承壓水上采煤底板破壞機理與深度分析

王宇坤 魏中舉 馮紹輝 杜衛東 謝帥 肖念波

摘要：文章通過結合彈塑性理論和巖體力學對近距離高承壓水上采煤下伏煤巖層破壞的深度和影響因素進行分析，并結合膏體充填開采等價采高理論和等效巷道的時空性，分別對11607膏體充填工作面底板應力分布特征、破壞深度進理論分析和計算。根據11607工作面現場實際，采空區充填之前頂底板移近量在200～300mm之間，充填體壓縮率小于1%，要求現場充填后欠接頂量為0。相關數據代入公式計算得試驗充填工作面的等價采高在390～490mm之間。經等價采高理論計算可知，初步判定試驗工作面下伏煤巖層破壞的深度在2.5～3.0m之間。

關鍵詞：承壓含水層;底板破壞;機理分析;深度計算

引言

雖然近年來我國對于清潔能源進行了大力開發和研究，但我國的主要能源依然以煤炭資源為主的格局在未來的幾十年里估計不會發生改變。據此，為了實現我國經濟的可能持續發展，實現能源的清潔和合理開采勢在必行。我國煤炭工業經過百余年的發展，長期以來貫行優先開采優質、賦存條件較好的煤層，隨著埋深較淺的煤層被大量采完，我國多數煤礦被迫進入深部進行采煤，目前我國許多煤礦的采深已經超過千米。但隨著煤礦采深的增加，沖擊礦壓、地熱、煤與瓦斯突出、底板突水等礦井災害也大量增加，這對于煤礦的安全高效開采構成了嚴重的威脅[1-4]。煤層下伏煤巖含水層突水的主要原因是煤層間隔奧陶系灰巖距離小，煤層開采后受采動影響對下伏煤巖隔水層造成了破壞進而引發底板突水。目前我國煤礦下伏煤巖層突水的問題非常突出，在我國華北、華南大部分煤田和少部分新生和中生代煤田，這幾類煤田的地層中大量含水，而且含水巖層的影響范圍較廣，對煤礦安全高效開采構成了嚴重威脅。隨著煤礦采深的增加，復雜的礦井地質水文條件，加上煤層下伏石炭和寒武系中含水層的水壓的增加，以及煤層下伏含水層厚度的降低，發生沖擊礦壓、地熱、煤與瓦斯突出、底板突水等礦井災害的機率也大大增加，對煤礦安全高效開采構成了嚴重威脅。

1工程概況

某煤礦試驗工作面東部與大務屯村相距44m，東南方向與辛莊村相距450m，東北方向與西王村相距209m，工作面范圍內地面以農田為主，在東西方向有高壓線鄰近工作面通過。工作面設計傾斜和走向平均長度分別為120m、1000m。工作面地面標高在+37.1～+41.4m之間，平均標高為+40.3m;工作面底板標高在-443.5m～-516.9m之間，平均標高為-501.3m。工作面埋深在480.6～558.3m之間，平均埋深541.6m。工作面內16號煤層厚度在1.65～2.35m之間，平均煤厚2.16m，平均傾角12°，煤層局部含細粒砂巖夾矸，厚度在0.10～0.27m之間。工作面井下東南方向相距11605皮帶巷約為60m，東北方向為1160膠帶上山，西北方向相距11609軌道巷約為45m。

2承壓水上采煤底板破壞深度分析

一定范圍的煤層底板受載后，當其表面的荷載超過某臨界荷載時，煤層下伏煤巖層在一定深度內將形成塑性區，該區域內煤巖體發生塑性變形。

一定范圍內的底板巖體承受最大載荷Pm而導致破壞時，底板巖體塑性區在荷載作用范圍內的將連成片，導致底板發生底鼓變形，向采空區內移動變形的底板巖體，將產生一個連續的滑移面。魏西克[81]結合現場開采實際，通過壓力試驗測試，提出了計算巖體塑性滑移時巖體的承載極限理論公式。

