煤層底板破壞深度計算

國內(nèi)外對底板破壞深度的研究已經(jīng)有許多種方法，主要是運用彈塑性力學(xué)方法結(jié)合莫爾—庫侖（Mohr-Coulomb）強(qiáng)度理論，依現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)為依據(jù)，輔助進(jìn)行計算機(jī)數(shù)值模擬，綜合計算煤層底板巖體受采動影響的最大破壞深度 。

近水平煤層

煤層底板在采空區(qū)兩側(cè)有較大的自由空間，在地應(yīng)力作用下，底板巖體能夠充分膨脹，產(chǎn)生較多的采動裂隙，近水平煤層在采動邊緣下方附近巖體的破壞深度最大 。

傾斜及急傾斜煤層破壞深度

在緩傾斜及傾斜煤層的下出口附近，從受力角度分析，煤層底板承受的集中應(yīng)力大于上出口附近的集中應(yīng)力，煤層底板承受的水壓力也是下出口附近的較大，煤層底板在下出口附近裂隙較發(fā)育。由于煤層的傾角不大，采空區(qū)冒落巖石的滑移起不了主要作用，然而急傾斜煤層不同，在自重力作用下，冒落的采空區(qū)的巖石將向采空區(qū)下部滑移，充填堅實的冒落巖石限制了下出口附近煤層底板的膨脹，阻礙了裂隙的形成，所以，急傾斜煤層的底板破壞深度在上出口附近較大 。

各主控因素對底板破壞深度影響的主次順序為：工作面斜長>采深>黏聚力>采厚>煤層傾角>水壓>內(nèi)摩擦角，方差分析結(jié)果顯示，各主控因素中工作面斜長對底板破壞深度的敏感度為高度顯著；采深較為顯著；黏聚力顯著；采厚、煤層傾角、水壓以及內(nèi)摩擦角不顯著 。

采場邊緣破壞深度

煤層底板巖體最大破壞深度與工作面傾斜長度成線性關(guān)系，與巖體原始應(yīng)力的平方成正比，與巖體抗壓強(qiáng)度成反比。

塑性理論計算巖體最大破壞深度

如果煤層底板主要由軟巖構(gòu)成，煤體邊緣一定范圍內(nèi)的底板巖體，當(dāng)作用在其上的支承壓力達(dá)到或超過其臨界值時，巖體中將產(chǎn)生塑性變形，形成塑性區(qū)；當(dāng)支承壓力達(dá)到導(dǎo)致部分巖體完全破壞的最大載荷時，支承壓力作用區(qū)域周圍的巖體塑性區(qū)將連成一片，致使采空區(qū)內(nèi)底板隆起，已發(fā)生塑性變形的巖體向采空區(qū)內(nèi)移動，并形成一個連續(xù)的滑移面 。

在煤壁塑性區(qū)范圍一定的情況下,底板最大破壞深度隨著底板巖石內(nèi)摩擦角的增大而增大,隨著底板巖石黏聚力的增大而減小。底板最大破壞深度不僅與采場端部煤體塑性區(qū)范圍有關(guān),而且隨著工作面超前支承壓力峰值的增大而增大 。

由煤層向下，煤層底板分為偽底、直接底和老底三部分：

偽底：直接位于煤層之下的薄而軟弱的巖層，巖性多為炭質(zhì)頁巖或泥巖，厚度不大。

直接底：位于煤層之下與煤層直接接觸的硬度較低的巖層，一般無明顯的層理，直接底的厚度一般不大，常見的幾十厘米，通常為泥巖、頁巖或粘土巖。若直接底為粘土巖，遇水后則會發(fā)生膨脹，造成巷道底板隆起現(xiàn)象，輕者影響巷道運輸與支護(hù)，重者可使巷道遭受嚴(yán)重破壞。

老底：位于直接底之下的比較堅硬的巖層，常為粉砂巖、砂巖和石灰?guī)r等。

但是并不是所有煤層的頂?shù)装宥际怯蛇@三部分組成，可能在煤系沉積過程中，受沉積環(huán)境變化的影響，會出現(xiàn)有的煤層的頂?shù)装灏l(fā)育不全，有的煤層可能缺失某一個或幾個頂?shù)装褰M成部分的巖層。例如山西大同等地的侏羅紀(jì)煤層的頂板就只出現(xiàn)老頂。

