采动影响陷落柱活化导水规律试验研究

李振华¹，谢晖¹，李见波²，贺志宏³

(1. 河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作，454010；

2. 华北科技学院 安全工程学院，河北 三河，065201；

3. 山西焦煤集团有限责任公司，山西 太原，030053)

摘要：为研究采动对陷落柱的活化作用，以双柳煤矿工作面穿X15陷落柱为研究对象，采用自行研发的相似模拟试验系统，对上、下组煤开采过程中影响下陷落柱活化导水过程进行相似模拟试验，观测陷落柱周围渗流场及视电阻率的变化规律。研究结果表明：充水陷落柱周边发育有塑性破坏区和渗透区域，塑性破坏区发育较不规则，渗透区域由下向上逐渐变大，在垂向平面，柱体顶部呈圆弧形状；随着开采工作面与陷落柱接近，采动破坏区逐渐与陷落柱渗透区域联系，陷落柱周边围岩物性发生相应变化，视电阻率变小；当陷落柱周边塑性区与工作面前方塑性区相互贯通时，形成导水通道，工作面发生突水；陷落柱柱体周边的渗透区域随着时间和水压增大而不断扩展，水流的不断冲刷导致下柱体的塑性破坏区不断扩大，塑性破坏区发育程度与水压呈正相关关系。

关键词：采动影响；陷落柱；活化导水；渗透区域；塑性区；相似模拟

中图分类号：TD353          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2014)12-4377-07

Experimental study of mining effect on collapse column activated water conducting mechanism

LI Zhenhua¹, XIE Hui¹, LI Jianbo², HE Zhihong³

(1. School of Energy Science & Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China;

2. School of Safety Engineering, North China Institute of Science & Technology, Sanhe 065201, China；

3. Shanxi Coking Coal Group Co. Ltd, Taiyuan 030053, China)

Abstract: To study the effect of mining on the activation of collapse column, the X15 collapse column from working face in Shuangliu Mine was taken as the research object. The physical simulation experiment about mining effect on collapse column activated water conducting was carried out by the self-designed similar simulation experiment system, and the change laws of seepage field around collapse column and apparent resistivity were observed. The results show that there are plastic failure zone and seepage zone around the water filling collapse column.The plastic failure zone develops less rules, the seepage zone is gradually bigger from up to down, and the top of collapse column manifest shows circular shape. When the working faces are close to collapse column, the mining failure zone begins to connect with the seepage zone, so the physical properties of wall rock change correspondingly and apparent resistivity becomes less. When the collapse column surrounding plastic zone and working face plastic zone are interconnected to form water conducting channels, the water inrush occurs. The seepage zone around collapse column changes with time and water pressure, the plastic failure zone becomes bigger by current scour, and there is a positive correlation between them.

Key words: mining effect; collapse column; activated water conducting; seepage zone; plastic zone; similar simulation

煤矿突水已经成为影响矿井安全生产的重要危害之一，地质构造(断层和岩溶陷落柱)引起的矿井突水达80%^[1]。岩溶陷落柱是造成煤矿突水事故发生的主要地质构造之一。陷落柱的存在不但破坏煤层，减少可采储量，影响综合机械化采煤的顺利进行，更重要的是陷落柱是水和瓦斯的通道，给矿井安全生产带来严重威胁。由于陷落柱导致的突水具有突发性、突水量大、经济损失大及治理费用昂贵等特点，对煤矿安全生产、环境及当地人民生活带来了巨大的危害。自20世纪60年代以来，河南铜冶煤矿、开滦范各庄矿相继发生了多起陷落柱突水事件，陷落柱导水问题开始引起人们的重视，许多科技工作者研究陷落柱的导水机理，取得了一些研究成果，在一定程度揭示了陷落柱突水规律^[2-10]，其研究手段主要是理论分析和数值模拟，但由于缺少试验系统，很少进行陷落柱突水试验，即使进行试验效果也很不理想^[11-12]。基于此，本文作者以双柳煤矿工作面穿X15陷落柱为研究对象，采用自行研制的相似模拟试验系统，对上、下组煤采动影响下陷落柱活化导水过程进行相似模拟试验，通过观测陷落柱周围渗流场及视电阻率的变化规律，探索采动影响下陷落柱周围渗流场和应力场的演化规律，以揭示采动影响陷落柱活化导水规律，为预防采动过程中陷落柱活化导水提供依据。

