煤矿对拉工作面底板采动破坏深度现场测试研究_李准.pdf

2023 年 2 月Feb.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.01.020煤矿对拉工作面底板采动破坏深度现场测试研究李准1，张胜军2，姜春露3，朱术云4（1.安徽惠洲地质安全研究院股份有限公司，安徽 合肥 231202；2.河南能源化工集团永煤公司，河南 商丘 476600；3.安徽大学资源与环境工程学院，安徽 合肥 230601；4.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116）摘要 以某煤矿 21105 对拉工作面为背景，综合采用应变和应力传感器现场测试方法研究了底板破坏深度。现场测试应变传感器数据表明，底板垂深 2227 m 以浅应变感应信号高度离散，波动强烈，岩层塑性变形剧烈；27 m 以下传感器应变幅度变化较平缓，底板相应深度部位以弹性变形为主。应力测试结果表明，采动过程中测点位置处受矿山压力影响相对较小，没有发生较大变形，不会引起该处岩体发生破坏。综合现场应变和应力测试结果，21105 对拉工作面底板破坏深度约为 27 m。研究结果可为该条件下的底板突水危险性评价提供依据。关键词 对拉工作面；煤层底板；破坏深度；应变测试；附加应力中图分类号TD323文献标识码B文章编号1672-9943（2023）01-0065-030引言煤层底板采动破坏研究是带压开采底板突水危险性评价的重要依据，关键问题是如何确定采动破坏深度1。获取底板破坏深度的方法主要有现场测试、数值模拟、经验公式、模型预测等。其中，现场测试可以获得一定条件下的底板采动破坏深度较为准确的数据2。为了获得煤层开采后底板岩体采动破坏深度，自 20 世纪 70 年代开始，我国许多煤矿区开展了底板岩体受采动影响前后的现场观测工作，积累了大量的观测数据，为研究底板采动破坏规律提供了丰富的第一手资料。在此基础上，相关研究人员通过统计分析，建立了煤层底板破坏深度的相关经验公式，并被写入规范。近年来，随着煤炭开采的发展以及技术的进步，各类复杂地质条件、不同采煤工艺技术均在煤矿开采中时有出现，如特厚煤层综放开采、倾斜特厚煤层综放开采、孤岛工作面开采、大采高超长工作面开采等3。由于这些开采条件下的底板采动破坏深度采用力学理论公式解析计算的难度大，以往建立的经验公式已不再适用4。基于此，本文以某煤矿 21105 工作面为背景，综合采用应变和应力传感器进行底板破坏深度现场测试，研究对拉工作面底板采动破坏特征，确定底板采动破坏深度，为该条件下的底板突水危险性评价提供依据。1工作面概况研究煤矿位于河南省永城矿区，矿井采用立井多水平开拓，主采二叠系山西组二2煤，采用综采方式。21105 工作面位于矿井二水平十一采区，地面标高+31.9+32.5 m，平均+32.2 m；工作面标高-738.3-828.2 m，平均标高-783.3 m。该工作面为对拉开采工作面，上段走向长约 1 461 m，下段走向长约 1 116 m，倾向长约 356 m。21105 综采对拉工作面整体呈一单斜构造。根据工作面采掘揭露情况和钻孔综合柱状资料，工作面煤层直接顶板为深灰色泥岩，中厚层状，厚度 0.207.53 m，平均厚度3.53 m，泥质结构；老顶为中细粒浅灰色砂岩，薄层状，厚度 1.3614.25 m，平均厚度 5.46 m，主要成分为石英、长石及少量云母，泥质胶结；直接底为深灰色泥岩，薄层状，厚度 0.204.32 m，平均厚度2.16 m；老底为灰色细粒砂岩，薄层状，厚度 3.4022.05 m，平均厚度 11.32 m。2现场测试根据 21105 综采工作面回采地质资料，结合工作面推进速度，选定在该面最下部的皮带顺槽1105P14 测点附近进行钻孔并布设传感器，以期定量判别采动对底板变形破坏的影响程度5。