無煤柱切頂沿空留巷底板破壞規(guī)律

薛衛(wèi)峰，侯恩科，王蘇健

（1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065；3.煤炭綠色安全高效開采國家地方聯(lián)合工程研究中心，陜西 西安 710065）

0 引 言

煤層開采過程中，伴隨應(yīng)力場的規(guī)律性變化底板巖體經(jīng)受了“壓縮——膨脹——再壓縮”的過程[1-2]，底板巖體不同部位產(chǎn)生剪切與拉張破壞，發(fā)育剪切垂直裂隙與層間裂隙，部分巖體喪失阻水隔水能力[3-5]。針對底板破壞規(guī)律的研究可以為揭示底板突水機(jī)理、評價底板突水危險性以及指導(dǎo)底板注漿、開展防治水工作提供科學(xué)依據(jù)[6-8]。

沿空留巷開采在節(jié)約煤炭資源、提高開采效率、保障開采安全方面有著積極作用，切頂卸壓沿空留巷開采是沿空留巷開采的一種新型開采工藝[9-11]。沿空留巷開采技術(shù)在華北型煤田等存在底板水害影響的礦區(qū)推廣，底板破壞規(guī)律的實測研究顯得尤為重要。劉新民采用現(xiàn)場聲波測試和數(shù)值模擬方法對巷旁充填柔模墻形式的沿空留巷開采煤層底板擾動破壞規(guī)律進(jìn)行研究，認(rèn)為巷旁充填沿空留巷開采底板破壞發(fā)育深度較常規(guī)開采工作面底板破壞發(fā)育深度減小[12]。許延春等采用鉆孔直流電法測量回采過程中底板巖體視電阻率的變化特征得出采動影響下的底板破壞發(fā)育深度，實測相比常規(guī)開采，底板破壞發(fā)育深度減小15.1%[13]。李見波等基于相似模擬試驗，研究切頂卸壓與常規(guī)開采條件圍巖應(yīng)力場的變化規(guī)律和底板破壞發(fā)育深度值，認(rèn)為切頂卸壓在一定程度上能夠減小底板破壞發(fā)育深度[14]。許延春等依據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果研究開切眼和有底抽巷的運輸巷爆破切頂對底板破壞發(fā)育深度和礦山壓力的影響，認(rèn)為切頂能有效切斷礦壓傳遞途徑，減小底板破裂危害[15]。薛衛(wèi)峰等構(gòu)建周期來壓時采場底板力學(xué)計算模型，認(rèn)為切頂沿空留巷開采底板破壞形態(tài)沿傾向方向與走向方向均為“勺形”[16]。研究進(jìn)展對于研究切頂沿空留巷底板破壞特征，掌握底板破壞規(guī)律提供一定基礎(chǔ)，但以往的研究實測數(shù)據(jù)偏少，依賴?yán)碚撚嬎闩c物理模擬對比分析切頂作用對底板破壞發(fā)育的影響，與實際情況有較大出入。對于切頂留設(shè)巷道兩側(cè)底板破壞發(fā)育特征及規(guī)律，切頂作用對底板破壞發(fā)育的影響研究較少。以澄合礦區(qū)董東煤礦50107工作面為研究對象，利用孔間電阻率成像法結(jié)合鉆孔窺視、壓水試驗對切頂沿空留巷底板破壞在傾向方向及垂向方向的發(fā)育規(guī)律進(jìn)行研究，對比分析切頂留設(shè)巷道兩側(cè)底板破壞發(fā)育規(guī)律的異同，厘定切頂作用對底板破壞發(fā)育的影響范圍。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