1  工程概况

双柳煤矿地处河东煤田中部，在水文地质单元中属柳林泉域系统。目前开采二叠系山西组3号、4号煤层(上组煤)，为了有效配采资源和实现企业的可持续发展，双柳煤矿决定增加产量开采石炭系上统太原组8号、9号煤层(下组煤)。下组煤上覆有太原组薄层灰岩，下伏有奥陶系高承压含水层，上组煤底板承受奥灰水压5 MPa，下组煤底板承受奥灰水压6 MPa左右，因此，该部分煤炭资源的开发将面临我国华北型煤田普遍存在的矿井水害问题，对奥灰岩溶水和太灰岩溶水的防治将是重中之重。

220工作面位于二采区前进方向的北翼，工作面南北向布置，东邻218工作面(已经回采完)，西侧为222工作面(掘进工作面)。220工作面正在开采的3号、4号合并煤层属二叠系山西组下段顶部煤层，该煤层区内稳定，结构复杂，含2~4层厚0.01~0.20 m的深灰—黑色碳质泥岩、泥岩夹矸层；区内煤层倾角为0~8°，平均为3°。3号、4号并层煤顶板主要为中—粗粒砂岩；底板为黑—黑灰色碳质泥岩、泥岩。煤层的充水含水层为上部的山西组砂岩和下部的太原组砂岩、奥陶系岩溶裂隙水。

2008-05，在220施工巷揭露X15陷落柱，平面形态呈似圆形状，剖面形态呈倒漏斗状。长轴走向NW，长度为70~80 m；短轴走向NE，长度为60~70 m。该陷落柱柱体呈斜倒漏斗状，柱体内充填物以泥岩和砂质泥岩为主，陷落柱中部充填石盒子组地层，泥质胶结，胶结中等，发育有少量黄铁矿晶体，垮落角为80°。陷落柱周围岩层产状变化较小，向柱体倾斜。陷落柱周围煤层围岩层稳定，裂隙发育。在巷道掘进过程中，巷道底板发生出水，严重影响掘进速度。陷落柱平剖面如图1所示。

图1  X15陷落柱平剖面图

Fig. 1  Profile map of X15 karst collapse column

2  试验设计

2.1  试验系统设计

试验采用自行研发的底板突水机理物理模拟试验系统。该系统主要包括：1) 长×宽×高为1 800 mm×1 400 mm×500 mm的二维模拟试验台；2) 水箱、液压泵及水压控制系统；3) 加压千斤顶；4) 数据采集系统。该试验台左右两侧及底部为钢质结构，前部为透明有机玻璃挡板，后部为可拆卸式帮板，模型架可以实现试验过程中对水的全密封。水压控制系统额定水压力为0~1 MPa，精确度为0.001 MPa，可以根据试验需要调节水压和水流量，保持恒压，并观测水的流量。数据采集系统可以获得突水量、应力、岩体位移、视电阻率和孔隙水压力等数据。该试验系统能够进行承压水上开采煤层底板突水及地质构造突水等相似模拟试验。

2.2  试验方案

为了得到不同条件下导水陷落柱的突水规律，以现场X15陷落柱为研究对象，设计了不同试验方案进行研究分析。假设陷落柱发育在奥灰含水层，与奥灰含水层导通，进行上、下组煤开采，通过试验研究上、下组煤开采时导水陷落柱周边应力场、渗流场和塑性破坏区的变化特征。试验方案分为以下3种情况：1) 上组煤开采时陷落柱周边渗流场和塑性破坏区的发育过程模拟；2) 下组煤开采时陷落柱周边渗流场和塑性破坏区的发育过程模拟；3) 不同水压作用下陷落柱周边渗流场和塑性破坏区的发育过程模拟。

2.3  力学参数

岩层的力学参数如表1所示。

2.4  边界条件

双柳矿地面标高为+703~+860 m，平均标高为+731.5 m，工作面距地表的高度平均为200 m，模拟时取200 m进行设计。根据相似模拟试验原理，模型几何相似比为1:100，容重相似比为1.0:1.6，模型铺设高度为1 100 mm，模拟顶板岩层高度为50 m，剩余150 m的高度采用加载方式产生压力。上覆岩层模型的容重为2 400 kg/m³，150 m深度产生的压强为(式中，σ为压强，MPa；γ为岩层容重，kg/m³；h为埋深，m)。

根据模型的尺寸以及预定比例，实际加载压力为(式中，F为加载压力，kN；S为加载面积，s²；a_σ为容重相似比)。设定时间相似比为 (式中，a_t为时间相似比，a_L为模型的几何相似比)。

2.5  模型制作

相似试验模型如图2所示。在铺设岩层过程中，在上组煤底板距煤层15 cm处铺设电极电缆，电极电缆共有10个电极，电极间距15 cm。在下组煤底板5 cm处铺设电极电缆，电极电缆共有11个电极，电极间距15 cm。在陷落柱正上方埋设1个孔隙水压力计探头，通过孔隙水压力计观测陷落柱端头水压力，监测和控制水压。同时，在上、下组煤层底板分别埋设13个应变片。

