煤炭開采對煤層底板變形破壞及滲透性的影響

趙玉海

【摘 要】對于開采的各種地質問題都是我們面臨的重要問題及難題，合理科學的方法可以避免事故的發生。

【關鍵詞】煤炭開采；煤層底板變形；滲透性

一、前言

煤炭的安全開采越來越升到國家的重視，每次煤炭開采坍塌事故都會造成大量人員傷亡，和嚴重的財產損失，加強對煤炭開采的地質研究是時代必然。

二、現狀

礦井涌水是煤礦發生的五大災害之一，嚴重威脅著工人的生命和財產安全。隨著開采深度的增加，地質條件變得越來越復雜，深井涌水問題日益突出。河南煤礦工作面位于背斜軸線上，煤層底板開裂。工作面留下的保水煤柱引起底板應力集中，加劇了煤層底部的破壞，最終造成寒武系石灰巖海水泛濫。出。華北淺層煤炭資源日益枯竭，深部煤炭資源的安全開采受到煤層底板封閉水的威脅。現有的煤層底板突水評價方法主要是基于突水系數法。該方法只考慮了封閉水壓力和地面保水層厚度的影響，該方法的基本數據主要來自淺層煤層地面涌水案件。

在“三高一擾動”（高地應力，高地溫，高滲透水壓力，強采動擾動）復雜應力環境下的深部巖體，增加了煤層底部開采破壞的深度，煤層。水的性能增加了煤層底板突水的風險。華北地區深部煤炭資源受高壓水壓影響較大，難以滿足突水系數法規定的臨界值。

深部煤層底板的變形破壞機理和涌水規律特別復雜。現有的突水系數法難以應用于深部煤層底板突水的風險評估。因此，深部煤層底板變形破壞機理及突水風險評估方法的研究是華北地區深部煤炭資源安全開采的主要安全生產任務。

三、對底板變形及滲透的研究

含水層條件和導水通道條件對采煤過程中發生的突水危害均有一定影響。對大量涌水案例的分析表明，通過制定突水系數的概念并建立其經驗公式，并根據試驗選取的含水層壓力和水屏障厚度兩個主要影響因素，該公式可以快速應用和推廣在采礦過程中。隨著研究過程的不斷推進和深入，專家們考慮了壓力和水壓對地下室隔水層的破壞性影響。同時，他們從礦壓和水壓因素中選擇了底板損壞的深度。

因此，通過確定采煤過程中底板巖石的變形程度和破壞深度，評估煤層底板突水危害是必要的和重要的。經過長期的實踐研究和經驗，許多專家逐漸開始研究地質和采礦因素對煤層底板破壞性突水的影響，取得了較好的效果。但由于地質條件復雜，仍然需要系統地研究開采因素對煤層底板的變形破壞。這不僅可以幫助煤礦工人有效預測采煤過程中煤層底板突水情況，而且對煤礦未來走向具有理論和現實意義。

1.底板巖體的滲透性隨著破壞而呈現出規律性變化

綜合以往的研究經驗表明，不同巖石應變的應變應變曲線變化基本一致。隨著不同巖性巖石在不同階段的變化，分析各階段巖性巖石的性能是非常重要的。一般來說，在小裂縫閉合階段結束后，在彈性變形階段發展較好，隨后的成形階段在達到峰值強度時軟化應變力。通過剩余強度值，可以獲得巖性巖石從殘渣到完全破壞破壞的變化過程。在這個過程中，巖石體積逐漸減小，巖石滲透率隨著應力的增加而變化很小。當巖石峰值達到軟化階段時，滲透率達到最大值，然后再次下降。在殘余力量階段，一切都趨于平和。巖石的滲透性是應變過程中的應變函數。在這個過程中，巖石孔隙和裂縫被擠壓，巖石體積縮小，巖石穿透，應力極端加強，導致巖石巖石的滲透性。盡可能增加，但在這方面，不同的巖石有不同的變化。例如，測試了16個砂巖的全應力-應變過程。得出結論，巖石軟化應變階段是滲透率最頻繁發生的階段。巖石破壞與滲透率不同步，但只有在破壞達到一定水平時才達到峰值。因此，在采煤過程中，必須防止巖石的進一步破壞，并在破壞后使巖石軟化。

