Research on the deformation and failure depth of the floor in fully mechanized top coal caving of extra-thick seam
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摘要: 为探究特厚煤层综放开采条件下底板变形破坏深度，以兖矿能源集团股份有限公司东滩煤矿1305工作面为背景，采用现场实测、数值模拟和理论计算等方法综合分析了该工作面采动煤层底板变形破坏深度。采用应变感应法和钻孔成像技术的现场实测结果表明：底板受采动矿压作用在水平和垂直方向上存在明显的显现特征，水平方向上超前测点50 m附近、底板浅部10 m深度位置开始受采动矿压影响，工作面推过一定距离之后底板变形破坏剧烈；底板不同深度水平方向上超前距和滞后距变化范围分别为96～115 m和48～52 m，工作面综放开采底板变形破坏深度为16~20 m，垂深20 m以下底板岩层以弹性变形为主。数值模拟的底板不同深度塑性区分布特征表明，随着距工作面底板距离越远，受采动矿压影响越小，塑性区范围越小，底板下20 m基本没发生破坏。理论计算结果确定了底板变形破坏深度为19.2 m。综合现场实测、数值模拟和理论计算结果，可知1305工作面综放开采底板变形破坏深度不超过20 m。研究结果可为矿井特厚煤层综放开采底板水害防治提供量化依据。Abstract: In order to explore the deformation and failure depth of the floor under the condition of fully mechanized top coal caving of extra-thick coal seam, this paper takes 1305 working face of Dongtan Coal Mine of Yankuang Energy Group Co., Ltd. as the background. The deformation and failure depth of the floor in the mining coal seam of the working face is comprehensively analyzed by using field measurement, numerical simulation and theoretical calculation. The field measurement results using the strain induction method and borehole imaging technology show the following results. The floor is affected by mining ground pressure, and there are obvious characteristics in horizontal and vertical directions. In the horizontal direction, the position near the advanced support measuring point of 50 m and at the depth of 10 m in the shallow part of the floor starts to be affected by the mining ground pressure. After the working face is pushed over a certain distance, the deformation and failure of the floor are severe. The variation range of crossover distance and lag distance in the horizontal direction of different depths of the floor is 96-115 m and 48-52 m respectively. The deformation and failure depth of the floor in fully mechanized top coal caving of the working face is 16-20 m. The floor rock below the vertical depth of 20 m is mainly elastic deformation. The distribution characteristics of the plastic zone in different depths of the floor by numerical simulation show that the farther the distance from the working face floor is, the smaller the influence of mining pressure is, and the smaller the range of the plastic zone is. The 20 m under the floor is basically not damaged. The result of the theoretical calculation confirms that the deformation and failure depth of the floor is 19.2 m. Based on the results of field measurement, numerical simulation and theoretical calculation, the deformation and failure depth of the floor in 1305 working face is less than 20 m. The research results can provide the quantitative basis for the prevention and control of floor water disasters in fully mechanized top coal caving of extra-thick coal seams.