如底板為遇水膨脹的粘土巖，會引起底鼓或軟巖涌入巷道，破壞巷道，影響運輸。

煤礦生產(chǎn)過程中煤層底板巖體發(fā)生底鼓的現(xiàn)象可以用塑性區(qū)的形成和發(fā)展過程加以解釋。煤層開采后，在采空區(qū)周圍的底板巖體上產(chǎn)生支承壓力，當(dāng)支承壓力作用區(qū)域的巖體所承受的應(yīng)力超過其極限強(qiáng)度時，巖體將會產(chǎn)生塑性變形，由于這部分巖體在垂直方向上受到壓縮，在水平方向上必然會膨脹，膨脹的巖體擠壓過渡區(qū)的巖體，并且將應(yīng)力傳遞到這一區(qū)域。過渡區(qū)的巖體受到擠壓后將繼續(xù)擠壓被動區(qū)的巖體。由于過渡區(qū)和被動區(qū)有臨空面（采空區(qū)），在主動區(qū)傳遞來的力的作用下，過渡區(qū)和被動區(qū)的巖體將向采空區(qū)內(nèi)膨脹（即底板的壓延作用） 。

又稱煤層構(gòu)造圖，表示煤層下層面標(biāo)高的等值線圖，煤層底板等高線在水平面上的垂直投影 。

煤層底板主要用途

煤層底板等高線圖是煤田地質(zhì)勘探、礦井設(shè)計、建設(shè)和煤礦生產(chǎn)各個階段最基本、最重要的施工圖紙。

(1)煤田地質(zhì)勘探階段，煤層底板等高線圖主要用來表示勘探區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)、斷裂發(fā)育情況、煤層賦存的空間位態(tài)及其變化規(guī)律。它是編制勘探設(shè)計、布置勘探工程、進(jìn)行儲量計算和提交地質(zhì)報告的重要依據(jù)。

(2)礦井設(shè)計建設(shè)階段，煤層底板等高線圖是礦井設(shè)計和建設(shè)的重要依據(jù)。在礦區(qū)總體設(shè)計階段，它可用來劃分井田，選擇井筒位置，確定開拓方式，對礦區(qū)運輸、供電、供水以及地面工業(yè)與民用建筑進(jìn)行合理的選擇與布置;在礦井設(shè)計階段，它可作為選定井筒及工業(yè)廣場位置，確定第一水平主要運輸大巷和采區(qū)布置的依據(jù)。

(3)煤礦生產(chǎn)階段，煤層底板等高線圖是布置開拓工程和回采工作面，布置通風(fēng)、運輸、排水系統(tǒng)以及編制采掘工程平面圖的主要依據(jù) 。

煤層底板主要內(nèi)容

(1)圖面設(shè)計。上有圖頭、比例尺，下有圖例、責(zé)任圖簽。圖上有方格網(wǎng)和指北線。圖的比例尺與地形地質(zhì)圖相同。

(2) 重要地形、地物。包括地面河流，地表水體(湖泊、水庫)，鐵路，公路及重要地面建筑物、構(gòu)筑物等。

(3)穿過該煤層的全部勘探工程、小窯和生產(chǎn)礦井主要巷道等。

(4)各種邊界線。井田邊界線，煤層露頭線，煤層風(fēng)、氧化帶邊界線，采空區(qū)邊界線以及煤層沖刷邊界線、巖溶陷落柱邊界線等。

(5)勘探線及其編號，煤層底板等高線，上、下盤斷煤交面線等 。

煤層底板編制方法

在煤田地質(zhì)勘探階段，煤層底板等高線圖的編制方法有插繪法和剖面法兩種。①插繪法，原理與繪制地形等高線圖相似，采用線性等距內(nèi)插法。它主要用于找煤和普查階段初期，勘探工程稀疏，或地層產(chǎn)狀平緩、波狀起伏構(gòu)造線方向不明顯的地區(qū)；在詳、精查勘探階段，有時在局部地段或內(nèi)插某些邊界線時，也作為一種輔助方法使用。②剖面法，從各勘探線剖面圖上直接量取煤層底板各等值標(biāo)高點位置，是編制煤層底板等高線圖最常用的方法。其特點是精度高，能真實地反映勘探區(qū)的構(gòu)造形態(tài)。

剖面法的編圖步驟：

(1)選擇基線，基線即指北線，確定其方向的原則是使圖幅合適，圖面勻稱，便于閱讀，節(jié)約圖紙，一般力求使煤層露頭線走向盡量與圖紙橫向相平行。

(2)繪制坐標(biāo)方格網(wǎng)，坐標(biāo)方格網(wǎng)精度要求很高，縱坐標(biāo)與橫坐標(biāo)必須嚴(yán)格垂直，其縱坐標(biāo)(經(jīng)線)必須與基線方向一致。具體繪制方法采用大方格網(wǎng)控制小方格網(wǎng)的方法，以消除累積誤差。大比例尺圖紙方格網(wǎng)規(guī)格為10×10cm²。

