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(yè)（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(qū)之一，這部分煤炭產區(qū)最下部煤組底板賦存有豐富的太原組灰?guī)r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(fā)育規(guī)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(fā)育、擴展、貫通的動態(tài)過程，鑒于相似試驗具有直觀性強、靈活性高、重復性好等優(yōu)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(fā)育規(guī)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(qū)A組煤由于儲量豐富、結構穩(wěn)定、發(fā)熱量高等優(yōu)點，為礦井創(chuàng)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?guī)r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(guī)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?guī)r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(wěn)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(xiàn)含水層上開采的承壓效果，在C3灰?guī)r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(wǎng)格，可以更好的監(jiān)測煤層開采后采場圍巖變形破壞過程。

模型養(yǎng)護7~10d達到要求后，應將重力加載、變形測試、電法測試系統(tǒng)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(xiàn)現(xiàn)場4.5 MPa水壓以煤層底板的作用，通過調節(jié)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(guī)律，據(jù)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(qū)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(xiàn)順層裂隙，在停采線位置，順層裂隙斜向上發(fā)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(tài)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(qū)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(jù)二次試驗結果得出的底板裂隙分布規(guī)律，總結出不同開采方式下底板破壞分區(qū)。

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(tài)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(qū)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(fā)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(fā)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(fā)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。