图2  模型铺设图

Fig. 2  Diagram of laying model

3  试验结果分析

3.1  上组煤开采

上组煤不同开采距离时陷落柱围岩破坏情况如图3所示。由图3可知：工作面开挖前，测量底板的初始视电阻率，采集应变片初始参数；开挖前陷落柱先行注水为近饱和状态，以使与真实的地质条件相一致；陷落柱注水以后，在陷落柱周边形成塑性破坏区和渗透区域，塑性破坏区发育较不规则，渗透区域由下向上逐渐变大，在垂向平面，柱体顶部呈圆弧状；等陷落柱周边渗流区域相对稳定时，开挖煤层；从工作面后方进行开挖，开挖处距试验台右端头15 m，开挖步距为5 m；第1次开挖结束后，开始第2次测量顶板电阻率，并且记录应变片数据和孔隙水压力。然后每开挖1次测量1次参数。

表1  220工作面顶底板岩性参数

Table 1  Lithology parameters of roof and floor in 220 working face

图3  上组煤不同开采距离时陷落柱围岩破坏情况

Fig. 3  Failure states of wall rock under different extraction distances of upper coal group

随着工作面开挖，渗透时间延长，陷落柱周边渗透区域刚开始变化较小，基本保持在稳定原始渗透区域；工作面继续开挖，当采动造成塑性破坏区逐渐接近陷落柱时，陷落柱周边围岩物性发生变化，渗透区域视电阻率开始发生变化；开挖55 m时，顶板继续垮落，在陷落柱顶部岩层出现明显裂隙，渗透区域扩大到工作面，陷落柱周边塑性区与工作面前方塑性区相互贯通，形成导水通道。

上组煤底板直流电法单倍距视电阻率测量结果如图4所示。由图4可知：以陷落柱为中心，在左右60 m的平面内，视电阻率变化规律相似，表现为陷落柱处的视电阻率较小，远离陷落柱处视电阻率逐渐变大；接近陷落柱区域，视电阻率有变小趋势。由于水压作用渗透区域不断扩大，陷落柱周边岩体的物性发生变化，直观表现为岩体的视电阻率变小。将开挖前与开挖后视电阻率变化曲线相比较，开挖55 m时，视电阻率最小，此时，采动造成塑性破坏区触及陷落柱周边渗透区域，陷落柱周边围岩物性进一步发生变化，直观表现为围岩视电阻率变小。

上组煤开采实时监测应力变化曲线如图5所示。由图5可知：在煤层底板共埋设13个应变片，陷落柱大致位于第8个应变片处；工作面从右边开挖，依次采集了工作面开挖20，30，40，45，50和55 m时应力变化。由图5可知：陷落柱处应力明显低于周边围岩压力，柱体两边出现应力集中，由于采动的影响陷落柱两侧应力分布并不对称；工作面采动后，底板承受拉应力；随着工作面开采距离增大，底板拉应力不断增加。

图4  上组煤煤层底板直流电法单倍距视电阻率曲线

Fig. 4  Single distance resistivity curves of DC method of coal floor in upper coal group

3.2  下组煤开采

下组煤不同开采距离时陷落柱围岩破坏情况如图6所示。在上组煤开采结束后，进行下组煤开采。与上组煤开采相类似，陷落柱注水后，在陷落柱周边形成塑性破坏区和渗透区域，塑性破坏区发育不太规则；渗透区域由下向上逐渐变大，在垂向平面，柱体顶部表现为圆弧状。

图5  上组煤开采应力变化曲线

Fig. 5  Stress distribution curves of mined upper coal group

在工作面开挖侧，由于工作面采动，陷落柱周边渗透区域几何形状向外凸出；当下组煤开采时，陷落柱的渗流场较上组煤开采时发生一定的变化。下组煤开采与上组煤开采的情况不同，当工作面开挖45 m时，工作面触及陷落柱周边渗透区域，形成突水危险通道，继续开采会诱发突水；与上组煤开采相比较，触及陷落柱渗透区域的距离更短。

