采后底板破坏深度探测与数值模拟研究

付 翔 杨 勇 史文豹

(1.安徽恒源煤电股份有限公司 祁东煤矿,安徽 宿州 234000;2.安徽理工大学 矿业工程学院,安徽 淮南 232001)

近年来,随着煤炭开采深度和强度的不断增加,煤层底板突水事故发生的可能性在大大增加,随着工作面开采扰动,极易造成底板突水事故,严重威胁煤矿企业的安全生产。国内外学者对于底板破坏深度理论、破坏范围以及预测公式进行大量研究。施龙青[1]基于“三带”理论基础对开采煤层底板提出“四带”划分;杜芳军[2]采用工字钢地梁对煤层底板进行压力控制和监测;黄庆享[3]通过现场实测、相似模拟和数值模拟等分析手段,建立了巷道底板极限平衡深度计算模型,得出巷帮极限平衡区宽度与巷道底板破坏深度成线性增长关系;张蕊[4]通过逐步修正模型边界条件、反复调整力学参数等,结合现场实测的结果对煤层底板破坏特征进行分析,揭示了矿山压力在底板传播规律;王家臣[5]基于底板马鞍形破坏规律和直流电法测试原理,研究了工作面回采过程中底板岩层电性特征的变化;鲁海峰[6]将底板层状岩体视为横观各向同性连续体,根据煤层上覆载荷分布特点,推导出煤层采动后的底板任一点应力解析解,准确预测采动底板破坏深度;张风达[7]基于多元非线性分析,构建深部煤层底板破坏深度模型,拟合出新的底板破坏深度预测公式;姜耀东[8]、赵毅鑫[9]、高尚[10]和牛秀清[11]等针对承压水底板进行相似模拟实验,研究底板破坏深度;程学丰[12]、张平松[13]等利用CT 技术获得煤层采动过程中底板破坏的动态发育规律和变形破坏特征。

综上所述,大多数学者都是采用理论分析、实验室试验、数值模拟和现场探测等手段对煤层采动底板破坏范围进行预测、实测,均取得了较好的效果,在此基础上,本次祁东煤矿拟采用地质雷达物探及数值模拟计算的综合方法来对8231工作面采后底板破坏范围及发育程度进行研究,为与本矿区相近工作面采后底板突水提供一定的参考依据。

1 工程背景

该8231工作面位于井田东翼一水平三采区,为三采区82煤首采工作面。走向布置:工作面东至切眼,靠近F7正断层,平距约72 m;西至工作面设计收作线,靠近三采区轨道上山,平距约76 m;南至工作面风巷,靠近-420 m 等高线;北部至工作面机巷位置。工作面上方为7131采空区、7130机巷,法向距离约30～33 m。工作面起止标高-421.5～-464.1 m,工作面里段面宽70 m(平距),走向长640 m,外段面宽160 m(平距),走向长440 m,回采面积109 954 m2。82煤层厚度变化较大,在29线以东,煤厚在1.2～1.9 m,平均煤厚M=1.49 m,层间含一层泥岩夹矸,厚约0.3～0.9 m;从29线以西至收作线,煤厚在2.1～2.7 m,平均煤厚M=2.31 m,层间含一层泥岩夹矸,厚约0.4～0.7 m;82煤层产状变化较大,煤层倾向在340～20°之间,倾角6～15°,平均为11°。

2 数值模拟

2.1 建立计算模型

根据8231综采工作面的工程地质和开采技术条件,建立8231工作面回采对其下覆底板岩层影响的三维计算模型。模空间尺寸x方向为310 m,y方向为200 m(x和y组成水平面),z方向为168 m。整个模型由264 160 个单元组成,采用摩尔-库仑破坏准则;在8231工作面计算模型中,包含所模拟的82煤及其顶底板岩层,采用岩层倾角11°;在模拟计算过程中,对模型的底部位移和模型的侧面位移进行限制,并施加相对应的垂直载荷,作用于模型的顶部,以模拟上覆岩层的重量。三维计算模型如图1所示。

图1 三维计算模型

2.2 模拟结果与分析

随着对8231工作面进行回采,其底板岩层会受到垂直加卸载及水平拉剪复合作用,产生变形,裂隙扩展,直至形成采场底板破坏带。根据8231工作面回采模拟计算结果,沿煤层倾斜方向,截取工作面前方10 m、5 m 处刨面。在工作面前方10 m 处,采场底板尚没有破坏,实体煤处于正在发生剪切破坏状态,此时,在工作面实体煤内,主应力主要集中于实体煤和直接顶内,应力集中对煤层底板影响较小,而上下顺槽两帮内均存在应力集中,受掘进扰动和采动高应力影响,巷道底板破坏明显,破坏影响范围约为6.12 m;在工作面前方5 m 处,工作面前方实体煤底板开始破坏,破坏形式以拉剪复合破坏为主,主要是由于工作面前方实体煤受超前支承压力作用,在5 m 范围内的实体煤已经存在破坏,底板岩层有了一定的可变形空间,加剧对底板破坏,如图2和图3所示。

