長平礦3#煤、15#煤層底板破壞深度的數值模擬研究

（山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司 山西 048006）

1.引言

長平煤礦屬于沁水煤田，現開采3#煤層，生產能力500萬噸/年。根據井田內水文孔水文標高資料，長平礦3#煤層大部分區域，15#煤層全部區域，均位于奧灰水水頭高度以下，井田內煤系基底奧灰含水層帶壓最大可達4.36Mpa。礦井開采過程中，主要水害威脅來自底板奧陶系灰巖水。受底板水威脅最嚴重的15#煤，距離奧陶系灰巖頂界面平均僅有27.33m左右，甚至在部分區域僅10余米，帶壓開采[1]問題突出，因此需要對3#煤、15#煤層底板破壞深度[2]進行研究，分析奧灰水突水可能性，為下一步防治水工作的總體規劃與布局提供依據。

2.基本情況

長平煤礦3#煤層厚度2.50m～10.60m，平均厚度5.58m，傾角一般3°～12°左右，15#煤層厚度3.14m～6.84m，平均厚度4.40m，傾角一般3°～12°左右，本文以長平煤礦3#煤層首采5302工作面（采寬300m、煤層傾角8°）及其正下方15#煤層工作面（采寬200m、煤層傾角8°）的多煤層開采為研究對象，5302工作面底板標高在470-520m，3#煤到奧灰巖（峰峰組）地層總厚絕大部分平均在113m左右，15#煤底板距離奧灰頂界面（峰峰組）約26m。

3.底板破壞深度數值模擬

(1)建立數值模型

結合長平礦3#煤5302首采面及其正下方15#煤層工作面地層情況，擬采用立體模型，計算模型走向長500m，傾斜寬度250m（取傾長500模型的一半），高280.3m地層平緩，模型傾角8°。其中，3#煤層采面采寬150m（取300m的一半）、煤層傾角8°、走向推進長度300m；15#煤層采面采寬100m（取200m的一半）、煤層傾角8°、走向推進長度300m。模型共包含3#煤和15#煤兩層煤。

(2)塑性區分布情況

圖1給出了3#煤層工作面推進過程頂、底板塑性區[3]分布圖。從3#煤層工作面推進過程頂、底板塑性區分布規律中可以看出：

圖1 3#煤層工作面推進過程頂、底板塑性區分布

①隨著3#煤層采煤不斷向開挖，采空區頂、底板及煤層均表現出明顯的塑性破壞，覆巖發生垮落變形，但采空區底板底鼓變形有限。

②當3#煤層采面推進60m時，覆巖頂板發生初次來壓，其頂板砂質泥巖塑性受拉和受剪破壞明顯，覆巖冒落高度僅為10.62m，此時采空區底板卸壓變形[4]，底板出現拉-剪破壞，煤層開切眼和采煤面下方則表現出剪切破壞，底板塑性破壞深度為12.71m。

③當3#煤層工作面向前推進至120m時，頂板發生周期來壓，采空區正上方頂板表現出明顯的拉破壞、兩側表現為較規則的“馬鞍形”破壞規律[5]，采煤面上方頂板垮落高度達44.98m，模型頂部泥砂巖互層受采面回采影響出現拉、剪破壞；此時，隨著煤層開采直接底隨采隨破壞，底板塑性破壞區發生在開切眼和采煤面下方附近，底板最大采動破壞深度達到18.13m。

④當3#煤層采煤面繼續向前推進至180m時，采空區上方頂板仍呈現出“馬鞍形”破壞，因煤層沿8°傾角向下回采，開切眼上方頂板垮落高度達53.64m，采煤面處覆巖頂板發育至K8中細粒砂巖，未與泥砂巖貫通，冒落高度達45.25m；此時，底板采動破壞深度沿開采方向發育破裂，直接底泥巖粉砂巖互層破壞較嚴重，底板采動破壞最大值約為18.13m左右。

