煤炭開采對煤層底板變形破壞及滲透性的影響研究

韓興江

（六枝工礦（集團）恒達勘察設計有限公司，貴州 六盤水 553400）

在煤炭開采作業中，含水層環境及通水導水通道等客觀因素是引起底板承載力變化的重要因素，同時也可能會完成整體底板結構的突水性危險。底板突水的危害主要有滲透性發生較大的改變，整體承載力變小，經過實踐工程驗證，加上實驗過程的分析，成功總結了有關含水層水壓及隔水層厚度兩個重要的參數，并針對性的提出了相關經驗公式，為進一步研究煤炭開采底板承載力變化引起的破壞和滲透性提供了理論支撐。為了確定影響煤層底板突水性主要因素，需要分析煤層底板巖體變形情況，并根據變形情況確定破壞深度。但由于煤炭開采作業環境不利，仍需要對開采作業的施工因素進行系統化分析，并確定煤層底板完成的變形破壞原因。這不僅對維護煤炭開采作業人身安全具有重要意義，對于煤炭開采技術的創新發展具有理論和實踐意義。

1 煤炭開采中底板變形破壞特征及規律性分析

通過建立數值分析模型，模擬煤層開采作業中影響底板變形破壞的因素，對于不同煤層的厚度及長度進行模擬，并對煤層的傾角等進行測量，可有效的分析出煤層應力的支撐區，從而有效的分析出底板巖體結構對應承載力的遞減變化及其分析。按照應用較為廣泛的FLAC數值模擬法，模擬圖式如下。可建立基本數據采集為基礎的底板承載力變化因素。進而得出底板巖體在受到超前壓力作用下，外形呈現出褶皺區域，并且結合受到水平拉伸力的影響導致巖體裂縫產生，且裂縫的寬度與拉力值呈現正比例關系。

圖1 FLAC數值模擬圖

煤炭回采作業的過程中，會由于工作面面積增大，導致底板巖體位移增大，進而導致底板受到的水平應力增加，這是造成底板巖變形破壞的重要原因。在煤層回采作業的過程中，需要針對底板巖體位移增大，提前做好可能會引發煤層底板變形破壞的時間點及破壞程度的預防工作，做好相應防護措施。此外在煤層巖體的卸載區域，由于其是整體煤層底板破壞的直接區域，因此在長期負荷作用下，會導致煤層底板承載力發生較大變化。煤層底板的垂直應力也是不斷變化的，與巖體工作面的大小有關，并與工作面中的巖體長度呈現出正比例關系。在煤層回采作業的過程中，垂直應力是不斷減小的，但是回采作業完成以后，垂直應力又不斷增大，導致整體巖體工作面面積變化不穩定。從整體實踐研究分析，結合模擬化數值分析，可以得出整體的底板變形破壞的規律一般呈現為：穩定破壞到不穩定破壞，再到穩定破壞的過程。煤層底板結構布局具有一定層次性，自上而下分別為：下沉并彎曲層、裂縫產生層、冒落層三個層面。在底板橫向上，由于不同階段下變化狀態的影響，導致巖體的破壞是一個由整體到破碎的過程。整體的承載力變化階段可以分解為：應力變化原狀態、壓縮變形狀態到膨脹破壞狀態進而又恢復到了與原應力值接近的狀態。

2 煤層底板巖石全應力應變及滲透規律分析

結合煤層底板巖體結構的全應力應變滲透試驗，分析了不同巖體的應力、應變及滲透性規律，對于不同巖體結構的應變滲透性規律的分析具有重要的參考意義。以具備不同巖性的巖石全應力應變曲線的變化為分析對象，在滲透率和應力變化曲線中，如圖2所示。都存在一個峰值，表示的是微裂縫壓力密實閉合狀態，從曲線的整體階段性的劃分看，主要涉及到彈性變形階段、塑性變形階段，進而結合應力的變化，應力值迅速呈現降低的趨勢，同時伴隨著整體體積的變化。因此在整體的巖體峰值強度的變化中，由峰值強度到殘余強度，這一區域的巖石可呈現出完整到破碎的狀態。

圖2 滲透率和應力變化曲線

從圖2（a）中在應變/10-3條件下，隨著應變值的增大，滲透率和應力值逐步增大，但是滲透率在應變值達到3×10-3前，滲透率是逐漸變小的，而應力值卻是逐漸變大，在應變值達到3×10-3之后，滲透率和應力值逐漸增大，且都會出現一個峰值，在達到峰值以后，滲透率和應力值都逐步下降。從圖（b）中可以看出，在應變值逐步增大的條件下，應力值和滲透率都會達到一個峰值，且等峰值過后，其數值都趨于下降的趨勢。由此變化規律分析可知，在不同巖體結構中，應力、應變和滲透率的數值變化有著緊密關聯，且可以形成一定的函數，在微裂隙閉合階段，實現原生孔隙和裂隙之間易被密實，從而導致巖石的滲透率會隨著相應應力的增大而減小，由此在極限強度變化的過程中，會對整體的試塊結構形成貫穿裂縫，因此可以證明不同的巖體，在最大滲透率的數值上存在一定的差異。

根據不同巖體應力、應變和滲透率變化的試驗中可以將巖體的變形破壞過程進行階段性劃分，主要可分為6個階段，分別是微裂隙閉合階段、彈性變形階段、裂隙發生階段、擴展階段和破裂、應變軟化及殘余強度階段。因此，巖體在應力及應變變化的過程中，其最大的滲透性系數發生的巖石應變軟化階段。此外，通過殘余強度值的計算和分析，可以得出巖體結構在應力和應變變化的過程中，由殘余到徹底破碎階段過程中的變化，在整個的變化過程中，巖石的體積是逐漸變小的，同時結合巖石峰值及強度的變化，會導致殘余強度趨于平緩。因此在巖體結構變化的過程中，應充分的結合應力變化，實現對整體結構的貫穿性破裂。

3 結語

綜上所述，通過文章對煤層開采作業中底板承載力變化及對變形破壞和滲透性等因素的分析，主要得出以下結論：

（1）在不同巖體的滲透性應力、應變及滲透性的試驗中，可有函數確定彈性變形階段和塑性變形階段，并對原生孔隙和裂隙進行壓密，而巖體的滲透性會隨著整體巖石的壓力的增大而逐漸變小，當巖石試件在承受最大的應力壓強時，會造成整體巖石的貫穿裂縫，滲透率迅速上升。

（2）在煤層回采作業過程中，隨著回采工作面面積的不斷增加，會導致煤層底板橫向受力力的作用加強，以此來劃分為不同的受力階段，分別為原來巖體的應力區、超前應力壓變區域、采動礦壓直接破壞區域和巖體的底板應力恢復區域，4個區域（原巖應力區、超前壓力壓縮區、采動礦壓直接破壞區和底板巖體應力恢復區）會對煤層底板的巖體結構滲透性造成一定的影響，并且煤層開采作業中的底板變形破壞也會呈現出一定的規律性。

（3）煤層底板的應力破壞與其破壞的范圍與煤層本身的力學性質有關，因此要想控制底板巖層結構的變形破壞，應分散集中荷載，縮小采煤空間的卸煤范圍。