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晋城矿区胡底煤矿 1311 工作面底板破坏规律研究万 菲 飞（山西晋煤集团沁水胡底煤业有限公司，山西 晋城 048021）摘要：胡底煤矿 3 号煤层采动过程中受煤层底板水害威胁较为严重，通过数值模拟得到底板破坏带发育最大深度为 28.85 m，采空区上方以剪切破坏为主，下部以拉伸破坏为主；在 1311 工作面 13112巷道施工监测钻孔，布设电法观测系统，连续测试岩层电性参数对岩层变形与破坏特征的响应，综合判断底板裂隙发育或岩层破坏的最大深度为 29 m。关键词：底板破坏；数值模拟；电法勘探；钻孔设计；胡底煤矿中图分类号：TD74文献标志码：A文章编号：1009-0797（2023）05-0038-05Identification of damage depth of floor strata in 1309 working face of Hudi coal mineWAN Feifei（048021,）Abstract:The 3#coal seam of Hudi coal mine is seriously threatened by the water damage of the coal seam floor during the mining process.Through numerical simulation,the maximum depth of the floor failure zone is 28.85 m.The upper part of the goaf is mainly shear failure,andthe lower part is mainly tensile failure.Monitoring boreholes were constructed in 13112 roadway of 1311 working face,and electricalobservation system was set up to continuously test the response of rock electrical parameters to rock deformation and failure characteristics.The maximum depth of floor fracture development or rock failure was 29 m.Key words:floor damage；numerical simulation；electrical prospecting；drilling design；hudi coal mine0引言煤层开采过程中及其开采后底板岩层发生位移、变形，巷道及围岩应力场分布发生改变，以致产生裂隙沟通下部含水层，对煤矿安全生产带来隐患，所以在煤层开采过程中底板岩层变形破坏规律及深度监测是防治水工作的关键问题。本研究采用理论分析、现场原位测试等技术，针对 1311 工作面开采过程中底板变形进行监测研究，以期获取其破坏深度规律及各类技术参数，该工作面开采水害防治、瓦斯管理提供依据，促进煤矿安全生产，具有重要的生产实践意义。1胡底煤矿 1311 工作面概况1311 工作面开采 3 号煤层，工作面斜长 210 m，走向长度 750 m，煤层整体走向呈 ES，倾向 WN。煤层厚度为 5.066.09 m，平均厚度为 5.63 m，结构简单，倾角为 24，平均埋深 750 m。煤层黑灰黑色，似金属光泽，条带状结构，贝壳状、参差状断口，层状构造，条痕为灰黑色，内生裂隙较发育，性脆易碎，以亮煤、镜煤为主，宏观煤岩类型为半亮光亮型，煤层稳定。顶底板岩层岩性以砂质泥岩、粉砂岩及细砂岩等为主，顶底板结构见表 1。