張金才[82]通過對魏西克公式的補充和修改，提出了更合理的計算底板巖體的承載極限理論公式[5-8]：

當工作面下伏煤巖層發生破壞，產生塑性破壞范圍時，將工作面下伏煤巖層塑性破壞范圍劃分成：主動極限范圍（如圖1的I區）、過渡范圍（如圖1的II區）和被動極限范圍（如圖1的III區）。其中，ab和ac兩條直線分別構成主動極限范圍a、ab和被動極限范圍acd;以起點為a的兩組放射線和一組對數螺旋線構成了過渡范圍a’bc。圖1中acd三角形區域為被動極限范圍，其正上方是采空區，主動應力經主動極限范圍a’ab再經過渡范圍abc傳遞到該區域，此區域應力的方向為垂直向上，破裂面滑移線為直線dc，與底板的夾角為45o-φo/2。圖1中a’ab區域為主動極限范圍，因正上方是工作面煤壁，該范圍承受垂直向下的最大主應力，產生的滑移面與底板的夾角為45o-φo/2。abc區域為過渡范圍，它是以起點為a的兩組放射線和一組對數螺旋線構成，該區域的滑移線為對數螺旋線bec，采空區下伏煤巖層的最大破壞深度為e點位置，滑移線bec的方程[5-8]為：

根據底板塑性區圖1可知，受煤層開采采動影響工作面底板形成塑性區是導致底板發生底鼓變形的直接原因。隨著煤層開采后，采空區頂板失去了原煤層的支承作用，采空區上覆煤巖層自重載荷由采空區四周的煤體承擔。隨著煤層開采進尺增加，采空區也不斷增加，上覆煤巖層自重載荷對底板的作用也增大，導致采空區下伏煤巖層產生塑性區。根據底板塑性區圖1可知，垂直應力作用在a’ab區，使其發生壓縮變形，將應力經過渡范圍abc傳遞到acd被動區域，當被動區上方采空區無充填體時，即沒有載荷作用在底板上，acd被動區范圍內的煤巖層將向上發生隆起變形，進而導致底板發生底鼓變形。根據圖1推導過渡區內底板最大破壞深度[5-8]為：

當工作面未采用膏體充填開采時，實際采高m與其等價采高md相等，據此，將xa代入公式（4），便可求出煤層下伏煤巖層的塑性區最大深度h。當工作面采用膏體充填開采時，要計算工作面下伏煤巖層破壞的深度，除了考慮工作面煤巖體力學參數外，還需要考慮膏體充填工作面等價采高md，下面將對md計算方法進行分析。

3膏體充填開采等價采高分析

根據膏體充填開采等價采高計算模型如圖3所示，工作面采用膏體充填開采的等價采高組成主要包括三個部分：1）充填體欠接頂量Δ，其產生的主要原因是充填工藝和技術的不足;2）頂底板移近量δ，由于煤層被采出后煤巖層的原始狀態被打破，造成巖層發生協調變形和移動構成;3）充填體的變形量S，該變形量具體又包括兩部分：充填體承受采空區上覆煤巖層自重壓力而發生的壓縮變形S1和充填體固化凝結過程中發生泌水導致的收縮變形S2，在現場應用中，膏體充填材料在固化凝結過程中基本不會發生泌水，采空區圍巖能吸收一定的泌水，所以在計算充填體變形的時候不考慮充填體泌水導致的收縮變形。

工作面采用膏體充填開采的等價采高md，則md=δ+Δ+S，由于不考慮充填泌水導致的變形，所以式中充填體的壓縮變形等于充填的變形。假定充填體壓縮率為η，則其壓縮量為S2=η×h，據此，推導出理論計算等價采高md的公式[5-8]如下：

根據現場試驗工作面的開采實際，工作面平均埋深為514.6m，工作面平均割煤高度為2.16m。采空區充填之前頂底板移近量δ在200～300mm之間，充填體壓縮率為η小于1%，要求現場充填后欠接頂量Δ為0。相關數據代入公式（6）計算得：11607充填工作面的等價采高md在390～490mm之間。

根據現場試驗工作面的開采實際可知，16號煤層評價埋深H為514.6m，煤體內摩擦角φ約為25°，煤體內聚力Cm約為0.5MPa，等價采高md為0.39～0.49m，應力集中系數n小于4，底板φ0為45°，巖層平均容重γ為2500kN/m3。將相關數據帶入（5）公式得：

參考文獻：

[1]華心祝，楊朋.深井大斷面沿空留巷底板變形動態演化特征研究[J].中國礦業大學學報，2018，47（3）：494-501.

[2]王連國，韓猛，王占盛，等.采場底板應力分布與破壞規律研究[J].采礦與安全工程學報，2013，30（3）：317-322.

[3]王作棠，周華強，謝耀社.礦山巖體力學[M].徐州：中國礦業大學出版社，2010.

作者簡介：王宇坤（2001.01）男，漢族，貴州盤州市人，在讀本科學生，主要從事采礦工程專業方面的學習和研究。

國家級大學生創新創業訓練計劃項目（項目編號：202110977017）