丁 湘1,2，周新河2,3，闫 鑫1,2，吴 访2,3，蒲治国1,2，孟广山2,3
(1.中煤能源研究院有限责任公司，陕西省西安市，710054；2.中煤冲击地压与水害防治研究中心，内蒙古自治区鄂尔多斯市, 017000；3.中天合创能源有限责任公司，内蒙古自治区鄂尔多斯市, 017300)
摘 要 针对鄂尔多斯盆地深埋条件下煤层采动底板扰动破坏深度难以确定的问题，分别采用“三下”规范经验公式、多元线性回归模型、塑性力学理论公式计算、数值模拟和钻孔窥视探测等方法，研究了煤层采动底板破坏深度。研究结果显示，数值模拟结果与实际探测窥视结果较为接近，但该方法流程复杂，应用难度较大；钻孔探测窥视结果为实测值，可信度最高，但施工及观测困难，不宜作为常用手段；而塑性力学理论公式计算结果与实际探测窥视结果基本一致，且计算方便，可适用于近距离深埋煤层底板破坏深度的计算，从而为采空区探放水设计及底板灾害防治工作提供理论依据。
关键词 底板破坏；多元线性回归模型；钻孔窥视；数值模拟; 塑性力学理论计算公式
中图分类号 TD745
文献标志码 A
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DING Xiang1,2, ZHOU Xinhe2,3, YAN Xin1,2, WU Fang2,3, PU Zhiguo1,2, MENG Guangshan2,3
(1. China Coal Energy Research Institute Co., Ltd., Research Xi'an, Shaanxi 710054, China;2. China Coal Rock Burst and Water Hazard Control Research Center, Ordos, Inner Mongolia 017000, China;3. Zhongtian Hechuang Energy Co., Ltd., Ordos, Inner Mongolia 017300, China)
Abstract Aiming at the problem difficult to determine of the floor failure depth of deep-buried coal seam mining disturbance in Ordos Basin, the seam mining floor failure depth is studied by means of empirical formula from "mining specifications under buildings, railways and water" (hereinafter referred to as empirical formula), multiple linear regression model, plastic mechanics theoretical formula calculation, numerical simulation, borehole peeping detection and so on. These researth results shswthat the numerical simulation results are close to the actual detection results, but the process of this method is complex and difficult to apply; the results of borehole peeping detection are measured values with the highest reliability, but it is difficult to construct and observe and be used as common means; the calculation results of the plastic mechanics theoretical formula are basically consistent with the actual detection results, and the calculation process is convenient, and it can be used to calculate the floor damage depth of the deep-buried short-distance coal seams, so as to provide a theoretical basis for the water exploration and drainage design of goaf and the prevention and control of floor disasters.
Keywords floor failure; multiple linear regression model; borehole peeping; numerical simulation; plastic mechanics theory calculation formula