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0. 引言
随着华北型煤矿开采年限增加，延深带压开采带来的底板水害威胁问题逐渐引起重视。在特厚煤层综放开采采动影响下，工作面底板岩层受矿山压力及卸载影响而发生变形破坏，产生的裂隙很有可能沟通底部含水层。准确获得采动底板变形破坏深度对于特厚煤层综放开采底板水害防治具有重要意义[1-2]。
许多学者对特厚煤层综放开采底板变形破坏深度进行了研究。刘杰[3]采用现场微震监测技术对特厚煤层综放工作面顶底板岩层破坏情况进行了监测分析。朱术云等[4]应用应变感应法和钻孔成像技术对特厚煤层综放采动底板岩层变形破坏特征进行了现场实测。王一栋等[5]和李进军等[6]采用数值模拟方法获得了煤层底板变形破坏深度。杨本水等[7]在对特厚煤层底板地层微观及水理性质分析的基础上，采用预埋分布式光纤感应法和孔间电阻率CT法确定了采动底板变形破坏最大深度。范红伟等[8]通过理论分析、数值模拟和现场实测，对近距离特厚煤层采动影响下底板变形破坏深度进行了研究。张郑伟[9]和陈洋[10]采用应变感应法获得了特厚煤层综放开采条件下底板变形破坏深度。高银贵等[11]采用光纤传感技术和高密度并行电法勘探技术对特厚煤层工作面底板破坏特征进行了研究。王升阳等[12]采用数值模拟和现场实测的方法对煤层底板采动破坏及渗流特征进行了分析。郭国强[13]采用钻孔应力−应变技术开展现场监测，获得了三位一体“空间−时间”全方位底板扰动破坏数据并分析规律。本文在上述研究的基础上，以兖矿能源集团股份有限公司东滩煤矿特厚煤层综放开采工作面为背景，采用现场实测、数值模拟和理论分析方法对该工作面底板变形破坏深度进行研究，以期为矿井特厚煤层综放开采底板水害防治提供量化依据。
1. 工程背景
东滩煤矿1305工作面位于矿井一采区，工作面东起开切眼（运输巷侧切眼外帮距FS18断层10 m，轨道巷侧较运输巷侧向东调斜30 m）；西至设计终采线（运输巷侧位于F2断层以东10 m处，轨道巷侧较运输巷侧向西调斜30 m）；北邻1306综放工作面（未采）；南邻1304综放工作面采空区。工作面标高为−510～−590 m，平均标高为−550 m；其上方地面标高为+46.38～+50.34 m，平均标高为+48.36 m。工作面开采山西组3号煤层，厚度为8.1～9.5 m，平均厚度为8.8 m，采用综放开采方式。
工作面范围内煤层沉积稳定，煤岩层走向NE−SW，倾向SE；煤层倾角为0～12°，平均倾角为6°。基本顶由灰至灰白色中细砂岩组成，岩性致密、坚硬，厚度为16.3～23.2 m，平均厚度为20.2 m；直接顶由深灰色粉砂岩组成，厚度为1.3～5.2 m，平均厚度为3.2 m，呈东薄西厚变化特征；直接底由深灰色粉砂岩组成，厚度为3.6～4.5 m，平均厚度为4.0 m；基本底为强度较高的灰白色中细砂岩，东厚西薄，厚度为7.2～18.4 m，平均厚度为12.8 m。工作面顶底板地层柱状图如图1所示。
2. 现场实测
2.1 测试钻孔及传感器布设
根据应变感应法及钻孔成像技术特征[4]，结合东滩煤矿开采实际条件，在不影响正常生产的情况下选择在1305工作面下部的东翼第一回风巷中布设2个测试钻孔（图2）。1号测试钻孔中布设应变传感器对底板变形破坏深度进行实测，2号测试钻孔用于成像观测，2个测试钻孔水平间距约10 m。1号测试钻孔孔口在底板与巷道交接处，垂直于巷道方向向工作面底板施工；2号测试钻孔在距离巷道底板约2 m处垂直巷道方向向上施工。测试钻孔剖面如图3所示，其中1号测试钻孔布置的4个应变传感器自上至下依次为测点1−4，1−3，1−2，1−1，分别位于3号煤层底板下垂深16，20，24，29 m处。测试钻孔主要参数见表1。
表 1 测试钻孔主要参数Table 1. Main parameters of test boreholes参数 1号测试钻孔 2号测试钻孔 开孔直径/mm 127 91 开孔深度/m 2.0 — 孔口管直径/mm 110 — 孔口管长度/m 2.0 — 终孔直径/mm 91 91 钻孔方位角/（°） 31 42 钻孔倾角/（°） 40（俯角） 70（仰角） 钻孔与巷道夹角/（°） 90 80 煤岩层真倾角/（°） 5.6 6.0 钻孔与煤岩层走向线夹角/（°） 81 87 煤岩层视倾角/（°） 5.5 6.0 钻孔总深度/m 30 10 控制3号煤层底板最大真厚度/m 29 11 2.2 实测结果分析
整个测试过程历时46 d，1号测试钻孔共进行30次应变测试，2号测试钻孔进行了4次成像观测。
1号测试钻孔各测点应变增量随工作面距传感器距离变化曲线如图4所示（每个传感器有10个通道，其中8个工作通道，1个地线通道，1个公共线通道；8个工作通道中1和5、2和6、3和7、4和8是对称的）。测点1−4在距工作面115 m出现了较明显的应变感应，直至距工作面44.9 m时，该测点的应变感应信号全部中断，认为是由于受底板破坏影响剧烈，导致传感器受损[7，9-10]；与测点1−4相比，测点1−3、测点1−2和测点1−1的应变感应程度较弱，应变增量明显变小，超前距分别为110，102，96 m。随着工作面逐渐推进到钻孔位置和推过钻孔，4个测点的应变增量差异性较明显：测点1-4应变增量最大，且在距工作面44.9 m位置出现信号中断现象；其他3个测点应变增量较小，且在推过一定距离后各个通道均有可靠的数据。
