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(zhì)問題都是我們面臨的重要問題及難題，合理科學(xué)的方法可以避免事故的發(fā)生。

【關(guān)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(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失，加強(qiáng)對煤炭開采的地質(zhì)研究是時代必然。

二、現(xiàn)狀

礦井涌水是煤礦發(fā)生的五大災(zāi)害之一，嚴(yán)重威脅著工人的生命和財(cái)產(chǎn)安全。隨著開采深度的增加，地質(zhì)條件變得越來越復(fù)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(yīng)力集中，加劇了煤層底部的破壞，最終造成寒武系石灰?guī)r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?，F(xiàn)有的煤層底板突水評價(jià)方法主要是基于突水系數(shù)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(shù)據(jù)主要來自淺層煤層地面涌水案件。

在“三高一擾動”（高地應(yīng)力，高地溫，高滲透水壓力，強(qiáng)采動擾動）復(fù)雜應(yīng)力環(huán)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(fēng)險(xiǎn)。華北地區(qū)深部煤炭資源受高壓水壓影響較大，難以滿足突水系數(shù)法規(guī)定的臨界值。

深部煤層底板的變形破壞機(jī)理和涌水規(guī)律特別復(fù)雜。現(xiàn)有的突水系數(shù)法難以應(yīng)用于深部煤層底板突水的風(fēng)險(xiǎn)評估。因此，深部煤層底板變形破壞機(jī)理及突水風(fēng)險(xiǎn)評估方法的研究是華北地區(qū)深部煤炭資源安全開采的主要安全生產(chǎn)任務(wù)。

三、對底板變形及滲透的研究

含水層條件和導(dǎo)水通道條件對采煤過程中發(fā)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(shù)的概念并建立其經(jīng)驗(yàn)公式，并根據(jù)試驗(yàn)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(yīng)用和推廣在采礦過程中。隨著研究過程的不斷推進(jìn)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(jīng)過長期的實(shí)踐研究和經(jīng)驗(yàn)，許多專家逐漸開始研究地質(zhì)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(zhì)條件復(fù)雜，仍然需要系統(tǒng)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(yù)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(xiàn)實(shí)意義。

1.底板巖體的滲透性隨著破壞而呈現(xiàn)出規(guī)律性變化

綜合以往的研究經(jīng)驗(yàn)表明，不同巖石應(yīng)變的應(yīng)變應(yīng)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(jié)束后，在彈性變形階段發(fā)展較好，隨后的成形階段在達(dá)到峰值強(qiáng)度時軟化應(yīng)變力。通過剩余強(qiáng)度值，可以獲得巖性巖石從殘?jiān)酵耆茐钠茐牡淖兓^程。在這個過程中，巖石體積逐漸減小，巖石滲透率隨著應(yīng)力的增加而變化很小。當(dāng)巖石峰值達(dá)到軟化階段時，滲透率達(dá)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(yīng)變過程中的應(yīng)變函數(shù)。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(yīng)力極端加強(qiáng)，導(dǎo)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(yīng)力-應(yīng)變過程。得出結(jié)論，巖石軟化應(yīng)變階段是滲透率最頻繁發(fā)生的階段。巖石破壞與滲透率不同步，但只有在破壞達(dá)到一定水平時才達(dá)到峰值。因此，在采煤過程中，必須防止巖石的進(jìn)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(guī)律

我們將通過模擬FLAC（近年來一種新的數(shù)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(qū)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(jìn)行了測量。模擬結(jié)果出來后，很明顯，有一個支撐應(yīng)力區(qū)，煤層底受到前所未有的高壓，地面巖石的應(yīng)力減小。底板在前進(jìn)壓力的壓縮區(qū)呈現(xiàn)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(dāng)工作面繼續(xù)前進(jìn)時，位移會明顯增加水平應(yīng)力，導(dǎo)致煤層底板總應(yīng)力增大，導(dǎo)致煤層底部破壞深度增加。強(qiáng)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(qū)位于工作面和采空區(qū)。加載過程相對穩(wěn)定后，卸載區(qū)可以長期存放在采礦工作面上，該區(qū)域是采礦過程中礦壓的直接破壞區(qū)域。煤層底板的垂直應(yīng)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(yīng)力不斷減小，但采礦工作后，其應(yīng)力會逐漸增大。根據(jù)模擬結(jié)果與實(shí)際情況的結(jié)果，整個煤層開采過程中出現(xiàn)的規(guī)律是穩(wěn)定不穩(wěn)定然后穩(wěn)定的過程。煤層自上而下的結(jié)構(gòu)可分為三個區(qū)：彎曲下沉區(qū)，裂隙區(qū)和下降區(qū)。橫向四個不同的區(qū)域是基于開采后的煤體底板的沖擊特性。狀態(tài)變化是從原始應(yīng)力狀態(tài)到壓縮變形向膨脹破壞最后恢復(fù)的一個從完整到破碎巖石的過程。接近原始壓力狀態(tài)。工作表面的不斷增加，巖體的各個部分都經(jīng)歷了一個循環(huán)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(dāng)?shù)撞繋r體處于原始巖石狀態(tài)時，滲透率普遍較低。當(dāng)?shù)貙訋r體處于高級軸壓下時，應(yīng)力逐漸增大，滲透率降低。當(dāng)巖體發(fā)生膨脹破壞時，巖體滲透性增大，滲透率在此期間達(dá)到最大值。在采空區(qū)壓力作用下，恢復(fù)到原來的狀態(tài)，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(guī)律

為了了解煤炭開采對煤層底板變形破壞的影響，應(yīng)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對不同回采工作面長度進(jìn)行了開采模擬計(jì)算。地質(zhì)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(zhì)模型巖性由上至下依次為細(xì)砂巖、粉砂巖、12號煤層、泥巖、砂巖、粉砂巖和奧陶系石灰?guī)r，模擬采用Coulomb-Mohr力學(xué)模型，模型計(jì)算中各層所采用的巖石力學(xué)參數(shù)根據(jù)試驗(yàn)獲得，在模擬開采過程中，是在初始應(yīng)力場的基礎(chǔ)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(yīng)力分布在煤層和其兩側(cè)回采工作面邊緣。

五、結(jié)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(jié)出相應(yīng)的防護(hù)措施，預(yù)防重大事故的發(fā)生。

【參考文獻(xiàn)】

[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(zhì)出版社，2017.