1309 底抽巷、1311 底抽巷巷道掘进过程中揭露多个小断层，均为正断层，落差在 0.10.5 m 之间，对 1311 工作面无影响。表 1煤层顶底板岩性特征情况表1311 工作面处于奥陶系碳酸盐裂隙水承压范围，水头标高约+565 m，回采工作面最低标高约+169 m，综合煤矿勘查资料，1311 工作面底板据奥灰水含水层顶面约 100 m，太原组煤系地层中砂质泥岩及泥岩作为主要隔水层，阻断奥灰水与工作面之间的水力联系。煤系底部本溪组的泥岩及铝土质泥岩结构致密，是工作面回采煤层至奥陶系碳酸盐岩之间的重要隔水层。2底板破坏带发育模拟研究2.1模型构建与边界条件限定利用美国 ITASCA 公司开发的仿真计算软件FLAC3D，结合钻孔资料，构建了 1311 工作面数值模拟的本构模型，在建立模型时，由于地层倾角接近水平，因此，不考虑其实际影响而构建水平模型。模型尺寸为：工作面走向长度 400 m，倾向长度 400 m，2023 年第 5 期煤矿现代化第 32 卷名称厚度（m）岩性特征（裂隙发育情况）老顶2.00灰色细砂岩，局部夹杂薄层泥岩。直接顶12.00深灰色砂质泥岩，半坚硬，较致密。伪顶0.20黑色，炭质泥岩，随采掘脱落。直接底1.52深灰色砂质泥岩，半坚硬，较致密。老底1.31灰色细粒杂砂岩，坚硬，致密。38埋深取 125 m，沿煤层走向回采，即模型尺寸为：400 m400 m125 m，煤层底板岩层厚度取 40 m，单元类型为 M-C 模型。根据钻孔中岩性分类将性质相同类型的归为一组，模型岩性共设计 23 层。结构模型见图 1 所示。图 1数值模型构建根据 1311 工作面的揭露的地层、岩性及岩石物理力学参数，在构建的数值模型中设计开挖的简易回采模型，定义回采工作面尺寸为 400 m，回采长度为 240 m。为了消除边界效应在模拟过程中的影响，沿结构模型走向回采方向的两端各自留设 80 m 的保护煤柱，在倾向方向各自留设 65 m 的保护煤柱。为进一步对边界进行约束，沿模拟模型两端的 X 方向限制水平位移在 0400 m 之间；对底部封闭式约束，全约束 Z 方向的位移。在 Z=125 m 平面施加均匀应力荷载，依据原始地应力数据、实际岩层厚度换算覆岩自重应力，遵循等效荷载施加到模型上部岩层。模拟时将顶板、煤层及底板岩性相近的岩层合并为23 层，目的是为了方便运算。2.2回采方案在模型走向回采方向的两端各自留设 80 m 的边界煤柱，在倾向两端留设 65 m 的保护煤柱，工作面回采进度为每天推进 20 m，单次回采模拟运算完毕后，对结果进行保存。在进行下一次模拟运算前，将已经回采的煤层回填，一共进行 20 次回采模拟运算。2.3模拟结果模拟过程中，定义走向剖面为 A-A 剖面，每次回采模拟运算中采空区的顶板采用全部垮落法来处理，模拟的回采进度为 20 m 每次，根据煤层回采进度，提取不同推进距离模拟运算后的垂直应力场云图（图 2（a）、塑性区破坏（图 2（b）进行综合分析。随着工作面回采不断地推进，采空区顶底板垂直应力持续释放，在工作面采空区两端及部分地段应力集聚而突变。随着工作面回采推进，最大主应力不断增大，而且在工作面采空区两侧应力集聚现象显著。采空区覆岩和底板岩层的泄压范围持续增大，随着回采推进，在采空区顶板覆岩和底板呈现显著的拱形泄压区（图 2（a），随着工作面回采推进，煤壁和工作面两侧围岩形成拱形应力承载结构，泄压拱半径加大，工作面回采后的采空区覆岩应力分布呈“马鞍形”。随着工作面回采的推进采空区顶、底板遭受破坏，煤层上覆及下伏岩层塑性变形区范围逐渐扩大，但是顶板覆岩破坏高度和底板破坏深度将在此过程中达到最大，随着回采工作进行围岩塑性变形区不断地向前扩展。经过计算得到底板破坏带发育最深深度达到 28.85 m（图 2（b），采空区上方以剪切破坏为主，下部拉伸破坏为主。