(3)投繪勘探工程，把勘探線位置和穿過該煤層的全部勘探工程 (包括鉆孔、探槽、探井、探硐)、生產(chǎn)井口、小窯坑口等，按經(jīng)、緯線坐標(biāo) (X、Y)逐一投繪到平面圖上，并注明工程編號及其所見煤層底板標(biāo)高。斜孔必須經(jīng)過孔斜校正后再投繪見煤點位置。

(4) 根據(jù)勘探區(qū)地形地質(zhì)圖和勘探線剖面圖，將煤層露頭線、井田邊界線，以及對礦井開采有影響的地面建筑、鐵路、公路、河流、湖泊、水庫等重要地物，逐一投繪到平面圖上。

(5)卡點投圖。將勘探線剖面圖上煤層底板與水平標(biāo)高線的交點，以投影基線為基準(zhǔn)，用比例尺移植到平面圖上，并注明相應(yīng)標(biāo)高的數(shù)字。遇斷層時，應(yīng)注明斷層編號，上、下盤符號及相應(yīng)的標(biāo)高;遇褶曲時，應(yīng)注明向斜和背斜符號及相應(yīng)的標(biāo)高。

(6)分析地質(zhì)規(guī)律。根據(jù)地形地質(zhì)圖和勘探線剖面圖，分析勘探區(qū)總的構(gòu)造特征和構(gòu)造輪廓，對構(gòu)造形式及其展布規(guī)律、褶皺的形態(tài)、斷裂的性質(zhì)及其相互關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)的研究和分析。在掌握勘探區(qū)地質(zhì)規(guī)律的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究地面地質(zhì)能觀察到的次一級地質(zhì)構(gòu)造，以便更加準(zhǔn)確地連結(jié)煤層底板等高線。

(7)勾繪等高線。在連結(jié)煤層底板等高線時，一般首先勾繪斷煤交面線，背斜或向斜軸線等構(gòu)造控制線，然后再勾繪控制點較多的某一條底板等高線，最后用光滑曲線連結(jié)各同名標(biāo)高點，即完成煤層底板等高線圖 。

煤層底板等高線圖是煤田地質(zhì)勘探、礦井設(shè)計、建設(shè)和煤礦生產(chǎn)各個階段最基本、最重要的施工圖紙。

(1)煤田地質(zhì)勘探階段，煤層底板等高線圖主要用來表示勘探區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)、斷裂發(fā)育情況、煤層賦存的空間位態(tài)及其變化規(guī)律。它是編制勘探設(shè)計、布置勘探工程、進(jìn)行儲量計算和提交地質(zhì)報告的重要依據(jù)。

(2)礦井設(shè)計建設(shè)階段，煤層底板等高線圖是礦井設(shè)計和建設(shè)的重要依據(jù)。在礦區(qū)總體設(shè)計階段，它可用來劃分井田，選擇井筒位置，確定開拓方式，對礦區(qū)運輸、供電、供水以及地面工業(yè)與民用建筑進(jìn)行合理的選擇與布置;在礦井設(shè)計階段，它可作為選定井筒及工業(yè)廣場位置，確定第一水平主要運輸大巷和采區(qū)布置的依據(jù)。

(3)煤礦生產(chǎn)階段，煤層底板等高線圖是布置開拓工程和回采工作面，布置通風(fēng)、運輸、排水系統(tǒng)以及編制采掘工程平面圖的主要依據(jù)。

1 緒論

1.1 研究背景與意義

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.3 主要存在問題

1.4 主要研究內(nèi)容

2 傾斜煤層底板破壞特征力學(xué)分析

2.1 沿煤層傾斜方向底板應(yīng)力分布

2.2 沿煤層傾斜方向底板破壞深度

2.3 沿煤層傾斜方向底板破壞形態(tài)

2.4 工程應(yīng)用

2.5 本章小結(jié)

3 傾斜煤層底板破壞特征數(shù)值分析

3.1 FLAC3D簡介與建模原則

3.2 數(shù)值計算模型與方案

3.3 沿煤層傾斜方向底板應(yīng)力分布

3.4 沿煤層傾斜方向底板破壞特征

3.5 埋深對底板應(yīng)力分布與破壞特征的影響

3.6 本章小結(jié)

4 傾斜煤層底板突水力學(xué)分析

4.1 傾斜煤層底板隔水關(guān)鍵層力學(xué)模型

4.2 傾斜煤層底板隔水關(guān)鍵層力學(xué)特性

4.3 傾斜煤層底板隔水關(guān)鍵層失穩(wěn)力學(xué)判據(jù)

4.4 工程應(yīng)用

4.5 本章小結(jié)

