（山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 山西 048006）

1.引言

長(zhǎng)平煤礦屬于沁水煤田，現(xiàn)開采3#煤層，生產(chǎn)能力500萬噸/年。根據(jù)井田內(nèi)水文孔水文標(biāo)高資料，長(zhǎng)平礦3#煤層大部分區(qū)域，15#煤層全部區(qū)域，均位于奧灰水水頭高度以下，井田內(nèi)煤系基底奧灰含水層帶壓最大可達(dá)4.36Mpa。礦井開采過程中，主要水害威脅來自底板奧陶系灰?guī)r水。受底板水威脅最嚴(yán)重的15#煤，距離奧陶系灰?guī)r頂界面平均僅有27.33m左右，甚至在部分區(qū)域僅10余米，帶壓開采[1]問題突出，因此需要對(duì)3#煤、15#煤層底板破壞深度[2]進(jìn)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(guī)劃與布局提供依據(jù)。

2.基本情況

長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)象，5302工作面底板標(biāo)高在470-520m，3#煤到奧灰?guī)r（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(shù)值模擬

(1)建立數(shù)值模型

結(jié)合長(zhǎng)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(jì)算模型走向長(zhǎng)500m，傾斜寬度250m（取傾長(zhǎng)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(jìn)長(zhǎng)度300m；15#煤層采面采寬100m（取200m的一半）、煤層傾角8°、走向推進(jìn)長(zhǎng)度300m。模型共包含3#煤和15#煤兩層煤。

(2)塑性區(qū)分布情況

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

圖1 3#煤層工作面推進(jìn)過程頂、底板塑性區(qū)分布

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

②當(dāng)3#煤層采面推進(jìn)60m時(shí)，覆巖頂板發(fā)生初次來壓，其頂板砂質(zhì)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(shí)采空區(qū)底板卸壓變形[4]，底板出現(xiàn)拉-剪破壞，煤層開切眼和采煤面下方則表現(xiàn)出剪切破壞，底板塑性破壞深度為12.71m。

③當(dāng)3#煤層工作面向前推進(jìn)至120m時(shí)，頂板發(fā)生周期來壓，采空區(qū)正上方頂板表現(xiàn)出明顯的拉破壞、兩側(cè)表現(xiàn)為較規(guī)則的“馬鞍形”破壞規(guī)律[5]，采煤面上方頂板垮落高度達(dá)44.98m，模型頂部泥砂巖互層受采面回采影響出現(xiàn)拉、剪破壞；此時(shí)，隨著煤層開采直接底隨采隨破壞，底板塑性破壞區(qū)發(fā)生在開切眼和采煤面下方附近，底板最大采動(dòng)破壞深度達(dá)到18.13m。

④當(dāng)3#煤層采煤面繼續(xù)向前推進(jìn)至180m時(shí)，采空區(qū)上方頂板仍呈現(xiàn)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(dá)53.64m，采煤面處覆巖頂板發(fā)育至K8中細(xì)粒砂巖，未與泥砂巖貫通，冒落高度達(dá)45.25m；此時(shí)，底板采動(dòng)破壞深度沿開采方向發(fā)育破裂，直接底泥巖粉砂巖互層破壞較嚴(yán)重，底板采動(dòng)破壞最大值約為18.13m左右。

⑤隨著工作面向前推進(jìn)至240m時(shí)，頂板覆巖層已發(fā)生多次周期來壓，此時(shí)，采空區(qū)兩側(cè)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(dá)93.01m；煤層底板采動(dòng)破壞深度最大值發(fā)生在“受荷-卸壓”交界處，仍保持在18.13m左右。

⑥當(dāng)工作面開采至300m時(shí)，覆巖頂板已充分冒落并與底板壓實(shí)，采煤面上方頂板垮落高度達(dá)到102.31m，采空區(qū)底板泥質(zhì)砂巖在開切眼、采空區(qū)中部和采煤面零星發(fā)育，但未與上方K6泥質(zhì)灰?guī)r相互連通，故此底板采動(dòng)破壞深度最大值為18.67m。

從圖2中15#煤層工作面推進(jìn)過程頂、底板塑性區(qū)分布，可以看出：

圖2 15#煤層工作面推進(jìn)過程頂、底板塑性區(qū)分布

①當(dāng)15#煤層采煤后，采空區(qū)頂、底板及煤層均表現(xiàn)出顯著的破壞區(qū)，隨著煤層開采不斷推進(jìn)，頂板覆巖層破斷規(guī)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(qū)，部分地應(yīng)力得到釋放，采礦劇烈程度較小。

②當(dāng)15#煤層采面推進(jìn)60m時(shí)，覆巖頂板發(fā)生初次來壓，直接頂板K2灰?guī)r隨采隨冒，破壞高度延伸至老頂板砂質(zhì)泥巖層位，頂板變形呈現(xiàn)拱形垮落形態(tài)[6]，冒落高度為19.56m，受應(yīng)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(xì)粒砂巖與K6泥質(zhì)灰?guī)r破壞發(fā)育橫向擴(kuò)展；15#煤層底板在開切眼和采煤面下方處于圍巖應(yīng)力由受壓與卸壓交界處，采動(dòng)破壞深度較采空區(qū)下方底板受拉區(qū)域大，開切眼下方底板采動(dòng)破壞深度值達(dá)25.44m，采煤面下方底板塑性破壞深度僅為11.15m，奧灰?guī)r峰峰組頂部呈現(xiàn)受拉導(dǎo)升破裂區(qū)，發(fā)育高度5.51m左右，實(shí)際高度可能偏小。

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

④當(dāng)15#煤層向前推進(jìn)至180m時(shí)，采空區(qū)上方覆巖頂板呈現(xiàn)出“馬鞍形”破壞形態(tài)，馬鞍形兩側(cè)高峰區(qū)域基本上與3#煤層底板相貫通，對(duì)于15#煤層底板有效隔水層在采動(dòng)應(yīng)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(dǎo)水通道，采煤面下方底板采動(dòng)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(dǎo)升破裂帶，發(fā)育高度已延伸至鋁土巖，發(fā)育高度達(dá)17.27m。

⑤當(dāng)15#煤層繼續(xù)向前推進(jìn)至240m時(shí)，覆巖頂板“馬鞍形”破壞完全導(dǎo)通3#煤層底板塑性破壞區(qū)；采空區(qū)兩側(cè)煤層下方是采動(dòng)破壞影響較大的地方，由于采空區(qū)冒落下來的矸石逐漸壓實(shí)采空區(qū)，開切眼下方底板采動(dòng)破壞區(qū)域已與峰峰組完全導(dǎo)通，采煤面下方底板破裂帶與峰峰組導(dǎo)升帶亦相互貫通形成導(dǎo)水通道，此時(shí)承壓水導(dǎo)升高度發(fā)育至22.56m。

⑥隨著15#煤層采煤面向前推進(jìn)至300m時(shí)，此時(shí)煤層走向開采寬度300m已超過煤層傾向長(zhǎng)度200m，煤層頂板已充分壓實(shí)采空區(qū)，覆巖頂板與3#煤層頂?shù)装逅苄云茐倪B成一片；采空區(qū)兩側(cè)煤層底板發(fā)育破壞帶已貫通奧灰?guī)r峰峰組，形成大面積突水導(dǎo)水通道，引起底板突水災(zāi)害事故。

4.結(jié)論

通過數(shù)值模擬結(jié)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(jié)果對(duì)礦井下一步防治水工作的總體規(guī)劃與布局提供可靠依據(jù)。