含水层上工作面回采诱发顶底板破坏及应力演化规律试验研究

张培森 魏 杰 王文苗 安羽枫 武守鑫

(1.山东科技大学矿业与安全工程学院，山东省青岛市，266590；2. 矿山灾害预防控制国家重点实验室培育基地，山东省青岛市，266590)

煤层底板水害问题具有影响范围广、水量大、危害严重等特点，全国重点煤矿受水害威胁的矿井达到将近50%。因此，对矿井开采过程中工作面底板破坏机理进行研究具有重要意义。国内关于煤矿底板突水已有大量研究成果，但目前对于底板突水机制的研究多局限于理论分析，而在开采扰动及含水层水压作用下工作面顶底板应力变化及岩层破坏情况方面仍值得深入研究。

1 模型建立及试验设计

1.1 模拟对象

五沟煤矿F4断层为三维正断层，走向NE-NEE，倾角70°，落差0～30 m，位于1016里工作面风巷外段及风巷外侧，巷道走向与其走向基本一致，与巷道外帮相距30～60 m，控制程度可靠。F5断层为中型正断层，倾角65°，落差0～25 m，分别与F6、F4-1两条断层于工作面西侧相连接，延伸至矿井外，长度约1500 m，与1018运输巷相邻长度约500 m。

1.2 相似条件及测点布置

本试验采用二维相似材料模拟试验平台，试验台尺寸为1.9 m×0.22 m×1.8 m，模型的几何常数比为1∶200；容重相似比为1∶1.5；强度相似比为1∶300。试验所使用的材料为普通河沙、石灰和石膏，河沙的粒径小于1.5 mm，采用云母铺设在分层之间模拟岩层层理结构，断层带内的充填体采用泥岩进行模拟。本次试验在F4断层垂直方向上不同高度处布置6个测点，在1018里工作面靠近F4、F5断层处分别布置3个测点，测点1和测点6距离断层3 cm，其他各测点之间间距5 cm。测点1～3和4～6分别布置在邻近F5断层和F4断层工作面煤层底板处，用以观测工作面推进时煤层底板的应力变化情况，测点8～10用来监测F4断层上盘界面距离煤层底板10 cm、14 cm和20 cm深度处的垂直向应力，测点11～13用来监测F4断层下盘界面10 cm、14 cm和20 cm深度处的垂直向应力，测点同时位于第一灰岩含水层(以下简称“一灰”)、第二灰岩含水层(以下简称“二灰”)和第三灰岩含水层(以下简称“三灰”)与断层交点处，模型设计如图1所示。

1.3 开采方案

该试验在含水层位置放入水袋，并在水袋中注水，水袋充水后会产生膨胀，以此模拟含水层水压。制作水袋时，将水袋两边采用胶水密封，同时用连接器制作一个进水口，用塑料软管连接进水口并延伸到模型外，以便模型开挖前对水袋注水，水袋一端紧贴断层铺设。模型开挖后，由于采空区的应力降低，水袋会向工作面底板方向膨胀，以此模拟实际工作面回采后，含水层对工作面的影响。模型的开挖顺序为从距F5断层55 cm处向F5断层开挖，然后向F4断层方向开挖，含水层模拟如图2所示。

图1 模型设计图

图2 含水层铺设示意图

2 工作面开采诱发顶底板岩层破坏及应力变化规律研究

2.1 工作面开采诱发顶底板岩层破坏规律研究

工作面开采后，随着工作面推进，煤层顶板出现上覆岩层的垮落、弯曲、下沉等覆岩运动，如图3所示。由图3可以看出，1018里工作面直接顶的初次垮落步距为22 cm，周期垮落步距为6 cm；老顶的初次来压为36 cm，周期来压为6 cm。

当工作面推进到45 cm处，也就是距F5断层10 cm处时，工作面底板出现了裂隙破坏，在向F4断层方向开采时，当工作面距离F4断层12 cm时，工作面底板同样出现了裂隙破坏，如图4所示。

图3 覆岩运动与工作面推进相似模拟试验图

图4 相似模拟试验底板破坏图

由图4可知，工作面距离断层越近，底板受采动影响越明显，底板破坏深度及范围越大。工作面接近断层时，工作面底板的塑性破坏区容易与断层接触，由于煤层底板有多处含水层，水压作用会使工作面底板衍生出导水通道，最终导致突水事故的发生。

