受開采方式影響下的采場底板破壞特征試驗分析

張大歡，付寶杰

（1.淮南礦業（集團）公司，安徽 淮南232001，2.安徽理工大學，能源與安全學院，安徽 淮南232001）

0 引言

華北石炭二疊系煤田是我國重要的產煤區之一，這部分煤炭產區最下部煤組底板賦存有豐富的太原組灰巖含水層及奧陶紀灰含水層，一般與煤層間距30~100 m，容易形成底板突水。承壓水上煤層開采的主要方法有2種[1]：一是強力抽水卸壓；二是工作面承受一定水壓力進行開采。為減少對煤層底板擾動破壞，降低開采強度是行之有效的方法之一[2]，對于厚煤層，采用分層開采可以減小采動應力對煤層底板的影響程度，底板隔水層破壞深度也會減少，這方面理論及實踐研究成果較豐富[3-6]，但2種開采方式下煤層底板的破壞特征或破壞裂隙發育規律卻少有人進行對比研究。

為對比分析承壓水體上厚煤層不同開采方式底板巖層裂隙發育、擴展、貫通的動態過程，鑒于相似試驗具有直觀性強、靈活性高、重復性好等優點，可以形象地描述受采動影響下煤層底板變形、破裂過程，通過對比分析開采方式對底板導水裂隙發育規律的影響，為承壓水上煤層開采方案設計提供參考。

1 地層條件

淮南潘謝礦區A組煤由于儲量豐富、結構穩定、發熱量高等優點，為礦井創造了巨大的經濟效益。A組煤主要由A1和A3兩煤層組成，其中A1煤層均厚3.78 m，A3煤層均厚5.07 m，2個煤層之間有1~5 m夾層，局部合成特厚煤層，煤層埋深約為500 m。但由于該煤組底板賦存有灰巖強含水層，開采過程中，主要是太原組3灰含水層對A組煤安全回采構成威脅，3灰水壓約4.5 MPa，具體如柱狀圖1所示。

2 相似材料模擬試驗

2.1 試驗方案設計

按圖1所示柱狀，設計并實施了2種相似材料模擬試驗方案，旨在分析不同開采方式對底板破壞規律，了解底板隔水層圍巖變形、裂隙擴展特征。

圖1 巖層柱狀

模擬試驗方案一：一次采全高（A3+夾矸+A1），在3灰巖層下部放置壓力水袋，水袋在模型最下部。

模擬試驗方案二：逐層開采，先上后下，即先開采A3，待覆巖穩定后再開采A1，3灰中壓力水袋布置與方案一中相同。

2.2 試驗過程

本次試驗主要按模型鋪設、試驗準備和承壓水上開采3個階段進行。

在模型鋪設階段，首先調整好模型架，將一定比例的各種相似材料鋪在模型中模擬實際巖層，各巖層之間用云母粉加以分隔，為實現含水層上開采的承壓效果，在C3灰巖層中安設壓力水袋。在試驗前準備階段，用白色涂料將模型表面粉刷，并用黑色墨線標出5 cm×5 cm的網格，可以更好的監測煤層開采后采場圍巖變形破壞過程。

模型養護7~10d達到要求后，應將重力加載、變形測試、電法測試系統及時安裝，然后進入承壓水上開采階段。開采時，在模型上邊界布置6個千斤頂補充地層壓力3.5 MPa。按應力相似比，為實現現場4.5 MPa水壓以煤層底板的作用，通過調節水頭高度，使得水袋壓力達到0.027 MPa。

模型設計開切眼距離模型左邊界60 cm，停采線距模型右邊界60 cm。每次2 h開挖5 cm，近似于實際工作面推進5 m。整體模型如圖2所示。

圖2 相似模型

3 不同開采方式底板破壞特征

通過相似模擬實驗，得出了A1、A3 2個煤層同時開采及逐層開采時，采場底板裂隙演化規律，據此總結了不同開采方式下底板隔水層破壞特征：

1）工作面采用不同開采方式時，底板產生裂隙時間不同，但產生裂隙的方位和裂隙的類型大體一致，基本在采空區中部，巖層受拉產生豎直方向的張開裂隙；隨工作面推進距離增加，底板應力卸載程度及卸載壓范圍增大，在含水層附近沿層理方向出現順層裂隙，在停采線位置，順層裂隙斜向上發育形成穿層裂隙。

圖3 一次采全高工作面底板裂隙分布

2）2層煤同采時，受采動應力及底板水壓作用，底板破壞程度較逐層開采時更為充分，底板破壞過程更加明顯。A1、A3兩煤層同時開采時，3種形態裂隙相互貫通，工作面底板3灰承壓水突水危險性增加。

圖4 開采上分層時底板裂隙分布

3）逐層開采下煤層時，重復采動使得煤層頂板隨采隨冒，采空區中煤層底板在較短時間被上覆垮落巖層壓實，致使上煤層開采時已產生的裂隙部分閉合（見圖5）。

圖5 開采下分層時底板裂隙分布

4）根據二次試驗結果得出的底板裂隙分布規律，總結出不同開采方式下底板破壞分區。

2個煤層一次同采的底板裂隙分布：靠近煤層底板12~13 cm范圍形成豎向裂隙帶；向下6~7 cm范圍形成斜向穿層裂隙帶；再向下4~5 cm為順層裂隙帶。所形成3種形態裂隙相互貫通，嚴重威脅工作面安全回采。具體劃分如圖6所示。

圖6 一次采全高底板裂隙帶分布

逐層開采時，底板破壞裂隙分布如圖7所示。底板自上而下分4個區域，與2個煤層同時開采相比，新增了底板巖層損傷帶，可以看作底板有效隔水巖層厚度，這也就意味著逐層開采時底板受采動應力影響較小，底板裂隙未完全貫通，該開采方式對底板突水事故的發生能起到有效預防作用。

圖7 開采下分層底板裂隙帶分布

4 結論

1）受采動應力及水壓雙重作用下，近距離厚煤層整體一次開采較逐層開采對煤層底板擾動影響劇烈，導致底板巖層破壞更加充分，更容易形成底板導通裂隙，發生工作面突水。

2）工作面開采后，先后在煤層底板形成豎向張裂隙、順層裂隙及斜向穿層裂隙，不同的開采強度使得3種裂隙發育范圍及相互溝通程度不同。

3）近距離厚煤層由上而下逐層開采時，煤層底板受頂板充分垮落巖層的壓實作用，使得已產生的裂隙部分閉合，尤其在泥質巖層中，彌合的裂隙也將會阻隔流體。