钻孔内设置 4 个 KBJ-12 型应变传感器和 1 个ZLGH 型振弦式应力传感器。自上而下传感器位置对应层位分别为粉砂岩、细粒砂岩及砂质泥岩；自下而上依次为测点 1、测点 2、测点 3、测点 4 及测点5，其中测点 2 为应力传感器，其余为应变传感器。底板测试传感器布置如图 1 所示。钻孔深 56 m，控制底板最大深度 32 m。能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.1652023 年 2 月Feb.,2023李准，等煤矿对拉工作面底板采动破坏深度现场测试研究3测试结果分析3.1应变测试结果测孔各测点应变传感器在工作面推进过程中的应变感应变化特点如图 2 所示。由图 2 分析可知，底板不同垂深位置测点在工作面推进过程的应变感应特点表现出较明显的差异。图 1底板测试传感器布置（a）测点 5（底板下垂深 18 m）（b）测点 4（底板下垂深 22 m）（c）测点 3（底板下垂深 27 m）（d）测点 1（底板下垂深 32 m）图 2工作面推进过程测孔各测点应变感应变化特点测点 5（底板下垂深 18m位置）在工作面推进至距测点约为 47 m位置即开始显现出了明显的应变感应，之后在工作面推进过程中，其应变感应一直比较强烈，应变感应增量变化幅度达 15 779，直至工作面推进至距离测点 5.7 m 位置，测点传感器 8个通道的应变感应信号输出全部中断。分析推断可岩性柱状21105 工作面下巷层厚/m 累厚/m泥岩2.162.16粉砂岩7.1720.65细砂岩11.3213.48细砂岩2.4023.05砂质泥岩20.3543.40测点 5测点 4测点 3测点 2测点 1岩层视倾角630通道 1 和 5 平均值通道 2 和 6 平均值通道 3 和 7 平均值通道 4 和 8 平均值通道 1 和 5 平均值通道 2 和 6 平均值通道 3 和 7 平均值通道 4 和 8 平均值通道 1 和 5 平均值通道 2 和 6 平均值通道 3 和 7 平均值通道 4 和 8 平均值通道 1 和 5 平均值通道 2 和 6 平均值通道 3 和 7 平均值通道 4 和 8 平均值应变增量/应变增量/应变增量/18 00015 00012 0009 0006 0003 0000-3 000-6 000-9 000-12 000-15 000-18 000工作面与钻孔距离/m20 00015 00010 0005 0000-5 000-10 000-15 000-20 00012 00010 0008 0006 0004 0002 0000-2 000-4 000-6 000-8 000-10 000-12 000工作面与钻孔距离/m1 0008006004002000-200-400-600-800-1 000应变增量/工作面与钻孔距离/m101520253035404550556005工作面与钻孔距离/m-60-50-40-30-20-101020304050600-60-50-40-30-20-101020304050600-30-25-20-15-10-510 15 20 25 30 35 40 45 50 55 6005662023 年 2 月Feb.,2023能是因为测点位置受矿压剧烈扰动作用，并由此导致传感器受损所致。测点 4（底板垂深 22 m 位置）在工作面超前推进过程的应变感应程度相对较弱，在工作面推进至距测点约为 42 m位置即开始显现出了明显的应变感应。但在工作面推过测试钻孔后应该感应程度急剧增加，超前应变感应增量变化幅度达 12 023，之后在工作面推进过程，该测点的应变感应一直比较强烈，应变感应增量变化幅度达 14 693，直至工作面推过测点 27 m位置，该测点传感器 8 个通道的应变感应信号输出全部中断。