董東煤礦開采煤層為5號煤，50107工作面采高3.25 m，埋深約397 m，沿空留巷試驗段長度224 m（圖1）。在留巷段50107工作面?zhèn)认飵晚敳课恢梅謩e間隔50 cm呈一字線布設(shè)切頂鉆孔，鉆孔向工作面傾斜角度15°，垂深8 m。底板以石英砂巖、粉砂巖、石灰?guī)r為主，含水層為K2石灰?guī)r、奧陶系石灰?guī)r，K2石灰?guī)r含水層距底板約17 m，奧陶系石灰?guī)r含水層距底板約36 m，因兩含水層在局部存在導(dǎo)通，底板水害問題的實質(zhì)為奧灰水帶壓開采問題，承壓水壓力值為0.7 MPa左右（圖2）。

圖1 工作面開采布置Fig.1 Mining layout of working face

圖2 奧陶系石灰?guī)r上覆底板巖性Fig.2 Lithology of overlying floor of Ordovician limestone

2 底板破壞發(fā)育探查方法

探查方法以孔間電阻率成像法為主，輔助鉆孔窺視及壓水試驗驗證。在50107，50109工作面采空區(qū)底板分別布設(shè)探查鉆孔，兩鉆孔開孔位置分別靠近工作面間巷道各自巷幫底部，其中50107工作面?zhèn)茹@孔為7#鉆孔，50109工作面?zhèn)茹@孔為9#鉆孔（表1），鉆孔采取全段取芯，并進(jìn)行編錄，采用鉆孔窺視儀對2個鉆孔分別進(jìn)行全段窺視并進(jìn)行壓水試驗。在50107，50109兩工作面間巷道底板1 m深處提前埋設(shè)16道電極，電極距2 m，在7#鉆孔、9#鉆孔內(nèi)分別布設(shè)24道電極，電極距2.5 m。以7#鉆孔為坐標(biāo)原點（0，0，0），與巷道平行指向采空區(qū)方向為+x方向，垂直于巷道指向50109工作面為+y方向，z軸垂向下，建立直角坐標(biāo)系（圖3）。

表1 探查鉆孔方位參數(shù)

圖3 鉆孔及電極分布Fig.3 Borehole and electrode distribution

3 沿傾向方向底板破壞發(fā)育規(guī)律

孔間電阻率成像是在鉆孔中按一定間距設(shè)置源點，采用并行電法采集模式，依次作為激發(fā)源點，在地下產(chǎn)生相應(yīng)的穩(wěn)定電流場，基于每個測量電極測得的電位值，重構(gòu)電極測量區(qū)域內(nèi)介質(zhì)物理性質(zhì)差異的圖像，對探查區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件精細(xì)解釋。運用以上物探方法，孔內(nèi)電極更加靠近異常體，分辨率更高[17-19]。采用集中式并行電法測試系統(tǒng)進(jìn)行采集，采集數(shù)據(jù)通過反演之后主要集中在X軸30～55 m之間，Y軸-30～18 m之間，在底板下方8～10 m左右顯現(xiàn)低阻異常，靠近巷道部位發(fā)育較深，在部分層位低阻異常沿垂向發(fā)育至底板以下15 m左右，為底板裂隙充水導(dǎo)致。部分層位低阻異?？赡転槭茉严兜挠绊憽Ｑ貎A向方向巷道兩側(cè)不同距離底板破壞發(fā)育深度依據(jù)Z-X軸視電阻率斷面判定，依據(jù)判定結(jié)果，Y軸-30～-5 m間，破壞發(fā)育深度為8～9 m，Y軸5～18 m間，破壞發(fā)育深度為8～10 m，原點破壞發(fā)育深度為11 m（圖4）。