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图 4 1号测试钻孔各测点应变增量随工作面推进距离变化曲线Figure 4. Strain increment curves of measuring points in No.1 test borehole during working face advance根据图4可得工作面采动底板变形感应距（表2）。可见采动矿压在底板的传播具有较好的周期性，不同深度应变传感器所反映的水平方向超前距及滞后距基本一致。
表 2 工作面采动底板变形感应距Table 2. Deformation induction distances of mining floor of working face测点垂深/m 超前距/m 滞后距/m 感应范围/m 16 115 — — 20 110 49 159 24 102 48 150 29 96 52 148 工作面推进不同距离时底板下垂深10 m处2号测试钻孔孔壁图像如图5所示。2号测试钻孔距工作面50 m时，底板下垂深10 m处发生塑性破坏，出现裂隙；随着工作面不断推进，该处破坏程度越来越大，裂隙逐渐扩展直至贯通。这与1号测试钻孔的应变感应具有很好的一致性：测点1−4距工作面44.9 m时出现了传感器损坏，表明该处底板存在较强的塑性变形，底板变形破坏深度已达16 m；底板下垂深20 m以下各测点的应变增量较小且同步，表明底板岩层以弹性变形为主。
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图 5 工作面推进不同距离时底板下垂深10 m处2号测试钻孔孔壁图像Figure 5. Images of No.2 test borehole wall at 10 m vertical depth of floor with different working face advance distances将应变测试和钻孔成像结果对比分析，可获得1305工作面综放开采底板变形破坏深度不超过20 m。
3. 数值模拟
3.1 模型建立和边界条件
结合1305工作面开采实际和地层赋存条件，进行3号煤层顶底板地层岩组划分，建立工作面顶底板工程地质模型，尺寸为400 m×300 m×154 m（长×宽×高），模型纵剖面如图6所示。工作面顶底板岩层物理力学参数见表3。模型边界条件：侧向边界水平方向固定，垂直方向自由；底面边界垂直和水平方向均固定；基于埋深考虑，模型顶部施加11.0 MPa等效荷载。采用FLAC3D软件，模型共划分91 362个单元、96 596个节点。
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图 6 工作面顶底板工程地质模型纵剖面Figure 6. Profile of engineering geological model for working face roof and floor表 3 工作面顶底板岩层物理力学参数Table 3. Physical and mechanical parameters of working face roof and floor strata岩层 密度/
（kg·m−3）体积模量/
GPa剪切模量/
GPa黏聚力/
MPa内摩擦角/
（°）抗拉强度/
MPa中细砂岩 2 650 2.90 1.74 9.5 41 4.2 泥质岩 2 550 2.61 1.35 7.6 30 3.0 粗砂岩 2 690 3.35 2.30 10.7 45 4.9 3号煤层 1 400 2.08 0.54 1.2 20 0.6 粉砂岩 2 600 2.91 1.50 7.8 32 3.6 石灰岩 2 800 5.57 4.53 11.4 48 6.7 3.2 模拟结果分析
3号煤层开采完毕后塑性区分布如图7所示。由图7（a）可得底板变形破坏深度为20 m；由图7（b）—图7（e）可知，底板下4 m内呈面状破坏，底板下12 m呈环状破坏，且采空区四周较大范围呈剪切破坏，底板下18 m破坏范围明显变小，底板下20 m基本没发生破坏。表明随着距工作面底板距离越远，受采动矿压影响越小，塑性区范围越小，工作面综放开采底板变形破坏深度不超过20 m。
4. 理论计算
根据断裂力学和弹塑性理论[14]，可得底板变形破坏深度计算公式：
$$ h{\text{ = }}\dfrac{{{x_0}\cos {\varphi _0}}}{{2\cos \left( { \dfrac{{\text{π}} }{4} + \dfrac{{{\varphi _0}}}{2} } \right)}}\exp \left[ { \left( { \dfrac{{\text{π}}}{4} + \dfrac{{{\varphi _0}}}{2} } \right)\tan {\varphi _0} } \right] $$ (1) 式中：h为底板变形破坏深度，m；x0为塑性区宽度，即煤层屈服区长度，m；
$ {\varphi _0} $ 为底板岩体平均内摩擦角，（°）。根据采动矿压理论[15]，塑性区宽度计算公式为
