长平矿3#煤、15#煤层底板破坏深度的数值模拟研究

2021-02-24

当代化工研究 2021年1期

（山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司山西 048006）

1.引言

长平煤矿属于沁水煤田，现开采3#煤层，生产能力500万吨/年。根据井田内水文孔水文标高资料，长平矿3#煤层大部分区域，15#煤层全部区域，均位于奥灰水水头高度以下，井田内煤系基底奥灰含水层带压最大可达4.36Mpa。矿井开采过程中，主要水害威胁来自底板奥陶系灰岩水。受底板水威胁最严重的15#煤，距离奥陶系灰岩顶界面平均仅有27.33m左右，甚至在部分区域仅10余米，带压开采[1]问题突出，因此需要对3#煤、15#煤层底板破坏深度[2]进行研究，分析奥灰水突水可能性，为下一步防治水工作的总体规划与布局提供依据。

2.基本情况

长平煤矿3#煤层厚度2.50m～10.60m，平均厚度5.58m，倾角一般3°～12°左右，15#煤层厚度3.14m～6.84m，平均厚度4.40m，倾角一般3°～12°左右，本文以长平煤矿3#煤层首采5302工作面（采宽300m、煤层倾角8°）及其正下方15#煤层工作面（采宽200m、煤层倾角8°）的多煤层开采为研究对象，5302工作面底板标高在470-520m，3#煤到奥灰岩（峰峰组）地层总厚绝大部分平均在113m左右，15#煤底板距离奥灰顶界面（峰峰组）约26m。

3.底板破坏深度数值模拟

(1)建立数值模型

结合长平矿3#煤5302首采面及其正下方15#煤层工作面地层情况，拟采用立体模型，计算模型走向长500m，倾斜宽度250m（取倾长500模型的一半），高280.3m地层平缓，模型倾角8°。其中，3#煤层采面采宽150m（取300m的一半）、煤层倾角8°、走向推进长度300m；15#煤层采面采宽100m（取200m的一半）、煤层倾角8°、走向推进长度300m。模型共包含3#煤和15#煤两层煤。

(2)塑性区分布情况

图1给出了3#煤层工作面推进过程顶、底板塑性区[3]分布图。从3#煤层工作面推进过程顶、底板塑性区分布规律中可以看出：

图1 3#煤层工作面推进过程顶、底板塑性区分布

①随着3#煤层采煤不断向开挖，采空区顶、底板及煤层均表现出明显的塑性破坏，覆岩发生垮落变形，但采空区底板底鼓变形有限。

②当3#煤层采面推进60m时，覆岩顶板发生初次来压，其顶板砂质泥岩塑性受拉和受剪破坏明显，覆岩冒落高度仅为10.62m，此时采空区底板卸压变形[4]，底板出现拉-剪破坏，煤层开切眼和采煤面下方则表现出剪切破坏，底板塑性破坏深度为12.71m。

③当3#煤层工作面向前推进至120m时，顶板发生周期来压，采空区正上方顶板表现出明显的拉破坏、两侧表现为较规则的“马鞍形”破坏规律[5]，采煤面上方顶板垮落高度达44.98m，模型顶部泥砂岩互层受采面回采影响出现拉、剪破坏；此时，随着煤层开采直接底随采随破坏，底板塑性破坏区发生在开切眼和采煤面下方附近，底板最大采动破坏深度达到18.13m。

④当3#煤层采煤面继续向前推进至180m时，采空区上方顶板仍呈现出“马鞍形”破坏，因煤层沿8°倾角向下回采，开切眼上方顶板垮落高度达53.64m，采煤面处覆岩顶板发育至K8中细粒砂岩，未与泥砂岩贯通，冒落高度达45.25m；此时，底板采动破坏深度沿开采方向发育破裂，直接底泥岩粉砂岩互层破坏较严重，底板采动破坏最大值约为18.13m左右。

⑤随着工作面向前推进至240m时，顶板覆岩层已发生多次周期来压，此时，采空区两侧覆岩顶板K8岩层与上部泥砂岩互层贯通，采煤面处顶板上方垮落高度达93.01m；煤层底板采动破坏深度最大值发生在“受荷-卸压”交界处，仍保持在18.13m左右。

⑥当工作面开采至300m时，覆岩顶板已充分冒落并与底板压实，采煤面上方顶板垮落高度达到102.31m，采空区底板泥质砂岩在开切眼、采空区中部和采煤面零星发育，但未与上方K6泥质灰岩相互连通，故此底板采动破坏深度最大值为18.67m。

从图2中15#煤层工作面推进过程顶、底板塑性区分布，可以看出：

图2 15#煤层工作面推进过程顶、底板塑性区分布

①当15#煤层采煤后，采空区顶、底板及煤层均表现出显著的破坏区，随着煤层开采不断推进，顶板覆岩层破断规律与3#煤顶板类似，不同之处在于15#煤层顶板上方83m附近存在采空区，部分地应力得到释放，采矿剧烈程度较小。

②当15#煤层采面推进60m时，覆岩顶板发生初次来压，直接顶板K2灰岩随采随冒，破坏高度延伸至老顶板砂质泥岩层位，顶板变形呈现拱形垮落形态[6]，冒落高度为19.56m，受应力二次重分布影响，3#煤层采煤工作面下方底板破坏深度略有加深，K7细粒砂岩与K6泥质灰岩破坏发育横向扩展；15#煤层底板在开切眼和采煤面下方处于围岩应力由受压与卸压交界处，采动破坏深度较采空区下方底板受拉区域大，开切眼下方底板采动破坏深度值达25.44m，采煤面下方底板塑性破坏深度仅为11.15m，奥灰岩峰峰组顶部呈现受拉导升破裂区，发育高度5.51m左右，实际高度可能偏小。

③当15#煤层采煤面向前推进到120m，顶板发生周期来压，采空区正上方覆岩顶板为拉破坏区，15#煤层采面上方顶板由于受煤层开采倾角影响已发育至3#煤层底板塑性破坏区，形成导通裂隙带；采煤面下方底板采动破坏深度延伸至15.14m，而开切眼处下方底板处于高应力向低应力卸载区域过渡，采动破坏深度发育至峰峰组顶部，有效隔水层铝土岩遭到破坏形成导水破裂带，此时峰峰组顶部导水发育高度增加至11.63m。

④当15#煤层向前推进至180m时，采空区上方覆岩顶板呈现出“马鞍形”破坏形态，马鞍形两侧高峰区域基本上与3#煤层底板相贯通，对于15#煤层底板有效隔水层在采动应力和高承压水双重影响下，开切眼下方底板已破裂至奥灰峰峰组顶部形成导水通道，采煤面下方底板采动破坏深度虽然不大，但峰峰组受到高承压水影响形成顶部导升破裂带，发育高度已延伸至铝土岩，发育高度达17.27m。

⑤当15#煤层继续向前推进至240m时，覆岩顶板“马鞍形”破坏完全导通3#煤层底板塑性破坏区；采空区两侧煤层下方是采动破坏影响较大的地方，由于采空区冒落下来的矸石逐渐压实采空区，开切眼下方底板采动破坏区域已与峰峰组完全导通，采煤面下方底板破裂带与峰峰组导升带亦相互贯通形成导水通道，此时承压水导升高度发育至22.56m。

⑥随着15#煤层采煤面向前推进至300m时，此时煤层走向开采宽度300m已超过煤层倾向长度200m，煤层顶板已充分压实采空区，覆岩顶板与3#煤层顶底板塑性破坏连成一片；采空区两侧煤层底板发育破坏带已贯通奥灰岩峰峰组，形成大面积突水导水通道，引起底板突水灾害事故。