山東田莊煤礦深部薄煤層開采底板破壞特征

李世民

(山西煤炭進出口集團蒲縣豹子溝煤業有限公司)

現階段，隨著我國煤炭資源開采強度日益加大，礦井開采深度越來越大，特別是我國華北地區礦井開采深度已經達到千米以下，山東省千米以下的礦井達到67個，最大開采深度已經達到1 500 m。華北地區地層復雜，煤層較薄，水系較為發達，研究薄煤層底板的破壞特征對于煤層底板突水預測及防治具有重要意義[1-5]。本研究以山東田莊煤礦1301工作面為例，根據該礦區的地質特征，首先應用滑移線場理論對該礦煤層底板破壞深度進行預測；然后通過建該礦1301工作面的數值計算模型，對其煤層底板的塑性破壞深度和底板垂直應力分布規律進行分析；最后利用多段封堵測漏系統對該工作面煤層底板進行現場實測，通過對各種方法得到的煤層底板破壞深度值進行對比分析，進一步探討薄煤層采動底板的破壞特征。

1　礦區地質特征

田莊煤礦主采煤層為13#煤層，煤層厚度為0.75～2.03 m，平均厚度僅為1.15 m，煤層較為穩定。該煤層靠近底板奧灰含水層，部分地區煤層與含水層的最小距離僅為25.7 m，受承壓水影響較大，煤層頂板主要巖性為堅硬粉砂巖，在煤層開采過程中頂板垮落步距較大，底板巖性為黏土層和砂質泥巖，受煤層采動影響較大，易出現大量裂隙，在開采過程中曾經發生過嚴重的突水事故[6-10]。

1301工作面為13#煤層現開采的主要工作面，煤層厚度較為穩定，平均厚度為1.3 m，工作面沿煤層傾向布置，長100 m。煤層頂板巖性為粉砂巖層，平均厚6.4 m，屬難冒落頂板；底板為砂質黏土巖，極易引發巷道底鼓。1301工作面在開采過程中主要受奧灰水含水層深部十四灰承壓水的威脅。

2　1301工作面煤層底板破壞深度計算

2.1　滑移線場理論分析

普通煤層開采中，工作面底板圍巖內部將發生塑性破壞，形成塑性區，本研究利用滑移線場理[11-14]分析認為，煤層底板塑性破壞邊界如圖1所示。

圖1　煤層底板塑性破壞邊界示意

根據圖1中底板塑性破壞區的幾何尺寸，可知煤層底板塑性區的最大破壞深度可按下式計算

式中，h0為底板塑性區的最大破壞深度，m；φ0為煤層底板巖石的內摩擦角，30°；H為開采深度，927 m。

根據1301工作面開采技術參數，經計算得出h0=16.26 m。

2.2　數值模擬分析

根據田莊煤礦1301工作面的地質資料，構建了FLAC3D數值模型，模型尺寸為120 m×200 m×100 m(長×寬×高)，設工作面長為120 m，兩側各留40 m寬煤柱。在模型上邊界加均布載荷13 MPa，計算中數值模型采用彈塑性模型，FLAC3D數值模擬的實際過程采用分步開挖實現，開挖步長為10 m，共計開挖12步，模型左右前后邊界均固定。1301工作面煤層頂底板巖層巖石力學參數見表1[16]。

表1　煤層頂底板煤巖層力學參數

經過數值模擬分析得出的1301工作面采動底板塑性破壞區的分布特征如圖2所示。由圖2可知：當工作面推進至120 m時，煤層底板破壞深度達到最大值，出現平底，最大破壞深度位置位于工作面中心，煤層底板采動破壞塑性區形狀為“船底”型，在工作面底板中心位置形成平底狀，根據數值模型尺寸可推算出煤層底板的最大破壞深度為17.13 m。

圖2　采動底板塑性破壞區分布

分析圖3可知：①距離煤層采空區底板越近垂直應力越小，是因為在煤層采動過程中，底板發生了塑性變形，底板垂直應力得以釋放，故而垂直應力較小，特別是距離底板5 m范圍內，垂直應力為0，隨著深度不斷加大，垂直應力逐漸增大，這與采動底板塑性破壞區位置相對應；②垂直應力的最大值區域位于工作面兩側順槽附近，該處為垂直應力集中區，區內煤層底板發生破壞的可能性較大。

圖3　采動底板垂直應力分布

3　1301工作面煤層底板破壞深度實測

本研究采用多段封堵測漏系統(圖4)對該礦1301工作面煤層底板破壞深度進行實測。該系統是在雙端封堵測漏系統的基礎上研制而成，具有操作簡單、工作效率高等優點(圖4)。

圖4　多段封堵測漏系統結構

本研究將測漏裝置鉆桿按一定角度向采空區底板一側布設了3個觀測鉆孔(編號分別為1#、2#、3#)，各鉆孔的技術參數見表2。

表2　觀測鉆孔技術參數

分析圖5可知：①1#鉆孔的漏失量在測漏試驗開始時便達到25 L/min，說明該處底板裂隙發育程度非常高，該鉆孔的漏失量在孔深為22 m時突然減少，說明此時底板裂隙發育不明顯，漏失量為巖體的原始裂隙所導致，根據鉆孔傾角得出此處煤層底板的破壞深度為15.6 m；②2#鉆孔的漏失量在鉆孔深度達到19 m時突然減小，根據鉆孔傾角得出此處煤層底板的破壞深度為16.5 m；③3#鉆孔的漏失量在鉆孔深度達到15 m時突然減小，根據鉆孔傾角得出此處煤層底板的破壞深度為15.5 m，選取上述3個鉆孔數據的最大值，從而得出1301工作面底板的破壞深度為16.5 m。

圖5　鉆孔漏失量實測值

4　結　語

結合田莊煤礦地質條件，首先采用滑移線場理論得出1301工作面煤層底板采動破壞深度最大值為16.26 m，最大值位置位于工作面后方中間；然后通過FLAC3D數值計算模型分析了煤層底板采動塑性破壞區域的分布特征，認為煤層底板采動破壞塑性區形狀為“船底”型，煤層底板最大破壞深度為17.13 m；最后通過采用多段封堵測漏系統進行實測，得出底板破壞深度為16.5 m。研究表明：本研究理論分析、數值模擬分析得出的煤層底板破壞深度與實測數據較接近，可見采用該兩類方法可對煤層底板破壞深度進行準確預測，為進一步進行薄煤層深部開采方案設計提供了有益參考。

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