分析推断可能是因为测点位置受矿压剧烈扰动作用，并由此导致传感器受损所致。与测点 5 和测点 4 的情况相比，测点 3（底板垂深 27 m 位置）和测点 1（底板垂深 32 m 位置）在工作面推进过程的应变感应程度相对较弱，不但超前感应距相对较小（均在 38 m 以内），而且采动过程中底板应变传感器监测数据变化幅度比较平缓，特别是底板垂深 32 m位置处应变感应增量。3.2应力测试结果工作面回采过程中，底板下垂深 30 m 位置处附加应力随工作面推进过程的变化关系如图 3 所示。图 3垂深 30 m（测点 2）附加应力变化情况由图 3 分析可知，测点附加应力总体上仍呈先增大然后逐渐减小的变化规律。附加应力随着工作面的推进逐渐增加到最大值 14 MPa，这时工作面距离钻孔距离约 9.4 m，接着呈一定波动性变化规律下降。分析认为，整个采动过程中煤层底板 30 m位置处经历了采前应力集中、采后卸压和应力恢复3 个变化阶段。根据工作面地质条件估算，该应力传感器埋深约 840 m，按照上覆荷载正常 0.025 MPa/m进行估算，则该处正常情况下竖直应力约为 21 MPa，若再考虑应力集中系数，则附加应力应该远大于21 MPa。但实际测试的附加应力最大值仅为14 MPa。由此可见，整个采动过程中该位置受矿山压力影响相对较小，没有发生较大变形，不会引起该处岩体的破坏。这也验证了测试孔中 4 个应变感应数据所反应的变形破坏深度止于 27 m 的实测结果。3.3底板采动矿压显现特点从采动底板应变感应过程看，各测点感应的剧烈采动影响及弹性冲击波的差异性明显，如图 4 所示。以测点 3（底板垂深 27 m）应变感应特点进行分析，整个测试过程中基本监测到了采动矿压对底板的影响程度和范围，可分为弹性波及、剧烈扰动和卸压延续效应 3 个阶段。特别是剧烈扰动阶段，又可分为采前聚压和采后卸压 2 个子阶段。图 4垂深 27 m（测点 3）应变监测矿压采动分区范围底板 4 个应变传感器均在一定程度上反映了采动矿压对底板的影响，呈现出比较相似的变化规律。浅部测点（测点 5 和测点 4）应变感应显现较大幅度的间歇性波动，距离测点位置一定的超前和滞后距离就因严重破坏而导致各通道全部没有读数，表明采动集中荷载对底板的剧烈扰动影响已剧烈显现。特别是工作面推过测孔一定距离后，底板钻孔内各个应变传感器反应更加明显。在剧烈扰动范围内采后卸压扰动明显均比采前聚压扰动范围大，而且采后应变增量值也比采前高。完整底板浅部测点 5 和测点 4 的采动矿压超前感应范围大致在 4247 m，深部测点 3 和测点 1 对应的采动矿压超前感应范围分别在 38 m 和 37 m。工作面推进测试钻孔后，底板应变传感器数据变化反映出 21105 工作面采后底板矿压的延续影响范围较大，工作面推过测试钻孔约 37 m内各应力应变传感器监测到较大的底板应力应变（下转第 77 页）工作面与钻孔距离/m剧烈扰动范围弹性波及范围卸压延续效应采后卸压扰动采前聚压扰动底板采动矿压影响范围采后影响12 50010 0007 5005 0002 5000-2 500-5 000-7 500-10 000-12 500采前影响-60-50-40-30-20-101020304050600附加应力/MPa工作面与钻孔距离/m1614121086420-60-50-40-30-20-101020304050600能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.1672023 年 2 月Feb.,2023（上接第 67 页）变化，应变感应范围为 3237 m，如表 1 所示。表 1采动矿压“超前”“滞后”感应距数据汇总3.4底板采动破坏深度综合分析由于采动过程中矿山压力具有水平分区特征，对拉工作面底板变形形式和扰动程度在水平方向上具有明显差异，据此可以将矿山压力影响范围分为弹性影响区和剧烈扰动区 2 个部分。