煤层开采扰动导致原岩应力失去平衡，底板岩层在应力作用下向采空区自由空间运移，导致底板岩体发生剪切膨胀破坏，破裂的岩层将局部或全部丧失隔水能力[1]。针对煤层采动导致底板破坏的问题，相关专家学者进行了大量研究。孟祥瑞等[2]研究了煤层采动后的应力分布规律和底板破坏深度；张金才[3]从弹性力学的角度出发，基于半无限体理论研究了底板破坏机理；张风达等[4]结合塑性力学滑移线场理论研究了影响底板破坏深度的因素；马文著等[5]指出影响底板岩体破坏的主要因素包括开采深度、开采范围和煤层产状等，底板岩层结构完整的条件下，塑性破坏区的形态接近“勺形”；宋文成等[6]基于弹塑性理论构建了底板破坏判据模型，并用FLAC3D软件构建数值模拟模型分析了底板破坏形态特征。
多煤层矿井上部煤层开采会引起底板岩层的破坏和移动变形，导致围岩应力平衡状态发生变化和底板岩层破坏，从而加重上部采空区积水对其下部煤层采掘作业的威胁程度。底板破坏带深度的确定是评价下部煤层采掘活动受上覆采空区积水威胁程度的重要指标，也是进行采空区积水探放钻孔参数设计的关键数据，因此，需要确定底板采动破坏带深度，为下部煤层采掘时的采空区积水防治提供基础数据[7-9]。
根据井下实际采掘资料分析，2-1号煤层一盘区21102工作面和21103工作面采空区内地势低洼处存在积水，积水面积约67.66万m2，积水量约35.09万m3，上部采空区积水对下部22103工作面的掘进及回采构成较大威胁。
图1 各工作面位置关系
2.2.1 “三下”规范经验公式
《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》(以下简称“三下”规范)中提供了多种底板破坏深度计算方法。在工作面斜长30～205 m、采深100～1 000 m条件下，有以下3个公式均可用来计算煤层采后底板破坏带发育深度。
h=0.303L0.8
(1)
h=0.700 7+0.107 9L
(2)
(3)
式中：h——底板采动破坏深度，m；
H——开采深度，m；
L——工作面斜长，m；
α——煤层倾角，(°)。
2.2.2 多元线性回归模型
由于“三下”规范经验公式未考虑煤层开采厚度、底板抗破坏能力及构造的影响，这些因素在深埋条件下，对围岩的应力变化具有较大影响。因此需要对深埋条件下煤层采后底板破坏深度进行重新统计分析。
收集了25组埋深在300 m以上的工作面回采后底板破坏深度实测值[10]，以煤层采深(H)、煤层倾角(α)、煤层采厚(M)、工作面斜长(L)、底板抗破坏能力(R)和是否有断层构造(F)等6个因素为影响指标，构建了煤层采后底板破坏深度预测回归模型。部分矿井工作面回采后实测底板破坏深度见表1。回归模型为：
表1 部分矿井工作面回采后实测底板破坏深度
数据组编号工作面煤层采深H/m煤层倾角α/(°)采厚M/m工作面斜长L/m底板抗破坏能力R是否有断层或破碎带F破坏带深度h/m1邢台矿7607窄32045.40600.6009.702邢台矿7607宽32045.401000.60011.703井陉一矿4707小140097.50340.4008.004井陉一矿4707小240094.00340.4006.005井陉三矿5701 (1)227123.50300.4003.506井陉三矿5701 (2)227123.50300.4017.007澄合二矿2251030081.801000.40010.008新庄孜矿4303(1)310261.801280.20016.809新庄孜矿4303 (2)310261.801280.20129.6010良庄51101W640151.501650.20020.1011新汶华丰矿41303520300.941200.60013.0012肥城白庄矿7406225141.901300.8009.7513淄博双沟矿1204308101.001600.60010.5014淄博双沟矿1208287101.001300.6009.5015霍县曹村11-014200101.601000.2008.5016吴村煤矿32031(1)375142.40700.6009.7017吴村煤矿32031 (2)640131.501960.60026.4018井陉一矿4707大40094.00450.4006.5019吴村煤矿3305327122.401200.60011.7020曹庄煤矿8812420201.971200.55118.5021曹庄煤矿9604315171.351200.70014.2022赵固一矿 1111157023.501760.60023.4823赵固一矿 1101171033.601800.60025.8024新集二矿首采面650104.501500.60019.1725赵固二矿 1105069035.801800.60034.80
(4)
式中：M——煤层采厚，m；
R——底板抗破坏能力；
F——是否有断层构造，分别取1或0。
