采区带压开采底板破坏规律分析及防突涌研究.docx

? ? 采区带压开采底板破坏规律分析及防突涌研究 ? ? 冯 宁 （山西省长治经坊煤业有限公司，山西 长治 047100） 1 引言 山西省长治经坊煤业有限公司八采区主采煤层为3号煤。3号煤层最低底板标高比井田内奥灰水位高156.3m左右，加之井田内岩溶发育段埋藏较深，溶蚀发育较好，在构造部位极容易与其他含水层发生水力联系。2018年4月20日，八采区3-7081工作面3号煤正常开采时遇到从井田西南角向中部延伸的F10正断层，断层走向北东，倾向北西，倾角75°，落差为20m。含水层与正断层发生水力联系，底板的裂缝发育明显，底板岩层由于应力的重新分布破坏严重，底板破断失稳危险性较大，易发生突涌现象。由于断层影响，导致工作面正常回采变为带压开采。为保证工作面安全生产，避免突涌现象发生，采煤工作面暂停施工，对此工作面带压开采时底板应力重新分布后的受力规律进行研究，制定防突涌措施。 2 工程背景 经坊煤矿八采区地形最高点为井田东部杨头岭，标高+1044.5m，最低点位于西部大沟村西淘清河河谷，标高+920m，相对高差124.5m。F10正断层将采区分为两部分，现开采的3-7081工作面位于断层左翼部分，3-7081工作面所掘煤层为沁水煤田3#煤层，为二叠系下统山西组，煤层平均厚度6.25m，倾角1°～ 3°。 3 相似模拟试验 本次相似模拟试验以3-7081工作面所在的断层左翼的煤岩层性质建立模型，煤岩层分布柱状如图1所示。 3.1 相似模拟试验材料及模型搭设 3.1.1 试验材料 根据工程所处岩层情况及赋存条件对相关数据进行修正后选择合理的试验材料配比。试验材料主要包括四种类型：骨料、胶结材料、隔水材料以及一定量的缓凝剂。骨料主要包括河砂、石子、水泥、滑石粉等，胶结材料用石膏和碳酸钙，红胶泥用做隔水材料，材料配制过程中掺入一定量的硼砂作为缓凝剂。相似模拟材料配比如表1所示。试验前制作Φ50×100的试件进行抗压强度检测，强度符合要求后进行模型架体搭设。 图1 煤岩层分布柱状图 3.1.2 相似模拟模型搭设 本次试验采用外形尺寸为3m×2m×2m（长×宽×高）的固-流耦合试验台进行模拟。此试验台可实现三维模拟，并且对不同含水层的变化规律进行研究，轴向最大加载力为1200t，可由6个150t油缸实现。本次试验分别模拟长度为60m、80m、100m的三个工作面，相似比设定为1:100。 3.2 试验方案及结果分析 3.2.1 试验方案设计 通过在煤层顶、底板埋设压力及水压传感器对顶板和底板的应力及水位变化规律进行研究。压力传感器埋设在距离工作面底板10m、20m、30m三个不同深度的不同方位，每个深度埋设20个传感器，共60个，对底板应力的变化规律进行研究。压力传感器的布置如图2所示。通过在底板含水层预埋铜管，然后用软管与铜管连接引出，测量软管内的水位变化即可测量底板水位的变化。含水层的水位可通过稳压装置来保持。本次试验选择的时间相似比为Ct=1:10，采煤速度按平均每天推进6.4m进行模拟。 图2 煤层底板压力传感器布置图 3.2.2 相似模拟试验结果分析 通过对3-7081工作面不同位置测点的应力变化进行整理、分析，得出带压开采工作面的变化规律。此处选择有代表性的两处测点2#和5#进行分析，其中2#点和5#点分别距切眼20m、140m，到煤柱的距离分别为20m和50m。如图3为2#、2′#、2″#（不同层位2#点编号）点应力在开采过程的变化曲线，图4为5#、5′#、5″#（不同层位5#点编号）点开采过程中应力的变化曲线。 图3 2#、2′#、2′# 点开采过程的应力变化曲线 由图3和图4可看出，此条件下，原岩应力为14MPa。当工作面推进到测点前后均为5m左右时，应力值开始大于原岩应力，当推进至距离测点大于5m时，应力值又突然减小，此时底板已发生破坏，随着顶板周期性垮落，应力值也随之发生周期性的增减。 对比图3和图4可看出，距离切眼近的2#点应力值最大可达到19MPa，集中程度比较大，恢复程度比较低，距离切眼远的点应力可逐渐恢复至原岩应力。其原因为受顶板垮落影响，距离切眼较远处，顶板垮落严重，垮落后的岩石作用于底板上，有利于底板的稳定。由此可见，距离煤柱20m处为底板力学特性最薄弱的区域，也是防突涌的关键区域，应该引起足够重视。 图4 5#、5′#、5′# 点开采过程的应力变化曲线 各层位5#点底板应力随时间变化曲线如图5所示。由图5可看出，底板应力一直处于动态变化，距离煤层底板底面距离越大，波动的幅度越大。引起这种变化的原因是底板承压水的影响，随着开采工作的进行，底板连续性受到采动影响，各含水层间水力传动变化导致水压发生持续变化，从而造成对底板应力的波动。 图5 底板应力随时间变化曲线 4 数值模拟 为进一步研究底板含水层水