下组煤煤层底板直流电法单倍距视电阻率测量结果如图7所示。从图7可见：下组煤开采时测量下组煤底板视电阻率变化规律与上组煤开采的视电阻率变化规律基本一致；以陷落柱为中心，左、右60 m的平面内，视电阻率变化规律相似，表现为陷落柱处的视电阻率较小，远离陷落柱处视电阻率逐渐变大；接近陷落柱区域，视电阻率有变小趋势。由于水压作用渗透区域不断扩大，陷落柱周边岩体的物性发生变化，直观表现为岩体的视电阻率变小。开挖前与开挖后视电阻率变化曲线相比较，开挖45 m时，视电阻率最小，此时采动造成塑性破坏区触及陷落柱周边渗透区域，陷落柱周边围岩物性进一步发生变化，直观表现为围岩视电阻率变小。

下组煤开采实时监测应力变化曲线如图8所示。在煤层底板共埋设13个应变片，陷落柱大致位于第8个应变片处；工作面从右向左开挖，依次采集了工作面开挖10，15，20，30，40和45 m时的应力。通过分析上组煤开采时所监测的应力分布曲线可以看出：与上组煤开采时应力分布规律相似，陷落柱处应力明显低于周边围岩压力，柱体两边出现应力集中。由于采动的影响，陷落柱两侧应力分布并不很对称。工作面采动后，底板承受拉应力。随着工作面开采距离增大，底板拉应力亦不断增加。与上组煤相比较可以看出：下组煤开采时陷落柱两侧的集中应力大于上组煤的集中应力。

图6  下组煤不同开采距离时陷落柱围岩破坏情况

Fig. 6  Failure states of wall rock under different extraction distances of lower coal group

图7  下组煤煤层底板直流电法单倍距视电阻率曲线

Fig. 7  Single distance resistivity curves of DC method of coal floor in lower coal group

3.3  不同水压条件下主体周围破坏区的演化模拟

按照水压比降和突水系数控制泵压及泵的流量，计算安全突水系数T_S＜0.06 MPa/m；将水压控制在0.060 MPa以内，设计水压分别为0.005，0.012，0.032和0.035 MPa。

图9所示为不同水压作用下陷落柱周边渗流场和塑性破坏场分布情况，其由大至小渗透区域面积所对应的水压依次为0.035，0.032，0.012和0.005 MPa。通过分析图9可得：1) 渗流区域随着水压增大而增大，当水压为0.005 MPa时，渗透区域最小；当水压为0.035 MPa时，渗透区域最大；2) 塑性破坏区域随着水压增大发生二次发育，不断变大，塑性破坏区发育程度与水压呈正相关；3) 柱体周边的渗透区域随着时间的延长而不断扩展变大。在水流的不断冲刷下柱体的塑性破坏区不断扩大。

图8  下组煤开采应力变化曲线

Fig. 8  Stress distribution curves of mined lower coal group

图9  不同水压条件下陷落柱围岩破坏情况

Fig. 9  Failure states of wall rock under different water pressures

4  结论

1) 充水陷落柱周边发育有塑性破坏区和渗透区域，塑性破坏区发育不太规则，渗透区域由下向上逐渐变大；在垂向平面，柱体顶部表现为圆弧状。陷落柱柱体周边的渗透区域随着时间的和水压的增大而不断扩展变大，在水流的不断冲刷下柱体的塑性破坏区不断扩大，塑性破坏区发育程度与水压呈正相关。

2) 随着开采工作面与陷落柱接近，采动破坏区逐渐与陷落柱渗透区域发生联系，陷落柱周边围岩物性发生相应变化，直观表现为渗透区域视电阻率发生变化。以陷落柱为中心，左、右60 m的平面内，视电阻率变化规律相似，表现为陷落柱处的视电阻率较小，远离陷落柱处视电阻率逐渐变大；开挖55 m时，顶板继续垮落，在陷落柱顶部岩层出现明显裂隙，渗透区域扩大到工作面。陷落柱周边塑性区与工作面前方塑性区相互贯通，形成导水通道，工作面发生突水。

3) 在工作面开挖侧，由于工作面采动，陷落柱周边渗透区域几何形状向外凸出；下组煤开采与上组煤开采的情况有所区别，表现为工作面触及陷落柱周边渗透区域时的距离不同，上组煤开采至55 m时工作面开始触及陷落柱周边渗透区域，而下组煤则为45 m。下组煤开采触及陷落柱渗透区域的距离更短。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2013-01-10；修回日期：2013-03-23

基金项目(Foundation item)：国家重点基础研究发展计划(973计划) 项目(2007CB209402)；国家自然科学基金资助项目(51104058，51374093)；教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20114116120005)(Project(2007CB209402) supported by Major State Basic Research and Development Program (973 Program); Projects (51104058，51374093) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(20114116120005) supported by the Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education)

通信作者：李振华(1979-)，男，山东金乡人，博士，副教授，从事资源开发新技术和矿山水害防治的教学与科研工作；电话: 15978790618；E-mail：jzlizhenh@163.com