其中剧烈扰动包括采前聚压扰动和采后卸压扰动 2 种不同的力学机制。对拉工作面底板采动变形破坏在垂直方向具有明显的分带特征。综合底板不同深度应变传感器变化幅度及附加应力变化特点，底板采动扰动范围由浅及深可以大致分为采动破坏带和塑性扰动带6。根据底板不同深度测点应变传感器变化幅度对比，结合附加应力测试结果，可以确定 21105工作面二2煤层底板采动破坏带深度约 27 m。4结论通过对煤层底板不同深度应力应变传感器的测试，研究发现煤矿对拉工作面底板采动破坏浅部剧烈，以塑性破坏为主，深部以弹性变形为主。综合传感器应变幅度、附加应力变化特征，判断 21105对拉工作面底板破坏深度约为 27 m。参考文献1武强，赵苏启，李竞生，等.煤矿防治水规定 编制背景与要点 J.煤炭学报，2011，36（1）：70-74.2 朱术云，鞠远江，赵振中，等.超化煤矿“三软”煤层采动底板变形破坏的实测研究 J.岩土工程学报，2009，31（4）：639-642.3 周杨.大采高超长工作面底板破坏深度数值模拟分析 J.煤矿安全，2019，50（6）：245-250.4 施龙青，徐东晶，邱梅，等.采场底板破坏深度计算公式的改进 J.煤炭学报，2013，38（增刊 2）：299-303.5 朱术云，曹丁涛，岳尊彩，等.特厚煤层综放采动底板变形破坏规律的综合实测 J.岩土工程学报，2012，34（10）：1931-1938.6 张蕊，姜振泉，于宗仁，等.煤层底板采动破坏特征综合测试及数值模拟研究 J.采矿与安全工程学报，2013，30（4）：531-537.作者简介李准（1986-），男，工程师，毕业于中国矿业大学水文与水资源工程专业，主要从事矿井防治水与物探工作。收稿日期：2022-07-06测点编号底板垂深/m采动底板应变感应特征超前距/m滞后距/m感应范围/m测点 51847-测点 42242-测点 327383775测点 132373269理的。工后质量检测结实体强度较高，满足国家规范和设计要求，充填效果良好。使用风积沙可以显著地降低采空区治理成本，经济效益显著，同时可以减少对环境的破坏。5进一步研究的建议通过以上试验和理论分析可知，在采空区治理中使用风积沙作为充填材料不仅是可行的，而且具有很好的经济效益和社会效益。今后可以从以下几个方面进一步研究。（1）对风积沙在采空区治理中的施工方法（充填方法）需要进一步研究，对水泥-粉煤灰浆液的配比、风积沙的掺入量与掺入方式等仍需进行研究，以找到更好的施工工艺。（2）对风积沙在采空区治理项目中的使用进行跟踪观察和研究，分析风积沙在采空区治理中的使用效果。（3）本文主要是针对神木市某项目场地内风积沙工程特性进行的研究，对于风积沙在采空区治理中的应用还需要不断地进行探索。参考文献1李志农，金昌宇，陈杰，等.风积沙工程特性及工程实践研究 M .上海：上海科学技术出版社，2018.2化建新，郑建国，王笃礼，等.工程地质手册：第 5 版 M .北京：中国建筑工业出版社，2018.3任仓钰.风积砂工程地质特征 J.岩土工程技术，2002（3）：156-157.4宋焱勋，彭建兵，王治军，等.毛乌素沙漠风积砂力学特性室内试验研究 J.工程地质学报，2010，18（6）：894-899.5中煤科工集团西安研究院有限公司.陕西煤业化工集团孙家岔龙华矿业有限公司 301 盘区采空区充填注浆治理工程工后质量检测报告 R.西安：中煤科工集团西安研究院有限公司，2021.作者简介陈益民（1969-），男，高级工程师，毕业于中国矿业大学水文地质和工程地质专业，长期从事岩土工程勘察以及地质灾害勘查、设计和治理工作。收稿日期：2022-08-16能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.177