底板水压力作用下底抽巷对底板岩层影响试验研究.pdf

73引用格Vol.55,No.8COAL ENGINEERING第55卷第8 期灰程煤doi:10.11799/ce202308014底板水压力作用下底抽巷对底板岩层影响试验研突李鹏1，王永涛，李见波3（1.内蒙古黄陶勒盖煤炭有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯017300;2.山东能源集团西北矿业有限公司，陕西西安710018;3.华北科技学院矿山安全学院，河北三河065201)摘要：为研究采动和承压水作用下底抽巷对底板岩层的变形与破坏的影响，基于能量守恒原理，通过传统室内相似模拟平台，分析底板水压力有效施加机制，并开展底抽巷影响下底板岩层变形与破坏相似试验。相似试验结果表明，底板岩体应力场在底抽巷道开挖阶段和工作面推采阶段分别受到两次明显扰动，巷道开挖和煤层开采后的空间提供了能量释放的通道，采动是应力场变化的重要因素，巷道对局部应力和周边位移影响明显。有底抽巷条件下底板破坏深度大于无底抽巷时情形，无底抽巷时各测线位移变化规律相近，表现为“凸”变形；存在底板巷道时，底抽巷下方的测线形态有变化且各测线的变形规律出现差异。底抽巷使得近水体处的岩体裂隙更发育，在底抽巷道附近尤其是破碎区域，需要采取相应加固措施针对性地减小底抽巷道对底板岩体隔水性能的影响。关键词：水压力；底抽巷；相似试验；限定变形；底板破坏中图分类号：TD322文献标识码：A文章编号：16 7 1-0 959(2 0 2 3)0 8-0 0 7 3-0 5Experiment on the influence of floor gas extraction roadwayon floor strata under water pressureLI Pengl,WANG Yongtao,LI Jianbo3(1.Inner Mongolia Huangtaolegai Coal Co.,Ltd.,Ordos 017300,China;2.Shandong Energy Group xibei Mining Co.,Ltd.,Xian 710018,China;3.School of Mine Safety,North China Institute of Science and Technology,Sanhe 065201,China)Abstract:In order to study the influence of coal seam floor roadway for gas extraction on the deformation and failure of floorrock under the action of mining and confined water,the effective application device of floor water pressure was analyzed,basedon the principle of energy conservation.The similar test of floor rock deformation and failure under the influence of floorextraction roadway was carried out.The results show that the stress field of floor rock mass is obviously disturbed twice,respectively in the excavation stage of the floor roadway and the mining stage of the working face.The goaf after the roadwayexcavation and coal seam mining provides a channel for energy release.Mining is an important factor for the change of the stressfield,and the floor roadway has an obvious impact on the local stress and the local surrounding displacement.The floor failuredepth under the condition of floor roadway is greater than that under the condition of no roadway extraction.The displacementchange