降趨勢(shì),下沉量峰值自250 mm 下降至200 mm,工作面底板未發(fā)生明顯變形底鼓現(xiàn)象。當(dāng)11607 工作面充填膏體28 d 強(qiáng)度自3 MPa 上升至7 MPa 時(shí),工作面下伏煤巖層已貫通的塑性區(qū)深度未發(fā)現(xiàn)明顯改變,只有其范圍稍有變小趨勢(shì)。

      根據(jù)數(shù)值模擬方案Ⅱ的模擬結(jié)果,在膏體充填體的28 d 強(qiáng)度為5 MPa,充填率為98%的條件下,模擬膏體充填體的不同充填步距時(shí)工作面底板破壞深度、巖層變形及塑性區(qū)分布等規(guī)律的模擬結(jié)果如圖7(在11607 工作面推進(jìn)方向的中部截取剖面)。

      由圖7 可以看出,當(dāng)11607 工作面充填步距自1.2 m 上升至3.6 m 時(shí),工作面上覆煤巖層下沉量峰值同樣呈現(xiàn)上升趨勢(shì),下沉量峰值自180 mm 上升至250 mm,工作面底板發(fā)生明顯變形底鼓現(xiàn)象,底鼓峰值自180 mm 上升至200 mm。當(dāng)11607 工作面充填步距自1.2 m 上升至3.6 m 時(shí),工作面下伏煤巖層已貫通的塑性區(qū)深度未發(fā)現(xiàn)明顯改變。當(dāng)充填步距分別為1.2、2.4、3.6 m 時(shí),工作面下伏煤巖層已貫通的塑性區(qū)深度均大致為3.6 m 左右,工作面下伏煤巖層已貫通至底部泥巖和細(xì)粒砂巖層。工作面下伏煤巖層的塑性區(qū)呈現(xiàn)層狀破壞至最終貫通的過程。當(dāng)充填步距為2.4 m 時(shí),工作面下部煤巖層塑性區(qū)擴(kuò)展至粉砂巖層,距離約為6.3 m 處;當(dāng)充填步距為3.6 m 時(shí),工作面下部煤巖層塑性區(qū)深度仍在下部距離約為6.3 m 處粉砂巖層,但塑性區(qū)的范圍有進(jìn)一步增大的趨勢(shì)。

      圖7 數(shù)值模擬不同充填步距時(shí)塑性區(qū)變化Fig.7 The variation of plastic zone at different filling steps

      綜上分析得出,膏體充填工作面掘出開切眼后,隨著工作面不斷向前推進(jìn)采煤,在工作面后方采空區(qū)進(jìn)行膏體充填采空區(qū),采空區(qū)頂板不再發(fā)生初次垮落和周期性垮落來壓,進(jìn)而相當(dāng)于在采煤過程中把開切眼整體向前不斷推進(jìn),而開切眼其實(shí)就是1條特殊的巷道,所以膏體充填工作面相當(dāng)于1 條不斷向前推進(jìn)的特殊巷道產(chǎn)生的礦山壓力,對(duì)頂?shù)装鍑鷰r應(yīng)力場(chǎng)的擾動(dòng)程度較低,其礦山壓力顯現(xiàn)與開掘巷道很類似,區(qū)別在于采空區(qū)充填體附件的垂直應(yīng)力最大值和塑性區(qū)范圍相對(duì)于煤壁附近要小,而充填體附近的垂直位移最大值相對(duì)于煤壁附近要大。綜上數(shù)值模擬結(jié)果分析和前面理論計(jì)算,并結(jié)合岱莊煤礦11607 膏體充填工作面現(xiàn)場(chǎng)開采實(shí)際,參考大量開采實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)推測(cè),理論估計(jì)11607 工作面采用膏體充填采空區(qū)技術(shù)后下伏煤巖層破壞的深度在4.6~8.4 m 之間。

      4 工程應(yīng)用

      4.1 底板突水分區(qū)域防治方案

      根據(jù)前期岱莊煤礦11607 工作面的地質(zhì)報(bào)告和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,依據(jù)工作面下伏煤巖層導(dǎo)水裂隙的種類,將11607 工作面下伏煤巖層大致歸類以下3 類:①底板完整區(qū);②構(gòu)造發(fā)育區(qū);③底板薄弱區(qū)。分別針對(duì)底板完整塊段、水文探測(cè)異?;蚋邏骸⒌装灞∪趸驑?gòu)造發(fā)育塊段等不同劃區(qū),針對(duì)性的提出了分區(qū)防治底板突水的技術(shù)措施和安全保障方法。

      1)11607 工作面底板完整區(qū)域僅采用膏體充填采空區(qū),不對(duì)底板進(jìn)行處理,充填采空區(qū)的膏體材料設(shè)計(jì)質(zhì)量濃度為78%,煤矸石量、粉煤灰量、膠結(jié)料分別為1 600、400、60 kg/m3。

      2)底板薄弱區(qū)域,結(jié)合模擬和現(xiàn)場(chǎng)膏體充填工作面礦壓影響范圍,初步確定薄弱區(qū)域向外50 m范圍進(jìn)行底板注漿改造。