5 傾斜煤層底板突水?dāng)?shù)值分析

5.1 流固耦合方程與建模原則

5.2 模擬工程背景與數(shù)值計算模型

5.3 沿煤層傾斜方向底板流固耦合破壞特征

5.4 沿煤層傾斜方向底板承壓滲透特性

5.5 沿煤層傾斜方向底板易于突水位置

5.6 本章小結(jié)

6 傾斜煤層底板阻隔水性能分析

6.1 傾斜煤層底板隔水關(guān)鍵層破斷失穩(wěn)特征

6.2 傾斜煤層底板隔水關(guān)鍵層突水危險區(qū)域

6.3 傾斜煤層底板隔水關(guān)鍵層阻隔水性能

6.4 本章小結(jié)

7 傾斜煤層底板破壞特征微震監(jiān)測與突水預(yù)測

7.1 傾斜煤層工作面概況

7.2 微震監(jiān)測原理與方案

7.3 傾斜煤層底板破壞特征微震監(jiān)測

7.4 傾斜煤層底板突水預(yù)測

7.5 本章小結(jié)

8 主要結(jié)論

8.1 結(jié)論

8.2 展望

參考文獻(xiàn)2100433B

在煤田地質(zhì)勘探階段，煤層底板等高線圖的編制方法有插繪法和剖面法兩種。①插繪法，原理與繪制地形等高線圖相似，采用線性等距內(nèi)插法。它主要用于找煤和普查階段初期，勘探工程稀疏，或地層產(chǎn)狀平緩、波狀起伏構(gòu)造線方向不明顯的地區(qū);在詳、精查勘探階段，有時在局部地段或內(nèi)插某些邊界線時，也作為一種輔助方法使用。②剖面法，從各勘探線剖面圖上直接量取煤層底板各等值標(biāo)高點位置，是編制煤層底板等高線圖最常用的方法。其特點是精度高，能真實地反映勘探區(qū)的構(gòu)造形態(tài)。

剖面法的編圖步驟：

(1)選擇基線，基線即指北線，確定其方向的原則是使圖幅合適，圖面勻稱，便于閱讀，節(jié)約圖紙，一般力求使煤層露頭線走向盡量與圖紙橫向相平行。

(2)繪制坐標(biāo)方格網(wǎng)，坐標(biāo)方格網(wǎng)精度要求很高，縱坐標(biāo)與橫坐標(biāo)必須嚴(yán)格垂直，其縱坐標(biāo)(經(jīng)線)必須與基線方向一致。具體繪制方法采用大方格網(wǎng)控制小方格網(wǎng)的方法，以消除累積誤差。大比例尺圖紙方格網(wǎng)規(guī)格為10×10cm。

(3)投繪勘探工程，把勘探線位置和穿過該煤層的全部勘探工程 (包括鉆孔、探槽、探井、探硐)、生產(chǎn)井口、小窯坑口等，按經(jīng)、緯線坐標(biāo) (X、Y)逐一投繪到平面圖上，并注明工程編號及其所見煤層底板標(biāo)高。斜孔必須經(jīng)過孔斜校正后再投繪見煤點位置。

(4) 根據(jù)勘探區(qū)地形地質(zhì)圖和勘探線剖面圖，將煤層露頭線、井田邊界線，以及對礦井開采有影響的地面建筑、鐵路、公路、河流、湖泊、水庫等重要地物，逐一投繪到平面圖上。

(5)卡點投圖。將勘探線剖面圖上煤層底板與水平標(biāo)高線的交點，以投影基線為基準(zhǔn)，用比例尺移植到平面圖上，并注明相應(yīng)標(biāo)高的數(shù)字。遇斷層時，應(yīng)注明斷層編號，上、下盤符號及相應(yīng)的標(biāo)高;遇褶曲時，應(yīng)注明向斜和背斜符號及相應(yīng)的標(biāo)高。

(6)分析地質(zhì)規(guī)律。根據(jù)地形地質(zhì)圖和勘探線剖面圖，分析勘探區(qū)總的構(gòu)造特征和構(gòu)造輪廓，對構(gòu)造形式及其展布規(guī)律、褶皺的形態(tài)、斷裂的性質(zhì)及其相互關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)的研究和分析。在掌握勘探區(qū)地質(zhì)規(guī)律的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究地面地質(zhì)能觀察到的次一級地質(zhì)構(gòu)造，以便更加準(zhǔn)確地連結(jié)煤層底板等高線。

(7)勾繪等高線。在連結(jié)煤層底板等高線時，一般首先勾繪斷煤交面線，背斜或向斜軸線等構(gòu)造控制線，然后再勾繪控制點較多的某一條底板等高線，最后用光滑曲線連結(jié)各同名標(biāo)高點，即完成煤層底板等高線圖。 2100433B