rules of the monitoring lines are similar under the condition of no floor roadway extraction,which show“convexdeformation.However,the shape of the monitoring lines below the floor roadway is changed compared with the situation of floorroadway.The floor roadway makes the rock mass fracture near the water body more developed.In the vicinity of the floorroadway,especially in those broken areas,the corresponding reinforcement measures need to be taken to reduce the influenceof floor roadway on the water resistance of floor rock masses.Keywords:water pressure;floor gas extraction roadway;similar simulation test;limited deformation;floor failure收稿日期：2 0 2 2-10-2 0基金项目：国家自然科学基金项目（52 2 7 42 0 1，5150 40 95，5197 412 6）作者简介：李鹏（198 4一），男，山东济宁人，高级工程师，主要从事煤矿开采与管理方面工作，E-mail：36 0 7 7 2 8 2 。各式：李鹏，王永涛，李见波底板水压力作用下底抽巷对底板岩层影响试验研究J煤炭工程，2 0 2 3，55(8):73-77.742023年第8 期程炭煤生产技术矿井采动灾害一旦发生不可逆转，多以防为主。有些矿区不仅赋存有高瓦斯还受到深部承压水影响，需要解决瓦斯与底板水害防治双重难题，实践中底抽巷布置与保护底板岩体是一对矛盾。底抽巷的布置解决瓦斯问题，但也破坏底板岩层的完整，降低煤层底板岩层抗弯变形等力学性能，增加水害发生的可能性。开展工作面开采前后底抽巷对底板岩体位移和应力场影响研究很有必要。关于底抽巷的研究有很多，既有空间位置确定及优化支护方式等方面的研究，也有在底抽巷道中开展底抽巷钻孔设计及封孔深度的研究，研究手段包括理论研究和数值模拟等。底抽巷道布置多与工程实践相结合，如关于浅埋复合关键层工作面和高瓦斯突出煤层的底抽巷合理位置研究2.3，承压水体上布置底抽巷及其围岩破坏问题也是研究重点4文献5.6 针对巷道位置及优化进行分析，文献7,8 针对底抽巷围岩的稳定性、位移场以及支护方式问题开展了详细研究。另外，底板破坏深度是影响底抽巷布置的重要因素，关于底板破坏的研究有很多，如“下三带”理论9.10 和原位张裂与零位破坏理论11 等。受地质条件多变影响理论研究内容丰富，如专家学者们开展采动底板破坏深度与奥灰改造研究12 、采动底板破坏深度预测方法研究13、煤层底板破坏机理分析14 和采动对岩体孔隙-裂隙类型升降变化的影响等15。底抽巷道布置及位置选择方面有相关研究，但由于现场地质条件差别很大，底抽巷影响深部岩层变形机制的研究难度大。本文从现场实践问题出发，采用限定变形和水压力条件下相似模拟实验手段，开展底抽巷对底板岩层变形与破坏的影响进行研究。1工程概况研究区煤层底板赋存多层薄灰岩，岩性以砂岩和灰岩互层为主，裂隙较为发育，其岩层柱状图如图1所示。灰岩富水性强，水压高，补给水源充足。底抽巷道布置在煤层底板岩层中，巷道上方直接顶较为完整，以泥岩为主，遇水容易软化和膨胀。巷道下方直接底一般为隐晶质结构石灰岩，会有方解石脉充填。2试验设计2.1试验装置试验装置由承载框架、水压力模拟装置和位移-应力监测装置三部分构成，试验架的长宽为1600mm140mm，如图2 所示。其中，顶部可调高度限定顶板变形装置安放在试验台架上方，为试验架提供固定边界，施加给定限定变形。模拟岩层置放槽内底面铺放有承压弹簧组，为铺设方便且层面平整，在承压弹簧组上方铺设一柔性垫层，着重模拟开采导致的岩体能量释放时底板岩体的应力场和位移场变化情况。岩性厚度/m柱状砂岩9.9粉砂岩2.9煤层6.9炭质泥岩1.0粉砂岩9.6灰岩0.5粉砂岩2.5硅质砂岩0.8粉砂岩7.1灰岩7.5图1岩层柱状图限定变形装置模版，模拟岩层模板安装孔煤层承压框架承压弹簧组柔性垫层图2相似试验装置在底板巷道所在层位，按照15cm间距埋设9个压力传感器。应力监测采用动态应变仪，位移监测使用全站仪。其中，巷道位置周边岩层加密布置测点，巷道上方和下方均布置应力测点。