承压水上采煤底板破坏机理与深度分析

王宇坤 魏中举 冯绍辉 杜卫东 谢帅 肖念波

摘要：文章通过结合弹塑性理论和岩体力学对近距离高承压水上采煤下伏煤岩层破坏的深度和影响因素进行分析，并结合膏体充填开采等价采高理论和等效巷道的时空性，分别对11607膏体充填工作面底板应力分布特征、破坏深度进理论分析和计算。根据11607工作面现场实际，采空区充填之前顶底板移近量在200～300mm之间，充填体压缩率小于1%，要求现场充填后欠接顶量为0。相关数据代入公式计算得试验充填工作面的等价采高在390～490mm之间。经等价采高理论计算可知，初步判定试验工作面下伏煤岩层破坏的深度在2.5～3.0m之间。

关键词：承压含水层;底板破坏;机理分析;深度计算

引言

虽然近年来我国对于清洁能源进行了大力开发和研究，但我国的主要能源依然以煤炭资源为主的格局在未来的几十年里估计不会发生改变。据此，为了实现我国经济的可能持续发展，实现能源的清洁和合理开采势在必行。我国煤炭工业经过百余年的发展，长期以来贯行优先开采优质、赋存条件较好的煤层，随着埋深较浅的煤层被大量采完，我国多数煤矿被迫进入深部进行采煤，目前我国许多煤矿的采深已经超过千米。但随着煤矿采深的增加，冲击矿压、地热、煤与瓦斯突出、底板突水等矿井灾害也大量增加，这对于煤矿的安全高效开采构成了严重的威胁[1-4]。煤层下伏煤岩含水层突水的主要原因是煤层间隔奥陶系灰岩距离小，煤层开采后受采动影响对下伏煤岩隔水层造成了破坏进而引发底板突水。目前我国煤矿下伏煤岩层突水的问题非常突出，在我国华北、华南大部分煤田和少部分新生和中生代煤田，这几类煤田的地层中大量含水，而且含水岩层的影响范围较广，对煤矿安全高效开采构成了严重威胁。随着煤矿采深的增加，复杂的矿井地质水文条件，加上煤层下伏石炭和寒武系中含水层的水压的增加，以及煤层下伏含水层厚度的降低，发生冲击矿压、地热、煤与瓦斯突出、底板突水等矿井灾害的机率也大大增加，对煤矿安全高效开采构成了严重威胁。

1工程概况

某煤矿试验工作面东部与大务屯村相距44m，东南方向与辛庄村相距450m，东北方向与西王村相距209m，工作面范围内地面以农田为主，在东西方向有高压线邻近工作面通过。工作面设计倾斜和走向平均长度分别为120m、1000m。工作面地面标高在+37.1～+41.4m之间，平均标高为+40.3m;工作面底板标高在-443.5m～-516.9m之间，平均标高为-501.3m。工作面埋深在480.6～558.3m之间，平均埋深541.6m。工作面内16号煤层厚度在1.65～2.35m之间，平均煤厚2.16m，平均倾角12°，煤层局部含细粒砂岩夹矸，厚度在0.10～0.27m之间。工作面井下东南方向相距11605皮带巷约为60m，东北方向为1160胶带上山，西北方向相距11609轨道巷约为45m。

2承压水上采煤底板破坏深度分析

一定范围的煤层底板受载后，当其表面的荷载超过某临界荷载时，煤层下伏煤岩层在一定深度内将形成塑性区，该区域内煤岩体发生塑性变形。

一定范围内的底板岩体承受最大载荷Pm而导致破坏时，底板岩体塑性区在荷载作用范围内的将连成片，导致底板发生底鼓变形，向采空区内移动变形的底板岩体，将产生一个连续的滑移面。魏西克[81]结合现场开采实际，通过压力试验测试，提出了计算岩体塑性滑移时岩体的承载极限理论公式。