2.煤炭開采后巖體底板變形破壞特征及規律

我們將通過模擬FLAC（近年來一種新的數值分析方法）來探討煤礦開采對煤層底板破壞的影響。這種模擬方法是模擬不同煤層的長度。以礦區煤田為例，測量了煤層的深度，厚度和傾角，并對模型的長度，寬度和高度進行了測量。模擬結果出來后，很明顯，有一個支撐應力區，煤層底受到前所未有的高壓，地面巖石的應力減小。底板在前進壓力的壓縮區呈現橫向彎曲的形式，巖體下部由于水平拉伸而開裂，并且隨著張力的增加而不斷變化。在工作過程中，隨著工作表面的增加，底部的巖石體將增加位移。當工作面繼續前進時，位移會明顯增加水平應力，導致煤層底板總應力增大，導致煤層底部破壞深度增加。強度增加的重要原因之一。

因此，在考慮采煤地板的破壞深度時，我們必須全面了解地板的變形和破壞情況。卸巖區位于工作面和采空區。加載過程相對穩定后，卸載區可以長期存放在采礦工作面上，該區域是采礦過程中礦壓的直接破壞區域。煤層底板的垂直應力隨著巖體中工作面的長度而增加。在采煤工作中，煤層的垂直應力不斷減小，但采礦工作后，其應力會逐漸增大。根據模擬結果與實際情況的結果，整個煤層開采過程中出現的規律是穩定不穩定然后穩定的過程。煤層自上而下的結構可分為三個區：彎曲下沉區，裂隙區和下降區。橫向四個不同的區域是基于開采后的煤體底板的沖擊特性。狀態變化是從原始應力狀態到壓縮變形向膨脹破壞最后恢復的一個從完整到破碎巖石的過程。接近原始壓力狀態。工作表面的不斷增加，巖體的各個部分都經歷了一個循環變形過程。隨著地板的變化，地板的湍流會逐漸減少。在采煤過程中，當底部巖體處于原始巖石狀態時，滲透率普遍較低。當地層巖體處于高級軸壓下時，應力逐漸增大，滲透率降低。當巖體發生膨脹破壞時，巖體滲透性增大，滲透率在此期間達到最大值。在采空區壓力作用下，恢復到原來的狀態，滲透率逐漸下降。

四、煤炭開采底板巖體變形破壞特征及滲透規律

為了了解煤炭開采對煤層底板變形破壞的影響，應用FLAC3D數值模擬軟件，對不同回采工作面長度進行了開采模擬計算。地質模型12號煤層為對象（圖1），12號煤層深280～510m，煤層厚度平均約為6m，傾角為8o～3o。取模型的長（Y方向）、寬（X方向）、高（Z方向）分別為600m、500m、300m。地質模型巖性由上至下依次為細砂巖、粉砂巖、12號煤層、泥巖、砂巖、粉砂巖和奧陶系石灰巖，模擬采用Coulomb-Mohr力學模型，模型計算中各層所采用的巖石力學參數根據試驗獲得，在模擬開采過程中，是在初始應力場的基礎上采用全部垮落法采煤，在回采空間的覆巖重量作為附加應力分布在煤層和其兩側回采工作面邊緣。

五、結束語

通過對煤炭開采煤層底板變形破壞的分析，提出具有針對性的措施，研究滲透性的影響，總結出相應的防護措施，預防重大事故的發生。

【參考文獻】

[1]張金才，張玉卓，劉天泉.巖體滲流與煤層底板突水[M].北京：地質出版社，2017.