综采工作面底板采动裂隙破坏深度研究

李哲豪(同煤集团综采办公室， 山西 大同 037003)

1 前言

随着煤炭开采规模、强度的持续增加，浅部煤炭资源逐渐枯竭，多数矿井已经开始深部开采[1]。矿井开采时面临水害影响较为明显，特别受底板承压水影响更为突出[2-3]。根据有关资料，从2010年以来，我国煤矿累计发生矿井突水事故在300起以上，造成的财产损失数以亿计，因此强化对矿井水害防治工作，特别是底板突水防治工作[4-5]。众多的研究学者采用理论推导、现场实测以及模拟分析等技术方法对煤炭开采后底板裂隙发育、破坏范围进行研究，并取得显著的研究成果[6-7]。文中以某矿为3506综采工作面为工程研究对象，采用模拟分析、现场实测方法对工作面开采后引起的底板裂隙发育、破坏范围进行分析，以期能为矿井底板水害防治工作高效开展提供一定借鉴。

2 工程概况

某矿主采煤层有3#、9#、15#，矿井水文地质条件整体较为复杂。根据前期勘探资料发现，矿井所采煤层受到底板奥灰灰岩含水层影响，该奥灰灰岩最大水压为2.8MPa，同时随着矿井开采增加，开采煤层承压开采范围逐渐增加。矿井开采的3#、9#、15#煤层带压开采面积分别为25.02km2、35.57km2、45.84km2，占矿井开采井田面积分别为33.63%、47.85%以及61.54%。因此，研究回采工作面开采后底板裂隙扩展情况，对底板承压水影响情况开展针对性防治技术具有重要意义。

3 模拟分析

文中采用FLAC3D对工作面开采后底板裂隙扩展情况进行模拟分析。

3.1 模型构建

以3601综采工作面地质资料为背景，构建模拟分析模型。工作面设计走向、倾向长分别为2 540m、245m，开采3号煤层(厚度4.5m)，工作面直接底为砂岩、直接底为泥岩，埋深465m；9号煤层厚度2.2m，埋深520m，顶底板岩性分别为砂质泥岩、粉砂岩；15#煤层厚4.2m，顶底板岩性分别为石灰岩、泥岩。设计的模型水平、垂向距离分别为300m、400m，底板承压水压力取值为2MPa。具体顶底板岩性参数见表1。

表1 顶底板岩性参数

3.2 工作面开采后底板裂隙发育情况

具体模拟得到的3#煤层开采之后顶板裂隙扩展范围如图1所示。从图中可知，随着3#煤层不断开采，底板泥开始出现破坏变形，原始裂隙在应力作用下开始扩展，次生裂隙也随之产生。当回采工作面开采距离达到45m时，此时顶板开始初次来压，底板破坏程度加剧，此时底板裂隙发育距离可达到17.8m，随着工作面的不断推荐，底板裂隙发育速度有所降低，最终稳定范围约为19m，但是在水平方向上底板破坏范围随着工作面推进不断扩展。

图1 3#煤层开采后顶板裂隙扩展示意图

3.3 9#、15#煤层底板破坏范围

9#、15#煤层开采之后的底板裂隙扩展情况如图2、图3所示。随着煤层的不断开采，9#、15#煤层底板泥岩均不同程度的出现破坏变形，底鼓量开始增加。由于煤层底板为抗压强度较低的泥岩，本身抵抗变形、破坏能力较差，当工作面推进至41～45m时顶板开始出现来压，此时9#、15#煤层底板内裂隙扩展范围分别达到18.5m、19.3m；随着工作面的不断推进，底板破碎范围增加速度显著降低，最终分别稳定在20.5m、21.8m。