      3)斷層影響區(qū)域,結(jié)合模擬和現(xiàn)場(chǎng)膏體充填工作面礦壓影響范圍,初步確定對(duì)F11605-2、F11605-3、DF16斷層向外50 m 范圍進(jìn)行底板注漿加固和封堵改造。而針對(duì)工作面內(nèi)揭露的小斷層,須結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鉆探實(shí)際情況,綜合分析考慮是否進(jìn)行底板注漿加固和封堵改造。

      4)高水壓區(qū)和探測(cè)水文異常區(qū),11607 工作面采取膏體充填采空區(qū)技術(shù)后對(duì)采場(chǎng)四周的礦壓影響范圍小于50 m,所以初步設(shè)計(jì)對(duì)工作面已探明的下伏煤巖層高水壓區(qū)(水壓大于4.4 MPa)和探測(cè)水文異常的區(qū)域進(jìn)行疏降處理,其疏降范圍為工作面左右和前后100 m 范圍之內(nèi)。

      4.2 應(yīng)用效果

      通過現(xiàn)場(chǎng)考察岱莊煤礦11607 工作面開采實(shí)際,在11607 工作面軌道巷內(nèi)進(jìn)行觀測(cè)下伏煤巖層破壞深度的注水試驗(yàn)。選擇在距離11607 工作面停采線150 m 的位置進(jìn)行,布置編號(hào)1#和2#2 個(gè)位置的探測(cè)點(diǎn),2 個(gè)探測(cè)點(diǎn)之間的距離約為15 m,1#和2#2 個(gè)探測(cè)點(diǎn)均布置4 個(gè)觀測(cè)下伏煤巖層破壞深度的注水試驗(yàn)鉆孔,注水試驗(yàn)鉆孔之間的距離為2 m。1#探測(cè)點(diǎn)內(nèi)布置的各注水鉆孔與16#煤層仰角和俯角均為60°,觀測(cè)下伏煤巖層破壞深度依次是2、3、5、7 m。2#探測(cè)點(diǎn)內(nèi)布置的各注水鉆孔與16#煤層垂直,觀測(cè)下伏煤巖層破壞深度依次是2、3、5、7 m。

      1#探測(cè)點(diǎn)各鉆孔注水量變化曲線如圖8,通過分析可知:深度為3 m 的1-2#鉆孔和深度為5 m 的1-3#鉆孔注入的水量變化相對(duì)較大,波動(dòng)變化較為明顯,而深度為2 m 的1-1#鉆孔和深度為7 m 的1-4#鉆孔注入的水量較低,且波動(dòng)變化不明顯,說明工作面下伏煤巖層深度在3~5 m 以內(nèi)煤巖體裂隙較為發(fā)育,深度大于工作面下伏煤巖體裂隙發(fā)育程度較低,綜上分析得出:11607 工作面采用膏體充填采空區(qū)技術(shù)之后,底板深度小于3~5 m。

      圖8 1#探測(cè)點(diǎn)各鉆孔注水量Fig.8 Water injection into each borehole at test point 1#

      2#探測(cè)點(diǎn)各鉆孔注水量變化曲線如圖9,分析可知:2-1#、2-2#、2-3#和2-4#4 個(gè)鉆孔注入的水量相對(duì)于1#探測(cè)點(diǎn)各鉆孔較小,其中根據(jù)深度為2 m的2-2#鉆孔和深度為8 m 的2-4#鉆孔注入的水量均為0 L/min,說明工作面下伏煤巖層深度在2 m 以內(nèi)煤巖體裂隙較為發(fā)育,深度大于工作面下伏煤巖體裂隙發(fā)育程度較低,綜上分析得出:11607 工作面采用膏體充填采空區(qū)技術(shù)之后,2#探測(cè)點(diǎn)下伏煤巖層的破壞深度約2 m 左右。

      圖9 2#探測(cè)點(diǎn)注水試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Water injection test results of station 2#

      5 結(jié) 語

      1)提出了等效巷道理論,即采用充填開采時(shí),可將開切眼看成不斷向前推進(jìn)的特殊巷道。基于等效巷道理論,當(dāng)工作面推進(jìn)速度為1.2~3.6 m/d,充填體耐水壓強(qiáng)度不超過2 d 的情況下,膏體充填工作面底板破壞深度為4.6~8.4 m。

      2)根據(jù)岱莊煤礦前期11607 工作面的地質(zhì)報(bào)告和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,依據(jù)工作面下伏煤巖層導(dǎo)水裂隙的種類,將11607 工作面底板煤巖層劃分為底板完整區(qū)、構(gòu)造發(fā)育區(qū)、底板薄弱區(qū)。并針對(duì)底板不同劃區(qū),提出分區(qū)防治底板突水的技術(shù)措施和安全保障方法。

      3)通過現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)法進(jìn)行探測(cè),設(shè)置注水壓力值在0.15~0.2 MPa 之間,注水時(shí)間在15~25 min之間,現(xiàn)場(chǎng)記錄數(shù)據(jù)的間隔時(shí)間為5 min/次。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)結(jié)果分析得出底板最大破壞深度在3 m 左右。

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