2.2 工作面开采过程中应力变化规律研究

1018里工作面开采过程中，分别向F4、F5断层两个方向推进，先向F5断层方向推进，后向F4断层方向推进，工作面开采过程中测点处底板应力变化如图5所示。

图5 底板应力变化曲线

由图5(a)可以看出，在开采初期，各个应力测点并未发生变化，随着工作面的推进，各个测点开始逐渐出现应力反应，并逐渐增大。工作面继续推进，应力向断层方向转移，当工作面推进至35 cm时，测点1处的应力达到峰值，随后逐渐减小，最终出现负值；工作面持续推进，应力继续向断层侧转移，测点2处的应力随后也达到峰值并逐渐减小，由于工作面没有推过测点2，所以并未出现负值。测点2的应力峰值较测点1应力峰值更大，这是由于断层带的岩体具有缓冲变形和二次应力吸收作用，应力被限制在断层一侧，出现应力集中现象。虽然测点3处的应力并未达到峰值，但是可以预计，测点3距离断层最近，其峰值会更大。图5(b)所反映的应力变化规律与图5(a)基本相同，但由于开切眼距离测点4较近，所以开采初期测点值就开始变化，随着工作面推进，测点5、6处的应力值也开始出现变化。3个应力测点峰值依次增大，和测点1～3所表现出的规律基本一致，也是由于断层阻碍应力传播并限制在断层一侧，同时阻碍回采后的地下空间变形，使得回采工作面越接近断层，应力越集中。

3 采动对断层活化规律研究

为了研究工作面开采过程中，采动对断层界面及灰岩含水层的影响，布置了测点8～12进行应力监测。测点10和13的位置距离煤层底板较远，所产生的应力没有影响到该测点位置，测点数据为零。随着工作面的推进，测点8、9、11和12分别产生了应力变化，如图6所示。

图6 断层界面应力变化曲线图

由图6可以看出，在开采初期，测点应力值没有变化，工作面继续回采，各测点逐渐出现应力变化，且处于同一推进步距时，上盘界面的应力值要高于下盘界面的应力值，这也是由于断层带具有屏障作用，导致断层带一侧应力集中；图6(b)体现出的应力变化规律与图6(a)基本一致，差别在于在同一推进步距下测点8和11的应力值要比测点9和12的应力值大，这是因为测点8和11较测点9和12距离1018里工作面更近，因而受到1018里工作面采动的影响更大，应力值也就越大。

由于测点11、12、13分别位于一灰、二灰、三灰与断层的交界处，因此，3个测点的应力值也能反映出工作面回采对灰岩水的影响。由图6可以看出，工作面回采对三灰水没有影响，在同一步距时，测点11的应力值明显高于测点12，这是由于一灰含水层位置距离工作面更近。由此说明，一灰含水层对工作面安全生产影响更大，当工作面回采至距离断层较近时，需要对含水层采取加固措施。

4 断层注浆加固后的工作面底板破坏规律研究

在F4断层下盘工作面风巷处对F4断层进行注浆加固，降低含水层水压对1018里工作面回采的影响。注浆模拟示意图如图7所示，浆液采用水灰比为0.8的配比。

图7 注浆加固模拟示意图

注浆完成后，待浆液达到最大抗压值，工作面继续向F4断层方向回采，同时记录煤层底板破坏规律，如图8所示。由图8可知，由于注浆后在含水层一侧形成一道隔水屏障，使水压对煤层底板影响程度减小，工作面继续向F4断层方向开挖，底板裂隙没有继续发育。

图8 底板破坏示意图

5 结论

(1)煤层开采过程中，工作面距断层越近，煤层底板越容易出现较为严重的采动破坏。因此，当工作面推进至断层附近时，需对底板采取加固措施。

(2)煤层开采时工作面采动对煤层底板应力的演化规律如下：随着工作面推进，由于断层对应力传播具有屏障作用，使应力集中在断层一侧，工作面距离断层越近，应力集中表现地越明显，底板发生破坏的可能性越大。

(3)五沟煤矿F4断层上盘工作面回采对下盘工作面底板一灰和二灰均有影响，且距离工作面底板越近，影响越明显。

(4)对F4断层进行注浆加固，可以降低含水层对工作面的回采影响，有效缩小防水煤柱宽度，提高煤炭资源回收率。

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