图2 9#煤层开采后顶板裂隙扩展示意图

图3 15#煤层开采后顶板裂隙扩展示意图

从3#、9#、15#煤层开采后底板裂隙破坏、扩展模拟分析得知，煤层埋深对底板裂隙发育范围影响较小，工作面斜长、底板岩性等对底板裂隙扩展范围有较大影响。

4 现场实测

4.1 现场布置

矿井开采底板水害防治重点是探明底板充水水源、导水通道以及水力补给条件等，而导水通道与煤炭开采密切相关，采动后底板裂隙是良好的导水通道。现阶段关于导水通道探测的技术方法主要有声波成像法、钻孔窥视法、电线电波透视法、注水试验法以及雷达探测技术等，其中注水试验法具有探测精度高等优点。为了精准掌握煤层开采后底板裂隙发育、扩展范围，采用“注水试验”法对3506综采工作面开采后的底板变形破坏情况进行探测。具体探测原理是通过对比分析工作面开采前后的注水钻孔内的水压、漏失量变化来判定底板裂隙破坏程度。

3506综采工作面采用沿空留巷方式，将回风巷留作下一工作面进风巷，根据开采的3506综采工作面回采巷道及周边巷道布置情况，选择在工作面回风巷内以不同角度向底板布置3个俯向钻孔，钻孔终孔与煤层底板间距分别为18m、19m、20m，具体钻孔布置情况如图4所示，钻孔内留设50cm作为注水试验段。

图4 探测钻孔布置示意图

4.2 结果分析

经过近60d现场测试，具体监测范围为超前工作面-65m到进入采空区后方+130m位置，得到的不同钻孔漏失量监测数据，具体如图5所示。

图5 钻孔漏失量监测结果

1)23#钻孔漏失量分析

23#钻孔倾角为-12°、孔深45.69m，终孔位置位于底板下方18m在超前工作面-65～-5m时，由于底板在上覆完整煤层作用下承受较大的垂向应力，但是整体较为完整，在此阶段Q(钻孔漏失量)较小，一般为0；在-5～+5m位置段时Q显著提升，在采空区后方5m位置时漏失量达到1.8L/h，主要是由于此范围底板岩层受到采动影响明显，泥岩在水平应力作用下原生裂隙开始扩展并伴随产生大量的次生裂隙；在+5～+15m时由于上覆岩层垮落暂时抑制底板变形扩展，从而Q呈现小幅降低趋势；在+15～+30m时Q开始增加，并在+30m位置时Q达到峰值位置，最大为2.03L/h，在此阶段内底板岩层裂隙破坏范围达到最大值；在+30～+55m范围内Q显著降低，在+55m以后Q稳定在1.45L/h。

2)24#、25#钻孔漏失量分析

24#钻孔(倾角为-21°、孔深46.1m)、25#钻孔(倾角为-24°、孔深46.52m)漏失量Q在回采工作面推进期间几乎无变化，Q基本稳定在0.03～0.11L/h，漏失主要原因是下覆岩层中的原生裂隙。在与煤层底板相距超过19m位置时，岩层未出现采动破坏，由此可以断定3号煤层开采时底板岩层破坏裂隙发育范围在19m以内。

4.3 比对分析

后续采用钻孔窥视法对钻孔内围岩裂隙扩展情况进行探测，发现离煤层底板越近裂隙越发育，在距离底板18～19m时仅有少许的次生裂隙产生，超过19m时岩层裂隙以原生裂隙为主。

采用现场实测方式确定3#煤层开采后的底板采动裂隙破坏延伸在底板下方18～19m，数值模拟确定的3#煤层裂隙发育范围内19m，钻孔窥视法确定的底板岩层裂隙发育范围也为18～19m，模拟结果与现场实测结果较为相近。

5 结论

(1)采用数值模拟、现场实测以及钻孔窥视方法综合确定3#煤层开采后的底板裂隙发育高度为18～19m，同时数值模拟结果与现场实测结果较为相近，表明具有较高的可信度；9#、15#煤层模拟得到的开采后裂隙扩展范围为20.5m、21.8m。

(2)在工作面开采过程中应注意底板岩层隐伏构造发育情况，避免由于隐伏构造与底板岩层裂隙破坏带、下覆承压含水层沟通而造成底板涌水。