依据F检验结果，显著性P值为0.000，水平上呈现显著性，回归方程相关性系数R为0.890，拟合程度较高，回归模型拟合效果如图2所示。
图2 回归模型拟合效果
2.2.3 塑性力学理论计算公式
根据塑性力学理论[11-14]，底板破坏带深度可采用下述公式计算：
(5)
式中：Ls——煤层塑性区宽度，估算为0.015倍采深，m；
φ0——底板岩体权重平均内摩擦角，(°)。
表2 研究区底板采动破坏带深度h计算值 m
工作面式(1)式(2)式(3)式(4)式(5)21102工作面30.5935.2335.9442.7518.2721103工作面30.5935.2335.9442.9018.27
通过计算可以发现，依据“三下”规范经验公式计算底板破坏带深度为30.59～35.94 m，多元线性回归模型计算结果为42.75～42.90 m，塑性力学理论计算公式计算结果为18.27 m。
2.3.1 建立数值模型
综合分析21102和21103工作面内钻孔柱状数据，对地层结构进行整理分析，考虑到相邻岩层的岩性及物理力学参数具有一定的相似性，因此，对邻近薄岩层进行概化合并，利用FLAC3D有限差分软件建立数值模拟模型。数值计算模型如图3所示。采用分段开挖的方式模拟开挖过程，工作面沿走向(X轴正向)推进，每步沿走向开挖20 m、倾向开挖320 m的平衡状态。
图3 数值计算模型
2.3.2 模型结果分析
煤层的开挖使得围岩的应力场遭到扰动，在应力重新分布的过程中，底板岩层形成一定的塑性破坏区[15-16]。煤层采动底板破坏过程数值模拟如图4所示。工作面回采前期，随着工作面的不断推进，采空区范围逐渐扩大，底板岩层在应力再平衡过程中不断发生破坏(推进20～120 m)；当工作面回采到一定阶段，煤层顶板岩层垮落压实采空区，底板岩体卸荷到一定程度后逐渐减弱，煤层底板岩层的破坏程度逐渐减弱(推进120～140 m)，直至达到相对平衡状态，底板破坏深度不再增大，此时底板破坏深度即为煤层采后底板破坏带发育深度(推进160 m)。根据数值模拟结果分析，2-1号煤层采动底板破坏过程达到稳定状态后，底板破坏带最大深度在16 m左右。
图4 煤层采动底板破坏过程数值模拟
2.4.1 钻孔窥视探测方法
采用钻孔窥视法对葫芦素2-1号煤层底板采动破坏带深度进行实测，考虑到需要施工采空区积水探放钻孔，窥视工作利用2-1号煤层采空区探放水钻孔进行。仰孔窥视底板采动破坏带示意如图5所示。根据底板岩层结构和破坏带深度预估情况，考虑到煤层间距的不确定性及预估结果可能存在误差，钻孔可能会提前进入底板破坏带。因此，在钻进至15 m(垂高8.6 m，距2-1号煤层底板17.4 m)时即开始窥视，窥视时重点观察围岩裂隙发育情况，直至钻进2-1号煤层采空区。
图5 仰孔窥视底板采动破坏带示意
2.4.2 探测过程
在22103工作面辅运巷F1钻场施工F1-1K、F1-2K窥视钻孔，综合对比分析获得2-1号煤层一盘区底板采动破坏带深度实测结果，见表3。
表3 F1钻场窥视钻孔参数
编号方位角/(°)仰角/(°)见采空区时进尺/m终孔进尺/m孔径/mm窥视段长度/mF11K7435.547549448.0F12K10634.046559451.4
2.4.3 探测结果
F1-1K窥视钻孔钻进过程中共窥视4次，F1-2K窥视钻孔钻进过程中共窥视1次。窥视钻孔采动裂隙发育情况如图6所示。由图6可以看出，F1-1K孔采动裂隙发育下限在孔深11.5 m处，套管外至孔深11.5 m范围内未发现采动裂隙，此处垂高6.3 m，即F1-1K孔窥视位置2-1号煤层底板采动破坏带深度为19.6 m；F1-2K孔采动裂隙发育下限在孔深11.9 m处，套管外至孔深11.9 m范围内未发现采动裂隙，此处垂高6.7 m，即，F1-2K孔窥视位置2-1号煤层底板采动破坏带深度为19.0 m。综合对比2个窥视孔，通过视觉识别出的采动裂隙下限距2-1号煤层底板最大垂距为19.6 m，即窥视位置2-1号煤层底板采动破坏深度为19.6 m。
图6 窥视钻孔采动裂隙发育情况
综合分析理论计算、数值模拟和钻孔窥视探测结果，“三下”规范经验公式、多元线性回归模型计算结果与实际探测窥视结果相差较大，公式适用性较差。塑性力学理论公式计算结果与实际探测窥视结果基本一致，且计算方便，可适用于近距离深埋煤层底板破坏深度的计算。数值模拟结果与实际探测窥视结果较为接近，但该方法流程复杂，应用难度较大。钻孔探测窥视结果为实测值，可信度最高，但施工及观测困难，不宜作为常用手段。因此，葫芦素煤矿2-1号煤层底板采动破坏带深度取实测值19.6 m。类似条件下简易计算可采用塑性力学理论公式。
(1)利用“三下”规范经验公式、多元线性回归模型、塑性力学理论公式计算、数值模拟和钻孔窥视探测方法，研究了深埋条件下煤层开采后底板破坏深度。
(2)根据钻孔窥视探测、数值模拟和理论计算，综合确定2-1号煤层开采后底板最大破坏带深度为19.6 m。
(3)该区域近距离煤层深埋条件下“三下”规范经验公式适用性较差。数值模拟和钻孔窥视方法复杂，应用不便。塑性力学理论计算公式可用于该地区底板破坏带深度计算。
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