圖4 Z-X軸視電阻率斷面Fig.4 Z-X apparent resistivity section

以50107，50109工作面間巷道中線與ZK7鉆孔開孔位置沿傾向方向延伸線兩線相交點為坐標(biāo)原點，對電阻率成像法沿傾向方向探查底板破壞發(fā)育深度結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計，依據(jù)Z-X軸視電阻率斷面破壞發(fā)育深度結(jié)果繪制底板破壞發(fā)育深度變化圖（圖5），沿傾向方向距離坐標(biāo)原點距離偏向50107工作面為負(fù)，偏向50109工作面為正。50107工作面?zhèn)茸畲笃茐陌l(fā)育深度在距離坐標(biāo)原點-2 m處，即巷道邊部緊鄰50107采空區(qū)切頂線處，在-7 m處底板破壞發(fā)育深度由11 m下降為9 m，減小的趨勢非常顯著，隨后自-12 m處開始，底板破壞發(fā)育深度變化規(guī)律表現(xiàn)一致，均沒有顯著起伏，穩(wěn)定在8 m左右。50109工作面?zhèn)茸畲笃茐陌l(fā)育深度在巷道邊部50109采空區(qū)側(cè)，距離原點3 m處破壞發(fā)育深度為10 m，8 m處破壞發(fā)育深度為9.5 m，直到13 m處底板破壞發(fā)育深度逐漸保持在8 m左右（表2）。

圖5 巷道兩側(cè)底板破壞深度變化規(guī)律Fig.5 Change rule of floor failure depth on both sides of roadway

表2 沿傾向底板破壞發(fā)育深度

3.1 巷道兩側(cè)底板破壞發(fā)育規(guī)律的相同點

切頂側(cè)與未切頂側(cè)最大破壞發(fā)育深度均發(fā)生在巷道的邊緣，破壞發(fā)育深度均呈現(xiàn)由巷道邊緣向工作面中部逐漸變小直至穩(wěn)定的變化規(guī)律，最大破壞發(fā)育深度沿傾向方向的發(fā)育范圍較小，均在距巷道邊緣5 m范圍之內(nèi)，兩側(cè)工作面最終趨于穩(wěn)定的破壞深度均為8 m。

3.2 巷道兩側(cè)底板破壞發(fā)育規(guī)律的不同點

切頂側(cè)底板破壞發(fā)育最大深度位于巷道邊緣切頂線附近，為11 m，未切頂側(cè)底板破壞發(fā)育最大深度位于巷道邊緣1 m處，為10 m，切頂側(cè)大于未切頂側(cè)，但當(dāng)兩側(cè)破壞發(fā)育深度自最大處分別向各自一側(cè)較小處轉(zhuǎn)變過程中，切頂側(cè)轉(zhuǎn)變的較快，下降幅度也最為顯著，降幅在2 m左右，未切頂側(cè)在轉(zhuǎn)變過程中，下降幅度較為緩慢，降幅在0.5 m左右。切頂側(cè)底板破壞發(fā)育深度變化幅度大，最大差值3 m，未切頂側(cè)底板破壞發(fā)育深度變化幅度較小，最大差值2 m。排除巷道本身對底板破壞發(fā)育深度的影響，切頂側(cè)最大破壞發(fā)育深度為9 m，未切頂側(cè)為9.5 m，切頂側(cè)較未切頂側(cè)減小幅度在0.5 m。

切頂沿空留巷開采是在巷道靠近回采工作面一側(cè)對頂板進(jìn)行切縫卸壓，在一定程度上阻斷巷道兩側(cè)工作面頂板的應(yīng)力傳遞[20-22]，促使巷道及切頂側(cè)工作面適當(dāng)范圍內(nèi)的采動壓力進(jìn)一步減弱，采空區(qū)的重新壓實限制了底板垂向移動的自由空間，很好地抑制了底板破壞深度的進(jìn)一步發(fā)育。在近切頂線附近產(chǎn)生的底板破壞發(fā)育深度的增大，除因巷道自由空間的存在對底板變形破壞沒有加以約束外，還與切頂線附近擋矸支柱支承壓力的增大有關(guān)。