图2 沿倾向82 31工作面前方不同位置主应力分布/MPa

图3 沿倾向82 31工作面前方不同位置主应力分布及破坏

沿倾斜方向截取工作面后方5 m、10 m、20 m、50 m 处刨面,随着工作面推进,8231工作面后方底板破坏范围逐渐增大,在工作面后方20 m 之后逐渐稳定。同时,在底板岩层0～7 m范围内,破坏形式主要为拉剪复合破坏;在底板7 m 以下岩层中,破坏形式主要为剪切破坏;在工作面后方5 m 处,工作面底板破坏影响范围约为20.16 m;在工作面后方20 m 处,工作面底板破坏影响范围约为26.17 m;在工作面后方50 m 处,工作面底板破坏影响范围仍约为26.17 m,其中在0～7 m 范围内为已经破坏区域,破坏程度大,而在工作面底板7～26.17 m 范围内正在发生拉剪复合破坏,破坏程度相对较小。沿倾向方向8231 工作面后方不同位置主应力分布云图及破坏特征如图4和图5所示。

图4 沿倾向方向82 31工作面后方不同位置主应力分布云图

图5 沿倾向方向82 31工作面后方不同位置破坏特征

综上所述,采场底板破坏起始于工作面前方约5 m 处,随着工作面回采底板破坏范围逐渐扩大,在工作面后方20 m 之后基本稳定,最大破坏影响范围约为0～26.17 m;而上下顺槽底板破坏影响范围约为0～26.28 m,稍大于工作面底板破坏深度,分析原因在于:上下顺槽受到掘进扰动后其底板已经破坏,随着工作面回采,受超前支承压力影响,其底板破坏深度进一步增加,而采场底板仅受到一次采动扰动影响。

3 地质雷达探测

3.1 地质雷达工作原理

地质雷达(Ground Penetrating Radar,简称GPR)是利用频率介于106～109Hz的无线电波来确定地下介质的一种地球物理探测仪器,通过发射天线将高频短脉冲电磁波定向送入地下,电磁波在传播过程中遇到存在电性差异的地层或目标体就会发生反射和透射,接收天线收到反射波信号并将其数字化,然后由电脑以反射波波形的形式记录下来[14-15],地质雷达工作的基本原理如图6所示。

图6 地质雷达基本原理图

3.2 地质雷达探测方案

8231工作面底板破坏深度地质雷达探测,设备选用中国电波研究所生产的LTD-2100型地质探测雷达,主频为100 MHz的雷达天线。采用手动打标进行定位,测量位置选在工作面回风巷道、运输巷道及工作面内分别进行地质雷达探测。在探测过程中,将地质雷达天线置于巷道底板平稳移动,具体探测位置及轨迹如图7所示。地质探测过程选择自动增益,介电常数选为5.5。

图7 地质雷达探测位置及轨迹

3.3 地质雷达探测结果分析

根据电磁波在不同介质中的传播速度不同,其发射波的振幅、频率等均不同,进而在地质雷达结果图中呈现的色彩具有明显的差异。根据现场地质雷达探测结果,选取工作面内、运输巷道内具有代表性的地质雷达探测结果图对工作面底板破坏范围进行分析。

8231运输巷道底板地质雷达探测电磁波反射波变化特征,在底板0～24.21 m 范围内,电磁波反射波波形杂乱、振幅较高且宽,同向轴错断,在探测结果图中呈现出杂乱的亮色区域斑块;而在24.21 m 以下,反射波能量衰减较为均匀,波形变化不大,振幅变化均衡,在探测结果图中呈现出相同埋深色彩均一,不同埋深反射波色彩有规律衰减,如图8所示。从图8可推断出,在8231运输巷道底板受巷道掘进扰动和工作面回采超前支承压力双重作用下,其0～24.21 m 范围岩层呈现地质结构异常、岩层不同程度的拉剪破坏。

图8 82 31运输巷道底板雷达探测结果

8231工作面底板地质雷达探测电磁波反射波变化特征,在底板0～23.9 m 范围内,岩层电磁波反射波波形杂乱、振幅更高且宽,同向轴错断,在探测结果图中也呈现出杂乱的亮色区域斑块;而在23.9 m 以下,反射波能量衰减较为规律,波形变化均匀,振幅变化均衡,在探测结果图中也呈现相同埋深色彩均一,不同埋深反射波色彩有规律衰减,如图9 所示。从图9可推断出,8231 工作面底板受采动扰动影响,其底板采动破坏影响范围可达0～23.9 m。

图9 82 31工作面底板雷达探测结果

根据地质雷达对8231工作面及其运输巷道底板岩层探测结果分析,受采动扰动影响,8231工作面底板破坏影响深度在23.9～24.21 m,其值与数值模拟结果基本一致。

4 结 论

(1)矿井采用地质雷达对采后底板破坏深度进行探测,可以根据反射波的波形、振幅等变化特点对岩层内异常区域进行定性分析,预判岩层的完整性,进而获得采场底板破坏影响范围。

(2)对比地质雷达探测和数值模拟计算结果,8231工作面采后底板破坏深度大体一致,可以判定其采后底板破坏影响深度约为23.9～26.28 m。

(3)地质雷达可以探测出复杂多变地下岩层地质异常区。由于受到干扰较多,对于高测试精度还有待提高。为获得更真实详细的工作面采后底板破坏范围,需要进一步提高探测手段。