煤炭开采对煤层底板变形破坏及渗透性的影响研究

韩兴江

（六枝工矿（集团）恒达勘察设计有限公司，贵州 六盘水 553400）

在煤炭开采作业中，含水层环境及通水导水通道等客观因素是引起底板承载力变化的重要因素，同时也可能会完成整体底板结构的突水性危险。底板突水的危害主要有渗透性发生较大的改变，整体承载力变小，经过实践工程验证，加上实验过程的分析，成功总结了有关含水层水压及隔水层厚度两个重要的参数，并针对性的提出了相关经验公式，为进一步研究煤炭开采底板承载力变化引起的破坏和渗透性提供了理论支撑。为了确定影响煤层底板突水性主要因素，需要分析煤层底板岩体变形情况，并根据变形情况确定破坏深度。但由于煤炭开采作业环境不利，仍需要对开采作业的施工因素进行系统化分析，并确定煤层底板完成的变形破坏原因。这不仅对维护煤炭开采作业人身安全具有重要意义，对于煤炭开采技术的创新发展具有理论和实践意义。

1 煤炭开采中底板变形破坏特征及规律性分析

通过建立数值分析模型，模拟煤层开采作业中影响底板变形破坏的因素，对于不同煤层的厚度及长度进行模拟，并对煤层的倾角等进行测量，可有效的分析出煤层应力的支撑区，从而有效的分析出底板岩体结构对应承载力的递减变化及其分析。按照应用较为广泛的FLAC数值模拟法，模拟图式如下。可建立基本数据采集为基础的底板承载力变化因素。进而得出底板岩体在受到超前压力作用下，外形呈现出褶皱区域，并且结合受到水平拉伸力的影响导致岩体裂缝产生，且裂缝的宽度与拉力值呈现正比例关系。

图1 FLAC数值模拟图

煤炭回采作业的过程中，会由于工作面面积增大，导致底板岩体位移增大，进而导致底板受到的水平应力增加，这是造成底板岩变形破坏的重要原因。在煤层回采作业的过程中，需要针对底板岩体位移增大，提前做好可能会引发煤层底板变形破坏的时间点及破坏程度的预防工作，做好相应防护措施。此外在煤层岩体的卸载区域，由于其是整体煤层底板破坏的直接区域，因此在长期负荷作用下，会导致煤层底板承载力发生较大变化。煤层底板的垂直应力也是不断变化的，与岩体工作面的大小有关，并与工作面中的岩体长度呈现出正比例关系。在煤层回采作业的过程中，垂直应力是不断减小的，但是回采作业完成以后，垂直应力又不断增大，导致整体岩体工作面面积变化不稳定。从整体实践研究分析，结合模拟化数值分析，可以得出整体的底板变形破坏的规律一般呈现为：稳定破坏到不稳定破坏，再到稳定破坏的过程。煤层底板结构布局具有一定层次性，自上而下分别为：下沉并弯曲层、裂缝产生层、冒落层三个层面。在底板横向上，由于不同阶段下变化状态的影响，导致岩体的破坏是一个由整体到破碎的过程。整体的承载力变化阶段可以分解为：应力变化原状态、压缩变形状态到膨胀破坏状态进而又恢复到了与原应力值接近的状态。

2 煤层底板岩石全应力应变及渗透规律分析

结合煤层底板岩体结构的全应力应变渗透试验，分析了不同岩体的应力、应变及渗透性规律，对于不同岩体结构的应变渗透性规律的分析具有重要的参考意义。以具备不同岩性的岩石全应力应变曲线的变化为分析对象，在渗透率和应力变化曲线中，如图2所示。都存在一个峰值，表示的是微裂缝压力密实闭合状态，从曲线的整体阶段性的划分看，主要涉及到弹性变形阶段、塑性变形阶段，进而结合应力的变化，应力值迅速呈现降低的趋势，同时伴随着整体体积的变化。因此在整体的岩体峰值强度的变化中，由峰值强度到残余强度，这一区域的岩石可呈现出完整到破碎的状态。

图2 渗透率和应力变化曲线

从图2（a）中在应变/10-3条件下，随着应变值的增大，渗透率和应力值逐步增大，但是渗透率在应变值达到3×10-3前，渗透率是逐渐变小的，而应力值却是逐渐变大，在应变值达到3×10-3之后，渗透率和应力值逐渐增大，且都会出现一个峰值，在达到峰值以后，渗透率和应力值都逐步下降。从图（b）中可以看出，在应变值逐步增大的条件下，应力值和渗透率都会达到一个峰值，且等峰值过后，其数值都趋于下降的趋势。由此变化规律分析可知，在不同岩体结构中，应力、应变和渗透率的数值变化有着紧密关联，且可以形成一定的函数，在微裂隙闭合阶段，实现原生孔隙和裂隙之间易被密实，从而导致岩石的渗透率会随着相应应力的增大而减小，由此在极限强度变化的过程中，会对整体的试块结构形成贯穿裂缝，因此可以证明不同的岩体，在最大渗透率的数值上存在一定的差异。

根据不同岩体应力、应变和渗透率变化的试验中可以将岩体的变形破坏过程进行阶段性划分，主要可分为6个阶段，分别是微裂隙闭合阶段、弹性变形阶段、裂隙发生阶段、扩展阶段和破裂、应变软化及残余强度阶段。因此，岩体在应力及应变变化的过程中，其最大的渗透性系数发生的岩石应变软化阶段。此外，通过残余强度值的计算和分析，可以得出岩体结构在应力和应变变化的过程中，由残余到彻底破碎阶段过程中的变化，在整个的变化过程中，岩石的体积是逐渐变小的，同时结合岩石峰值及强度的变化，会导致残余强度趋于平缓。因此在岩体结构变化的过程中，应充分的结合应力变化，实现对整体结构的贯穿性破裂。

3 结语

综上所述，通过文章对煤层开采作业中底板承载力变化及对变形破坏和渗透性等因素的分析，主要得出以下结论：

（1）在不同岩体的渗透性应力、应变及渗透性的试验中，可有函数确定弹性变形阶段和塑性变形阶段，并对原生孔隙和裂隙进行压密，而岩体的渗透性会随着整体岩石的压力的增大而逐渐变小，当岩石试件在承受最大的应力压强时，会造成整体岩石的贯穿裂缝，渗透率迅速上升。

（2）在煤层回采作业过程中，随着回采工作面面积的不断增加，会导致煤层底板横向受力力的作用加强，以此来划分为不同的受力阶段，分别为原来岩体的应力区、超前应力压变区域、采动矿压直接破坏区域和岩体的底板应力恢复区域，4个区域（原岩应力区、超前压力压缩区、采动矿压直接破坏区和底板岩体应力恢复区）会对煤层底板的岩体结构渗透性造成一定的影响，并且煤层开采作业中的底板变形破坏也会呈现出一定的规律性。

（3）煤层底板的应力破坏与其破坏的范围与煤层本身的力学性质有关，因此要想控制底板岩层结构的变形破坏，应分散集中荷载，缩小采煤空间的卸煤范围。