张金才[82]通过对魏西克公式的补充和修改，提出了更合理的计算底板岩体的承载极限理论公式[5-8]：

当工作面下伏煤岩层发生破坏，产生塑性破坏范围时，将工作面下伏煤岩层塑性破坏范围划分成：主动极限范围（如图1的I区）、过渡范围（如图1的II区）和被动极限范围（如图1的III区）。其中，ab和ac两条直线分别构成主动极限范围a、ab和被动极限范围acd;以起点为a的两组放射线和一组对数螺旋线构成了过渡范围a’bc。图1中acd三角形区域为被动极限范围，其正上方是采空区，主动应力经主动极限范围a’ab再经过渡范围abc传递到该区域，此区域应力的方向为垂直向上，破裂面滑移线为直线dc，与底板的夹角为45o-φo/2。图1中a’ab区域为主动极限范围，因正上方是工作面煤壁，该范围承受垂直向下的最大主应力，产生的滑移面与底板的夹角为45o-φo/2。abc区域为过渡范围，它是以起点为a的两组放射线和一组对数螺旋线构成，该区域的滑移线为对数螺旋线bec，采空区下伏煤岩层的最大破坏深度为e点位置，滑移线bec的方程[5-8]为：

根据底板塑性区图1可知，受煤层开采采动影响工作面底板形成塑性区是导致底板发生底鼓变形的直接原因。随着煤层开采后，采空区顶板失去了原煤层的支承作用，采空区上覆煤岩层自重载荷由采空区四周的煤体承担。随着煤层开采进尺增加，采空区也不断增加，上覆煤岩层自重载荷对底板的作用也增大，导致采空区下伏煤岩层产生塑性区。根据底板塑性区图1可知，垂直应力作用在a’ab区，使其发生压缩变形，将应力经过渡范围abc传递到acd被动区域，当被动区上方采空区无充填体时，即没有载荷作用在底板上，acd被动区范围内的煤岩层将向上发生隆起变形，进而导致底板发生底鼓变形。根据图1推导过渡区内底板最大破坏深度[5-8]为：

当工作面未采用膏體充填开采时，实际采高m与其等价采高md相等，据此，将xa代入公式（4），便可求出煤层下伏煤岩层的塑性区最大深度h。当工作面采用膏体充填开采时，要计算工作面下伏煤岩层破坏的深度，除了考虑工作面煤岩体力学参数外，还需要考虑膏体充填工作面等价采高md，下面将对md计算方法进行分析。

3膏体充填开采等价采高分析

根据膏体充填开采等价采高计算模型如图3所示，工作面采用膏体充填开采的等价采高组成主要包括三个部分：1）充填体欠接顶量Δ，其产生的主要原因是充填工艺和技术的不足;2）顶底板移近量δ，由于煤层被采出后煤岩层的原始状态被打破，造成岩层发生协调变形和移动构成;3）充填体的变形量S，该变形量具体又包括两部分：充填体承受采空区上覆煤岩层自重压力而发生的压缩变形S1和充填体固化凝结过程中发生泌水导致的收缩变形S2，在现场应用中，膏体充填材料在固化凝结过程中基本不会发生泌水，采空区围岩能吸收一定的泌水，所以在计算充填体变形的时候不考虑充填体泌水导致的收缩变形。

工作面采用膏体充填开采的等价采高md，则md=δ+Δ+S，由于不考虑充填泌水导致的变形，所以式中充填体的压缩变形等于充填的变形。假定充填体压缩率为η，则其压缩量为S2=η×h，据此，推导出理论计算等价采高md的公式[5-8]如下：

根据现场试验工作面的开采实际，工作面平均埋深为514.6m，工作面平均割煤高度为2.16m。采空区充填之前顶底板移近量δ在200～300mm之间，充填体压缩率为η小于1%，要求现场充填后欠接顶量Δ为0。相关数据代入公式（6）计算得：11607充填工作面的等价采高md在390～490mm之间。

根据现场试验工作面的开采实际可知，16号煤层评价埋深H为514.6m，煤体内摩擦角φ约为25°，煤体内聚力Cm约为0.5MPa，等价采高md为0.39～0.49m，应力集中系数n小于4，底板φ0为45°，岩层平均容重γ为2500kN/m3。将相关数据带入（5）公式得：

参考文献：

[1]华心祝，杨朋.深井大断面沿空留巷底板变形动态演化特征研究[J].中国矿业大学学报，2018，47（3）：494-501.

[2]王连国，韩猛，王占盛，等.采场底板应力分布与破坏规律研究[J].采矿与安全工程学报，2013，30（3）：317-322.

[3]王作棠，周华强，谢耀社.矿山岩体力学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2010.

作者简介：王宇坤（2001.01）男，汉族，贵州盘州市人，在读本科学生，主要从事采矿工程专业方面的学习和研究。

国家级大学生创新创业训练计划项目（项目编号：202110977017）