位移测点采用10 cm5cm网格布置方法。位移与应力监测点布置与巷道位置如图3所示。2.2底抽巷条件下底板水压力作用机制模拟分析限定变形装置是水压力施加并有效发挥作用的关键部分，水压力模拟装置作用机制如图4所示。模型铺设完毕后，待岩层干透，模型顶部施加应力，然后固定试验架限定变形板，此时岩层和底部承压弹簧处于储能阶段。开挖过程中，随着采空区形成，形成自由边界，开采卸压，底部水压力实时释放能量，在水压力作用下围岩具有向上移动倾向。假设75灰2023年第8 期程煤生产技术团2江522监测点22125333354434巷道2414554535255636265747R72717(a)位移监测点5#监测点巷道2#4#3#(b)应力监测点图3岩层变形监测点布置和巷道周边应力监测点布置在整个模型能量守恒，上方岩体共同吸收下部水压力装置释放的能量。模型xoy平面坐标系中，岩层位移S是位置坐标（,y）的函数S（,y）。自由空间是能量释放的通道。从能量守恒角度，对于限定变形的半封闭模型，开采空间为能量释放提供了条件，开采空间范围越大，下方储能装置中能够释放能量就越多。当底抽巷存在时，发生能量释放的自由空间更大，提供了更多的能量释放空间，对底板岩层变形影响更大。限定变形装置煤层采空区中底抽巷SS承压弹簧组nk承载框架图4底板水压力模拟装置试验中，煤炭采出使弹簧组负重减少，其储存应力会释放，受力发生扰动。当模型顶部无限制时，由于采动，铺设模型中的岩体在承压弹簧组作用下顶板岩层会发生垂直向上的整体移动变形S，和底板岩层变形S2，记为变形函数S（)和S（）。进一步分析可将承压弹簧组释放的弹性能转化为四部分：顶板岩层向上的势能、底板岩层势能、巷道损失能量和底板岩体内部损伤内能。简记为：E=E（S,）+E(S,)+E(R)+E(D)。当限制模型顶部变形时，顶板岩层自由度减小，向上的势能E（S,)减小，采空区是应力释放的主要通道；假定顶板岩层刚度大，顶板变形限制理想，顶板岩层向上的势能为零。此时，能量释放转化过程可简化，主要分析底板岩层中的能量转换，E=E（S）+E(D），承压弹簧组释放弹性能转化为底板岩层势能和岩体的损伤能，当布置底抽巷时，巷道开挖后的空间也成为应力释放的通道。当底抽巷道存在时，还有一部分能量E(R)通过巷道空间释放。3底抽巷对岩层变形和破坏影响分析3.1围岩应力和位移分析3.1.1岩层位移变化分析将模型中同一高度的监测点设为一条测线，垂向上选择6 条测线，每条测线选择8 个测点进行分析，其中，底抽巷道位于测点2 3#、33#和2 4#、34#之间。采空区下方不同深度测线垂向相对位移变化如图5所示。模型开挖后位移发生变化，有底抽巷和无底抽巷两种条件相比，监测点的位移变化规律相似，然而有底抽巷时，位移呈现斜直线变化监测点更多，相对更剧烈。根据能量守恒，开挖后一部分能量转化为底板岩体的势能使得底板岩体有整体向上移动趋势1.61.41.21.00.80.60.4测线1测线2测线3测线40.2测线5测线6087654321测点(a)无底抽巷道1.61.41.21.00.80.6测线1测线20.4测线3测线40.2测线5测线60187654321测点(b)有底抽巷道图5采空区下方不同深度测线垂向相对位移变化曲线选取试验中煤层开挖50 m时岩层移动变形曲线762023年第8 期程炭生产技术煤进行统计分析。垂向上在煤层底板下方布置6 条测线，两种条件下各测线监测的垂向位移变化规律如图5所示。无底抽巷时，虽然各测线距离底板的距离不同，位移值大小不同，但变化规律相近，表现为“凸”变形。存在底板巷道时，各测线的变形规律出现差异。底抽巷下方的测线形态有变化但不大，底抽巷道周边位移变化较大。无底抽巷道时，开采区下方的底板岩体垂向最大相对位移约1.45cm；有底抽巷道时，开采区下方的底板岩体垂向最大相对位移约1.48 cm。底抽巷道周边的位移变化相对明显，特别是对于受到底板承压水威胁的矿井可根据需要采取如底板注浆加固和充填等措施进行加固。3.1.2底抽巷对底板岩体应力影响分析在煤层下方巷道层位按照15cm间距埋设9个传感器，巷道周边加密布置传感器，标记为1#一5。根据1#一5 监测点的监测结果，计算得到不同开挖阶段与应力关系曲线，如图6 所示。10r一测点1-测点2 测点33-测点4测点5842底抽巷IIIIIV开挖阶段图6底抽巷道影响下不同开挖阶段监测点应力变化1）煤炭采出后形成采空区，在地应力场作用下，底板岩体承受的原来的应力状态发生变化，会从三向应力状态变为双向或单向应力状态。有底抽巷道和无底抽巷道不同条件下，监测点的应力均有扰动变化，随着工作面推采应力总体上呈现降低趋势。岩层铺设过程中按照一定间距埋设应变片，上覆岩层重力作用下应变片有一定的初始变形，在模型开挖前进行校核。开挖时随着煤层采出，底板出现卸压区，应变片会发生变化。