（a）沿 A-A 剖面垂直应力分布云图（b）沿 A-A 剖面塑性区分布云图图 2回采 240 m 沿 A-A 剖面的垂直应力与塑性区分布云图3钻孔电法监测底板破坏深度3.1钻孔设计与施工在 13112 巷岩层中施工前探钻孔（见图 3），布设电法观测系统，通过连续测试岩层电性参数对岩层变形与破坏特征进行对比分析。观测站布置在13112 巷距离切眼 160 m 位置处。合理布置钻孔内各个电极，钻孔中总共布置 48个电极，电极间距为 2 m，1 号电极在下，48 号电极在上，1 号电极位于终孔位置，监测控制区域为 3 煤和钻孔所构成的三角形区域，主要用于观测煤层底2023 年第 5 期煤矿现代化第 32 卷39板破坏带深度，1 号观测孔实际控制范围为平距延煤层走向距离约 92 m（沿工作面走向平距 80 m），控制垂深为 40 m（图 4），2 号观测孔控制范围为沿工作面走向平距 70 m。煤矿地测科技术人员在现场放孔后，沿着内帮指向切眼开孔。电法监测钻孔开孔孔径 108 mm，终孔孔径为 80 mm。钻孔施工过程中，在开孔后约 5 m 处钻进与注浆，以便安装孔口套管，再次待钻进终孔后，在传感器安装调试后进行全孔注浆。光纤传感器、电缆传感器、注浆管安装后，使用矿用聚氨酯封孔剂。2023 年第 5 期煤矿现代化第 32 卷图 3观测站平面位置图图 4监测钻孔布置垂直剖面图3.2电法监测底板破坏规律电极在现场安装调试完成后，第一按顺序接好2 个孔中电极连接线，无穷远极 B 极与 N 极等必须的电极电位参考点需提前布置好。在 2 个钻孔中注入的水泥固结后，逐步测量背景电阻值。在煤层开采过程中，当顶板岩层视电阻率值为背景值的 3 倍时，可判断为煤层顶板导水裂隙带，即当岩层的视电阻率值为背景视电阻率的 3 倍时，可划分为底板破坏发育带。1311 工作面回采过程中引起顶、底板岩层不同时空关联内的变化，利用 13112 巷监测钻孔观测该变化范围及其时空变化规律，为煤矿安全开发利用提供依据。整个现场数据采集任务从 2022 年 9 月17 日至 2022 年 11 月 21 日完成的，有效数据共 40组，分别采集于 1、2 号钻孔。在退尺位置距离 1 号监测钻孔 160 m 时的电极耦合稳定后的视电阻率值（即初次采集的数据）作为数据背景值。随着回采进程，持续不间断的采集直至推进到距离监测钻孔13 m 处的视电阻率数据。具以上过程，获得工作面采动前的背景数据、煤层回采底板变形过程、工作面推过进入采空区后趋于稳定状态的电场数据。为了研究回采过程中煤层顶、底板岩层变形与破坏规律，以及电阻率变化时空特征，在采集数据的同时记录工作面退尺及测试时间等数据。利用在现场不同供电电压下获得测试数据对比分析，以期实现综合研判多参量数据地质信息，加强对各阶段视电阻率值采集有效性，提高对回采过程中顶、底板岩层变形与破坏高度的分析准确程度。现场钻孔施工、监测仪器调试与数据测试采集过程共持续 2 个多月时间。在电法勘探数据结果的处理方面，首先采用并行电法勘探系统解析软件进行数据解编电流、电位奇异点剔除多种装置数据提取阻率数据文件格式转换电法数据反演等处理流程，获取 2 个钻孔控制范围内岩层视电阻率变化的图像。本次探测采用矩形网方式来划分探测网格，在细致考量反演过程中的计算精度和现场测试有效范围的特点，2 个钻孔控制范围内划分较密集的网格单元，网格单元边长 0.5 m，总共划分网格 9957 个。随着采动进程持续，顶、底板上覆和下伏岩层的受力状态及完整性均受到改变，同时各岩层电阻值也会发生不同程度的变化。各个电极由于接触底板岩层的不同，在受力后所呈现的电阻值会有差异，因此，就可以根据视电阻率的变化量来监测岩层受力后变形与破坏情况。将不同采动进程中测试的并且电极耦合稳定后的视电阻率值与未采动之前的背景40值参比，比较变化量的大小来判断煤层回采对顶底板岩层破坏的程度大小。