⑤隨著工作面向前推進至240m時，頂板覆巖層已發生多次周期來壓，此時，采空區兩側覆巖頂板K8巖層與上部泥砂巖互層貫通，采煤面處頂板上方垮落高度達93.01m；煤層底板采動破壞深度最大值發生在“受荷-卸壓”交界處，仍保持在18.13m左右。

⑥當工作面開采至300m時，覆巖頂板已充分冒落并與底板壓實，采煤面上方頂板垮落高度達到102.31m，采空區底板泥質砂巖在開切眼、采空區中部和采煤面零星發育，但未與上方K6泥質灰巖相互連通，故此底板采動破壞深度最大值為18.67m。

從圖2中15#煤層工作面推進過程頂、底板塑性區分布，可以看出：

圖2 15#煤層工作面推進過程頂、底板塑性區分布

①當15#煤層采煤后，采空區頂、底板及煤層均表現出顯著的破壞區，隨著煤層開采不斷推進，頂板覆巖層破斷規律與3#煤頂板類似，不同之處在于15#煤層頂板上方83m附近存在采空區，部分地應力得到釋放，采礦劇烈程度較小。

②當15#煤層采面推進60m時，覆巖頂板發生初次來壓，直接頂板K2灰巖隨采隨冒，破壞高度延伸至老頂板砂質泥巖層位，頂板變形呈現拱形垮落形態[6]，冒落高度為19.56m，受應力二次重分布影響，3#煤層采煤工作面下方底板破壞深度略有加深，K7細粒砂巖與K6泥質灰巖破壞發育橫向擴展；15#煤層底板在開切眼和采煤面下方處于圍巖應力由受壓與卸壓交界處，采動破壞深度較采空區下方底板受拉區域大，開切眼下方底板采動破壞深度值達25.44m，采煤面下方底板塑性破壞深度僅為11.15m，奧灰巖峰峰組頂部呈現受拉導升破裂區，發育高度5.51m左右，實際高度可能偏小。

③當15#煤層采煤面向前推進到120m，頂板發生周期來壓，采空區正上方覆巖頂板為拉破壞區，15#煤層采面上方頂板由于受煤層開采傾角影響已發育至3#煤層底板塑性破壞區，形成導通裂隙帶；采煤面下方底板采動破壞深度延伸至15.14m，而開切眼處下方底板處于高應力向低應力卸載區域過渡，采動破壞深度發育至峰峰組頂部，有效隔水層鋁土巖遭到破壞形成導水破裂帶，此時峰峰組頂部導水發育高度增加至11.63m。

④當15#煤層向前推進至180m時，采空區上方覆巖頂板呈現出“馬鞍形”破壞形態，馬鞍形兩側高峰區域基本上與3#煤層底板相貫通，對于15#煤層底板有效隔水層在采動應力和高承壓水雙重影響下，開切眼下方底板已破裂至奧灰峰峰組頂部形成導水通道，采煤面下方底板采動破壞深度雖然不大，但峰峰組受到高承壓水影響形成頂部導升破裂帶，發育高度已延伸至鋁土巖，發育高度達17.27m。

⑤當15#煤層繼續向前推進至240m時，覆巖頂板“馬鞍形”破壞完全導通3#煤層底板塑性破壞區；采空區兩側煤層下方是采動破壞影響較大的地方，由于采空區冒落下來的矸石逐漸壓實采空區，開切眼下方底板采動破壞區域已與峰峰組完全導通，采煤面下方底板破裂帶與峰峰組導升帶亦相互貫通形成導水通道，此時承壓水導升高度發育至22.56m。

⑥隨著15#煤層采煤面向前推進至300m時，此時煤層走向開采寬度300m已超過煤層傾向長度200m，煤層頂板已充分壓實采空區，覆巖頂板與3#煤層頂底板塑性破壞連成一片；采空區兩側煤層底板發育破壞帶已貫通奧灰巖峰峰組，形成大面積突水導水通道，引起底板突水災害事故。

4.結論

通過數值模擬結果顯示，3#煤層底板破壞深度平均值約為18.7m，15#煤層約為21.4m。模擬結果對礦井下一步防治水工作的總體規劃與布局提供可靠依據。