试验中，巷道开挖和煤层开采后的空间提供了能量释放的通道，当顶板岩层刚度大且顶板变形限制理想，模拟应力的承压弹簧组释放弹性能转化为底板岩体势能和底板岩体内部损伤能，当底抽巷道存在时，还有一部分能量E（R）通过巷道空间释放。2）受到底抽巷道施工和工作面推采的双重影响，底板岩体应力曲线有两次扰动特征；在底抽巷开挖阶段后，周边围岩中监测的应力有增高趋势，但巷道影响范围是有限的。然后随着工作面推进，监测应力会不断发生波动，整体有降低趋势。无底抽巷道时，应力曲线仅呈现一次扰动特征。2 测点与4#测点的应力变化曲线规律接近，3测点距离底板较远埋深大，与其他测点相比应力较高，5测点距离采空区距离近，其监测应力曲线值最低。3.2底抽巷对底板岩层变形破坏影响分析3.2.1底板破坏区相似试验分别模拟了有底抽巷和无底抽巷条件下的底板破坏深度情况。煤层开挖后形成采空区，采空区下方底板岩体发生破坏，具体破坏情况如图7所示，图中黑色斜线表示裂隙的发育方向。靠近底板的岩体以垂向张拉裂隙为主。开采方向跨落区裂隙区(a)无底抽巷条件开采方向跨落区3团6黎隙区11卫421273635343巷道138476454443424146S157666564616(b)底抽巷条件下图7煤层开采后底板破坏情况分析相似试验中，无底抽巷条件下底板破坏深度约11.3cm，在水压力扰动条件下有增大趋势。有底抽巷条件下，底板破坏区包括两部分，一是近邻巷道的破坏区域，在垂向上增加了破坏深度；二是距离巷道相对较远区域，虽然底抽巷对该区域底板破坏有影响但小于底抽巷近邻区域，破坏深度约15.2cm；其他条件相同有底抽巷条件下底板破坏最大深度值要大于无底抽巷时的值。试验也表明底板破坏深度发育具有滞后性，开采后经过一段时间，底板破坏发育充分至最大值。3.2.2裂隙导升区靠近承压水区域可能会有裂隙导升带。试验中，在开采扰动作用下，近邻承压水的岩层发生变化也形成类似裂隙导升带的区域，两种条件下近邻承压水附近的裂隙破坏情况如图8 所示。在水平方向，77张宝优）（责任编辑2023年第8 期程炭生产技术煤两种条件下近水体底板岩体的裂隙发育有所区别。无底抽巷条件下，裂隙带横向发育范围宽度约24.5cm，垂向上约12 cm。有底抽巷时，裂隙带更加破碎，说明受到应力扰动更强烈，横向发育宽度约36 cm，垂向上约11.8 cm。巷道近水体扰动区近水体扰动区承压弹簧承压弹簧(a)无底抽巷(b)有底抽巷图8采动后模拟扰动水体附近岩体发育裂隙试验发现两种条件下大部分区域的底板破坏深度相近。底抽巷条件下，出现了深部岩层扰动区，局部破坏深度增加，远离底抽巷的区域受到扰动相对较小。相似试验的优势是可控，试验中通过承压弹簧组可以模拟扰动，在反复扰动作用下，底板岩体的破坏会有继续发育的趋势。另外，试验完成后静置一段时间，底板岩体的位移仍有变化。这些现象表明在矿井持续采动影响和岩石变效应作用下底板岩体仍会发生变形。尤其是一些破碎区域应该特别注意，可以采取相应加固措施针对性地减小底抽巷道对底板岩体破坏的影响。4结论1）分析底板水压力有效施加机制并开展相似试验研究，基于能量守恒阐述了底抽巷对能量释放和底板岩体破坏的影响。巷道开挖和煤层开采后的空间提供了能量释放的通道，当顶板岩层刚度大且顶板变形限制理想，模拟应力的承压弹簧组释放弹性能转化为底板岩体势能和内部损伤能，当底抽巷道存在时，还有一部分能量E（R）通过巷道空间释放。2）底板岩体应力场在底抽巷道开挖阶段和工作面推采阶段分别受到两次明显扰动，底抽巷使得近水体处的岩体裂隙更为发育。试验观测得到无底抽巷道时采空区垂向下方底板岩体最大相对位移约1.45cm，而有底抽巷道时采空区垂向下方底板岩体垂向最大相对位移约1.48 cm。底抽巷道影响底板岩层的变形与破坏，在底抽巷道附近尤其是破碎区域，需要采取相应加固措施针对性地减小底抽巷道对底板岩体破坏的影响。参考文献：1程志恒底抽巷穿层钻孔封孔深度与布孔间距优化研究J煤炭科学技术，2 0 17，45(2)：7 6-8 2.2刘志伟，张帅。高瓦斯突出煤层底抽巷合理布置研究J煤炭科学技术，2 0 18，46（10)：155-16 0.3蒋先统浅埋复合关键层工作面底抽巷布置研究J煤炭技术，2 0 17，36(12)：53-56.4李永恩深部承压水上底抽巷围岩破坏规律及合理位置【D 北京：中国矿业大学（北京），2 0 18.5李林博。基于巷道稳定性和防突效果的底抽巷位置优化研究D.焦作：河南理工大学，2 0 14.6南华，李明，关西彬突出煤层底抽巷位置优化研究J.河南理工大学学报（自然科学版），2 0 15，34（4）：46 3-46 7.7高明中，黄殿武底板软岩动压巷道围岩应力分布的数值分析J安徽理工大学学报，2 0 0 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