通常采用常规高密度温纳三级电阻率法处理与对比现场测试的大量数据，利用 surfer 软件将计算结果生成等值线图，再进一步将电阻率等值线图沿地质剖面叠加，随后对结果进行综合解译。通过上述步骤，可对每次测量的图像按时序进行对比，图像采用的色标应统一，红色背景表示电阻率值较高（异常），蓝色背景则表示低电阻率，从而达到解释煤层回采过程中顶、底板岩层受力后变形与破坏规律。2022 年 9 月 17 日，工作面距离 1 号监测钻孔孔口 160 m，工作面回采对钻孔控制范围内岩层的影响较低，岩层视电阻率整体阻值较低，分布于550600 m（图 5（a），该结果可作为监测背景，后期监测结果与其进行对比，来分析底板岩层的破坏特征。10 月 18 日工作面回采位置距离 1 号钻孔口 118 m，钻孔中下部分区域视电阻率值开始出现升高，其他区域整体上视电阻率增幅不大，其中超前应力影响区视电阻率值增加到了 8001 000 m左右。分析认为是随着回采工作面的推进，煤层采动超前应力改变了岩层局部物理结构、水文地质特征等，进而影响了局部视电阻率分布，除了局部电阻率变化明显之外，其它区域范围内视电阻率变化相对较小，变化不明显，该阻值升高区域距离回采工作面水平距离约 48 m，即最大超前影响距约为 48 m。10 月 18 日至 11 月 1 日，工作面回采至距离 1 号孔口 84 m，此时工作面回采未进入到钻孔控制范围，底板岩层的破坏程度较低，无较为明显的裂隙发育。2022 年 11 月 2 日至 11 月 6 日，工作面回采进入 1 号钻孔控制区域，距离钻孔口 71 m，煤层底板受开采影响明显。钻孔控制范围内中下部岩层受开采应力影响，视电阻率值增加较大，部分区域视电阻率值增加至 1 5002 000 m（图 5（b），表明岩层受开采应力影响发生破裂，形成明显的裂隙发育区，裂隙发育深度在煤层底板下方 1216 m 深度范围。2022 年 11 月 15 日至 11 月 20 日，工作面推进至孔口 18 m 处，视电阻率值高阻区域不断范围不断增加，且向下发展，表明随着煤层持续开采，采空区下底板岩层受到采动矿压的持续作用，底板岩层破坏逐渐向下发生破坏。由图 5（c）可见，底板岩层的视电阻率值表现为高阻特征，阻值分布范围在2 5003 000 m，该范围阻值是背景阻值的 45倍左右，划分为底板破坏带，其中底板破坏发育最深至 29 m 处。2930 m 范围岩层视电阻率值为1 200900 m，是背景值的 1.52 倍，表明采动矿压在该范围的影响逐渐减小，岩层的破坏程度逐渐降低，岩层未发生实质性破坏，可判断为扰动区，阻值变高是因为采动应力使得原岩内部孔隙内水分受压力挤压减少使得岩石阻值升高，无裂隙发育。（a）9-17 日视电阻率结果（b）11-12 日视电阻率结果（c）11-20 日视电阻率结果图 52 号监测钻孔视电阻率结果4结论1）通过数值模拟，综合底板塑性区发育深度并结合底板受力分析，工作面回采后底板破坏深度约28.85 m。2）根据工作面开采进程实测，采用底板钻孔电性参数测试技术，对煤层的底板破坏特征进行判断。1、2 号监测钻孔测试所获得的相关数据具有较高的一致性，取其破坏深度大值为 29 m，分布在下伏煤顶板上方泥岩、粉砂岩互层层位；钻孔控制范围内采高约 4.5 m，则破坏深度与采厚比为 6.4 倍；工作面开采（下转第 45 页）2023 年第 5 期煤矿现代化第 32 卷41（上接第 41 页）对底板的超前应力影响范围约为 48 m。参考文献：1 郭国强.综放开采特厚煤层采场底板破坏规律研究J.煤田地质与勘探，2022，50（8）：107-115.2 杨忠，李晓龙.带压开采煤层底板破坏深度研究 J.能源与环保，2022，44（5）：306-310.3 蒋法文，黄晖，吴桁，等.