$$ {x_0}{\text{ = }}\dfrac{{M(1 - \sin \varphi )}}{{2(1 + \sin \varphi )\tan \varphi }}\ln \dfrac{{K\rho gH + C\cot \varphi }}{{\dfrac{{1 + \sin \varphi }}{{1 - \sin \varphi }}C\cot \varphi }} $$ (2) 式中：M为采高，m；φ为煤层与顶底板间的内摩擦角，（°）；K为应力集系数；ρ为顶板岩层平均密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；H为平均采深，m；C为煤层与顶底板间的黏聚力，Pa。
综合1305工作面地质及开采条件，基于式（2）得到的塑性区宽度计算结果，选取经验公式x0=0.015H，并代入式（1），可得
$$ h{\text{ = }}\dfrac{{0.015H\cos {\varphi _0}}}{{2\cos \left( { \dfrac{{\text{π}} }{4} + \dfrac{{{\varphi _0}}}{2} } \right)}}\exp \left[ { \left( { \dfrac{{\text{π}} }{4} + \dfrac{{{\varphi _0}}}{2} } \right)\tan {\varphi _0} } \right] $$ (3) 根据1305工作面实际条件，平均采深H=600 m，底板岩体平均内摩擦角
$ {\varphi _0} $ =38°，代入式（3）可得1305工作面底板变形破坏深度为19.2 m。5. 结论
（1） 采用应变感应法和钻孔成像技术对1305工作面进行现场实测，发现工作面推进过程中，底板受采动矿压作用在水平和垂直方向上存在明显的显现特征，水平方向上超前测点50 m附近、底板浅部10 m深度位置开始受采动矿压影响，工作面推过一定距离后底板变形破坏剧烈；底板不同深度水平方向上超前距和滞后距变化范围分别为96～115 m和48～52 m，工作面综放开采底板变形破坏深度为16~20 m，垂深20 m以下底板岩层以弹性变形为主。
（2） 通过数值模拟分析了采动底板不同深度塑性区分布特征，发现底板下18 m破坏范围明显变小，底板下20 m基本没发生破坏。
（3） 通过理论计算获得该工作面底板变形破坏深度为19.2 m。
（4） 通过现场实测、数值模拟和理论计算3种方法综合分析，可知1305工作面综放开采底板变形破坏深度不超过20 m。
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图 4 1号测试钻孔各测点应变增量随工作面推进距离变化曲线
Figure 4. Strain increment curves of measuring points in No.1 test borehole during working face advance
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图 5 工作面推进不同距离时底板下垂深10 m处2号测试钻孔孔壁图像
Figure 5. Images of No.2 test borehole wall at 10 m vertical depth of floor with different working face advance distances
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图 6 工作面顶底板工程地质模型纵剖面
Figure 6. Profile of engineering geological model for working face roof and floor
表 1 测试钻孔主要参数
Table 1 Main parameters of test boreholes
参数 1号测试钻孔 2号测试钻孔 开孔直径/mm 127 91 开孔深度/m 2.0 — 孔口管直径/mm 110 — 孔口管长度/m 2.0 — 终孔直径/mm 91 91 钻孔方位角/（°） 31 42 钻孔倾角/（°） 40（俯角） 70（仰角） 钻孔与巷道夹角/（°） 90 80 煤岩层真倾角/（°） 5.6 6.0 钻孔与煤岩层走向线夹角/（°） 81 87 煤岩层视倾角/（°） 5.5 6.0 钻孔总深度/m 30 10 控制3号煤层底板最大真厚度/m 29 11 
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表 2 工作面采动底板变形感应距
Table 2 Deformation induction distances of mining floor of working face
测点垂深/m 超前距/m 滞后距/m 感应范围/m 16 115 — — 20 110 49 159 24 102 48 150 29 96 52 148
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表 3 工作面顶底板岩层物理力学参数
Table 3 Physical and mechanical parameters of working face roof and floor strata
岩层 密度/
（kg·m−3）体积模量/
GPa剪切模量/
GPa黏聚力/
MPa内摩擦角/
（°）抗拉强度/
MPa中细砂岩 2 650 2.90 1.74 9.5 41 4.2 泥质岩 2 550 2.61 1.35 7.6 30 3.0 粗砂岩 2 690 3.35 2.30 10.7 45 4.9 3号煤层 1 400 2.08 0.54 1.2 20 0.6 粉砂岩 2 600 2.91 1.50 7.8 32 3.6 石灰岩 2 800 5.57 4.53 11.4 48 6.7
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