4 沿垂直方向底板破壞發(fā)育規(guī)律

工作面回采推進(jìn)過程中煤層底板各處都要經(jīng)過壓縮、膨脹和再壓縮作用的過程。底板巖層從壓縮狀態(tài)轉(zhuǎn)為膨脹狀態(tài)過程中，會產(chǎn)生底鼓，出現(xiàn)順巖層層理的斷裂。在支承壓力的作用下，從工作面煤壁到采空區(qū)一定距離和一定深度范圍內(nèi)的底板中出現(xiàn)水平拉應(yīng)力[23]；在壓縮區(qū)和膨脹區(qū)分界處的底板中出現(xiàn)剪應(yīng)力。拉應(yīng)力和剪應(yīng)力使底板出現(xiàn)一系列垂直于層面的斷裂。垂直斷裂與順層斷裂交叉，形成底板破壞帶[24]。在不同巖性間的層間裂隙局部發(fā)育，裂隙性質(zhì)為采動裂隙與原生裂隙，囿于鉆孔傾角僅為22°，鉆孔軌跡為近水平狀態(tài)，對于沿層間發(fā)育的裂隙揭露均不完整，且部分裂隙與垂直裂隙相交。采動裂隙發(fā)育至垂深8.5 m，在平面上距巷道邊緣距離為16.7 m，巖芯完整段由此垂深向下延伸至10.9 m，石英砂巖中裂隙發(fā)育，壓水試驗顯示底板壓水流量在8.7 m以上位置波動浮度較大，至19.8 m壓水流量均維持在較小的范圍內(nèi)且保持穩(wěn)定，由此可知裂隙形式均為非貫通裂隙，各裂隙間連通性較差。根據(jù)裂隙發(fā)育的形態(tài)，裂隙邊緣較為光滑，屬于采前底板的原生裂隙（圖6,圖7）。

圖6 垂直方向底板破壞發(fā)育特征Fig.6 Characteristics of floor failure in vertical direction

圖7 ZK7鉆孔壓水試驗結(jié)果Fig.7 Result of ZK7 borehole water pressure test

5 切頂作用對底板破壞發(fā)育的影響范圍

對50107工作面?zhèn)认鄳?yīng)層位底板破壞發(fā)育深度進(jìn)行了驗證，在距巷道邊緣鉆孔原點距離16.7 m處底板破壞發(fā)育深度為8.7 m，與孔間電阻率成像法在距離原點距離17 m處視電阻率斷面結(jié)果（破壞發(fā)育深度8.5 m）基本吻合。沿傾向方向破壞發(fā)育深度線與底板破壞曲線的交點分別在切頂側(cè)采空區(qū)離切頂線15～20 m處，未切頂側(cè)等破壞發(fā)育深度線與底板破壞曲線的交點在未切頂側(cè)采空區(qū)離切頂線8～13 m處，切頂作用對底板破壞發(fā)育的影響范圍，包含了巷道正下方及巷道兩側(cè)15 m范圍以內(nèi)底板?；趦晒ぷ髅婢幵跓o煤柱影響的開采背景，底板破壞發(fā)育所顯現(xiàn)的不同破壞特征均受控于切頂作用（圖8）。

圖8 切頂作用對底板破壞的影響范圍Fig.8 Influence range of roof cutting on floor failure

6 結(jié) 論

1）傾向方向破壞發(fā)育深度呈現(xiàn)由工作面邊緣向中部逐漸變小直至穩(wěn)定的變化規(guī)律；垂直方向自上而下整體裂隙以垂直裂隙為主，裂隙性質(zhì)為采動裂隙與原生裂隙，在不同巖性間的層間裂隙局部發(fā)育。

2）切頂作用對于巷道兩側(cè)底板破壞發(fā)育深度有顯著差別，切頂側(cè)采空區(qū)底板最大破壞發(fā)育深度較未切頂側(cè)有一定降低，切頂作用在一定程度降低了底板破壞發(fā)育深度。

3）頂板進(jìn)行切縫卸壓在一定程度上阻斷巷道兩側(cè)工作面頂板的應(yīng)力傳遞，促使巷道及切頂側(cè)工作面適當(dāng)范圍內(nèi)的采動壓力進(jìn)一步減弱，采空區(qū)的重新壓實限制了底板垂向移動的自由空間，很好地抑制了底板破壞深度。