受开采方式影响下的采场底板破坏特征试验分析

张大欢，付宝杰

（1.淮南矿业（集团）公司，安徽 淮南232001，2.安徽理工大学，能源与安全学院，安徽 淮南232001）

0 引言

华北石炭二叠系煤田是我国重要的产煤区之一，这部分煤炭产区最下部煤组底板赋存有丰富的太原组灰岩含水层及奥陶纪灰含水层，一般与煤层间距30~100 m，容易形成底板突水。承压水上煤层开采的主要方法有2种[1]：一是强力抽水卸压；二是工作面承受一定水压力进行开采。为减少对煤层底板扰动破坏，降低开采强度是行之有效的方法之一[2]，对于厚煤层，采用分层开采可以减小采动应力对煤层底板的影响程度，底板隔水层破坏深度也会减少，这方面理论及实践研究成果较丰富[3-6]，但2种开采方式下煤层底板的破坏特征或破坏裂隙发育规律却少有人进行对比研究。

为对比分析承压水体上厚煤层不同开采方式底板岩层裂隙发育、扩展、贯通的动态过程，鉴于相似试验具有直观性强、灵活性高、重复性好等优点，可以形象地描述受采动影响下煤层底板变形、破裂过程，通过对比分析开采方式对底板导水裂隙发育规律的影响，为承压水上煤层开采方案设计提供参考。

1 地层条件

淮南潘谢矿区A组煤由于储量丰富、结构稳定、发热量高等优点，为矿井创造了巨大的经济效益。A组煤主要由A1和A3两煤层组成，其中A1煤层均厚3.78 m，A3煤层均厚5.07 m，2个煤层之间有1~5 m夹层，局部合成特厚煤层，煤层埋深约为500 m。但由于该煤组底板赋存有灰岩强含水层，开采过程中，主要是太原组3灰含水层对A组煤安全回采构成威胁，3灰水压约4.5 MPa，具体如柱状图1所示。

2 相似材料模拟试验

2.1 试验方案设计

按图1所示柱状，设计并实施了2种相似材料模拟试验方案，旨在分析不同开采方式对底板破坏规律，了解底板隔水层围岩变形、裂隙扩展特征。

图1 岩层柱状

模拟试验方案一：一次采全高（A3+夹矸+A1），在3灰岩层下部放置压力水袋，水袋在模型最下部。

模拟试验方案二：逐层开采，先上后下，即先开采A3，待覆岩稳定后再开采A1，3灰中压力水袋布置与方案一中相同。

2.2 试验过程

本次试验主要按模型铺设、试验准备和承压水上开采3个阶段进行。

在模型铺设阶段，首先调整好模型架，将一定比例的各种相似材料铺在模型中模拟实际岩层，各岩层之间用云母粉加以分隔，为实现含水层上开采的承压效果，在C3灰岩层中安设压力水袋。在试验前准备阶段，用白色涂料将模型表面粉刷，并用黑色墨线标出5 cm×5 cm的网格，可以更好的监测煤层开采后采场围岩变形破坏过程。

模型养护7~10d达到要求后，应将重力加载、变形测试、电法测试系统及时安装，然后进入承压水上开采阶段。开采时，在模型上边界布置6个千斤顶补充地层压力3.5 MPa。按应力相似比，为实现现场4.5 MPa水压以煤层底板的作用，通过调节水头高度，使得水袋压力达到0.027 MPa。

模型设计开切眼距离模型左边界60 cm，停采线距模型右边界60 cm。每次2 h开挖5 cm，近似于实际工作面推进5 m。整体模型如图2所示。

图2 相似模型

3 不同开采方式底板破坏特征

通过相似模拟实验，得出了A1、A3 2个煤层同时开采及逐层开采时，采场底板裂隙演化规律，据此总结了不同开采方式下底板隔水层破坏特征：

1）工作面采用不同开采方式时，底板产生裂隙时间不同，但产生裂隙的方位和裂隙的类型大体一致，基本在采空区中部，岩层受拉产生竖直方向的张开裂隙；随工作面推进距离增加，底板应力卸载程度及卸载压范围增大，在含水层附近沿层理方向出现顺层裂隙，在停采线位置，顺层裂隙斜向上发育形成穿层裂隙。

图3 一次采全高工作面底板裂隙分布

2）2层煤同采时，受采动应力及底板水压作用，底板破坏程度较逐层开采时更为充分，底板破坏过程更加明显。A1、A3两煤层同时开采时，3种形态裂隙相互贯通，工作面底板3灰承压水突水危险性增加。

图4 开采上分层时底板裂隙分布

3）逐层开采下煤层时，重复采动使得煤层顶板随采随冒，采空区中煤层底板在较短时间被上覆垮落岩层压实，致使上煤层开采时已产生的裂隙部分闭合（见图5）。

图5 开采下分层时底板裂隙分布

4）根据二次试验结果得出的底板裂隙分布规律，总结出不同开采方式下底板破坏分区。

2个煤层一次同采的底板裂隙分布：靠近煤层底板12~13 cm范围形成竖向裂隙带；向下6~7 cm范围形成斜向穿层裂隙带；再向下4~5 cm为顺层裂隙带。所形成3种形态裂隙相互贯通，严重威胁工作面安全回采。具体划分如图6所示。

图6 一次采全高底板裂隙带分布

逐层开采时，底板破坏裂隙分布如图7所示。底板自上而下分4个区域，与2个煤层同时开采相比，新增了底板岩层损伤带，可以看作底板有效隔水岩层厚度，这也就意味着逐层开采时底板受采动应力影响较小，底板裂隙未完全贯通，该开采方式对底板突水事故的发生能起到有效预防作用。

图7 开采下分层底板裂隙带分布

4 结论

1）受采动应力及水压双重作用下，近距离厚煤层整体一次开采较逐层开采对煤层底板扰动影响剧烈，导致底板岩层破坏更加充分，更容易形成底板导通裂隙，发生工作面突水。

2）工作面开采后，先后在煤层底板形成竖向张裂隙、顺层裂隙及斜向穿层裂隙，不同的开采强度使得3种裂隙发育范围及相互沟通程度不同。

3）近距离厚煤层由上而下逐层开采时，煤层底板受顶板充分垮落岩层的压实作用，使得已产生的裂隙部分闭合，尤其在泥质岩层中，弥合的裂隙也将会阻隔流体。