矿井工作面开采底板破坏规律钻孔电法测试分析J.安徽理工大学学报（自然科学版），2016，36（3）：64-68.4 杨海平，刘盛东，杨彩，等.煤层顶底板采动破坏同步动态监测电性特征分析 J.工程地质学报，2021，29（4）：1002-1009.5 万菲飞.晋城矿区胡底煤矿 1309 工作面探放水综合技术实践J.煤矿现代化，2020（6）：83-85.6 翟子波.胡底煤矿 1303上综采工作面矿压显现规律研究J.煤，2021，30（3）：58-60.7 穆鹏飞.煤层开采后顶底板的破坏规律及水害防治J.黑龙江科技大学学报，2021，31（1）：6-13.作者简介：万菲飞（1984-），男，山西晋城人，本科，毕业于四川大学采矿工程专业，工程师，现从事矿井地质、水文地质工作。（收稿日期：2023-2-27）1+cos（2）2+11cos（3）式中：为直接顶厚度，m；为支架中心距，m；为覆岩密度，kg/m3；为支架控顶距，m；为煤层倾角，；1为基本顶厚度，m；1为块体 B 长度，等效于周期来压步距，m。该矿=1.21 m，1=6.42 m，=2.05 m，1=15 m，=2.45103 kg/m3，=5.8 m，=2，将相关参数带入公式（1）、（2）、（3），计算得支架工作阻力为10 024 kN，工作面采用 ZY15000/33/72D 掩护式液压支架，额定工作阻力 15 000 kN，满足顶板支护强度要求。5结论1）工作面推进过程中，微震能量主要集中在工作面超前 100 m 与滞后 100 m 范围内，能量小且密集程度高；滞后工作面 20 m 处，微震事件频率最高，此时顶板活动最为剧烈，需要引起足够重视。2）近空区的顶板覆岩软弱，以塑性破坏为主，在上覆坚硬顶板岩层的支撑作用下，出现显著离层，致使近空区覆岩整体相对垂直位移较小，覆岩运动以深部岩层断裂沉降为主。3）随工作面推进，基本顶及其上覆岩层表现为周期性断裂特征，基本顶与主控层初次破断步距分别为 55 m 与 90 m，周期破断步距分别为 12.5 m 与 45m，基本顶与主控层之间覆岩呈现整体性运移特征。4）通过计算支架工作阻力为 10 024 kN，该参数值为额定工作阻力的 66.8%，说明所用支架提供的工作阻力是可靠的，能够实现工作面安全回采需要。参考文献：1 王辉.8406 大采高工作面矿压显现规律及支架适应性研究J.煤，2022，31（2）:46-47，58.2 闫小军.大采高工作面过断层矿压显现特征分析 J.煤，2022，31（1）:89-92.3 梁运培，李波，袁永，等.大采高综采采场关键层运动型式及对工作面矿压的影响 J.煤炭学报，2017，42（6）:1380-1391.4 国洪晋.特厚煤层大采高工作面支承压力分布规律研究J.煤，2021，30（11）:16-18.5 焦炎斌.大采高工作面矿压规律分析 J.江西煤炭科技，2021（4）:1-3，6.6 张园园.深部大采高工作面岩层运动规律研究J.陕西煤炭，2021，40（4）:44-47，97.7 王泽.浅埋深大采高工作面长度变化对采场矿压规律的影响J.煤炭工程，2021，53（4）:105-109.8 赵毅鑫，令春伟，刘斌，等.浅埋超大采高工作面覆岩裂隙演化及能量耗散规律研究 J.采矿与安全工程学报，2021，38（1）:9-18，30.9 杨俊哲.8.8 m 超大采高综采工作面覆岩活动规律研究J.煤炭工程，2020，52（12）:55-60.10 孟浩.大采高工作面顶板结构分析与支架工作阻力确定J.煤矿安全，2021，52（10）:177-182，189.作者简介：高飞（1990-），男，山西太原人，本科，工程师，2013 年毕业于太原理工大学。研究方向：煤矿开采技术。（收稿日期 2023-1-19）2023 年第 5 期煤矿现代化第 32 卷45