煤层底板稳定性及影响

如底板为遇水膨胀的粘土岩，会引起底鼓或软岩涌入巷道，破坏巷道，影响运输。

煤矿生产过程中煤层底板岩体发生底鼓的现象可以用塑性区的形成和发展过程加以解释。煤层开采后，在采空区周围的底板岩体上产生支承压力，当支承压力作用区域的岩体所承受的应力超过其极限强度时，岩体将会产生塑性变形，由于这部分岩体在垂直方向上受到压缩，在水平方向上必然会膨胀，膨胀的岩体挤压过渡区的岩体，并且将应力传递到这一区域。过渡区的岩体受到挤压后将继续挤压被动区的岩体。由于过渡区和被动区有临空面（采空区），在主动区传递来的力的作用下，过渡区和被动区的岩体将向采空区内膨胀（即底板的压延作用） 。

国内外对底板破坏深度的研究已经有许多种方法，主要是运用弹塑性力学方法结合莫尔—库仑（Mohr-Coulomb）强度理论，依现场观测数据为依据，辅助进行计算机数值模拟，综合计算煤层底板岩体受采动影响的最大破坏深度 。

近水平煤层

煤层底板在采空区两侧有较大的自由空间，在地应力作用下，底板岩体能够充分膨胀，产生较多的采动裂隙，近水平煤层在采动边缘下方附近岩体的破坏深度最大 。

倾斜及急倾斜煤层破坏深度

在缓倾斜及倾斜煤层的下出口附近，从受力角度分析，煤层底板承受的集中应力大于上出口附近的集中应力，煤层底板承受的水压力也是下出口附近的较大，煤层底板在下出口附近裂隙较发育。由于煤层的倾角不大，采空区冒落岩石的滑移起不了主要作用，然而急倾斜煤层不同，在自重力作用下，冒落的采空区的岩石将向采空区下部滑移，充填坚实的冒落岩石限制了下出口附近煤层底板的膨胀，阻碍了裂隙的形成，所以，急倾斜煤层的底板破坏深度在上出口附近较大 。

各主控因素对底板破坏深度影响的主次顺序为：工作面斜长>采深>黏聚力>采厚>煤层倾角>水压>内摩擦角，方差分析结果显示，各主控因素中工作面斜长对底板破坏深度的敏感度为高度显著；采深较为显著；黏聚力显著；采厚、煤层倾角、水压以及内摩擦角不显著 。

采场边缘破坏深度

煤层底板岩体最大破坏深度与工作面倾斜长度成线性关系，与岩体原始应力的平方成正比，与岩体抗压强度成反比。

塑性理论计算岩体最大破坏深度

如果煤层底板主要由软岩构成，煤体边缘一定范围内的底板岩体，当作用在其上的支承压力达到或超过其临界值时，岩体中将产生塑性变形，形成塑性区；当支承压力达到导致部分岩体完全破坏的最大载荷时，支承压力作用区域周围的岩体塑性区将连成一片，致使采空区内底板隆起，已发生塑性变形的岩体向采空区内移动，并形成一个连续的滑移面 。

在煤壁塑性区范围一定的情况下,底板最大破坏深度随着底板岩石内摩擦角的增大而增大,随着底板岩石黏聚力的增大而减小。底板最大破坏深度不仅与采场端部煤体塑性区范围有关,而且随着工作面超前支承压力峰值的增大而增大 。

由煤层向下，煤层底板分为伪底、直接底和老底三部分：

伪底：直接位于煤层之下的薄而软弱的岩层，岩性多为炭质页岩或泥岩，厚度不大。

直接底：位于煤层之下与煤层直接接触的硬度较低的岩层，一般无明显的层理，直接底的厚度一般不大，常见的几十厘米，通常为泥岩、页岩或粘土岩。若直接底为粘土岩，遇水后则会发生膨胀，造成巷道底板隆起现象，轻者影响巷道运输与支护，重者可使巷道遭受严重破坏。

老底：位于直接底之下的比较坚硬的岩层，常为粉砂岩、砂岩和石灰岩等。

但是并不是所有煤层的顶底板都是由这三部分组成，可能在煤系沉积过程中，受沉积环境变化的影响，会出现有的煤层的顶底板发育不全，有的煤层可能缺失某一个或几个顶底板组成部分的岩层。例如山西大同等地的侏罗纪煤层的顶板就只出现老顶。

又称煤层构造图，表示煤层下层面标高的等值线图，煤层底板等高线在水平面上的垂直投影 。

煤层底板主要用途

煤层底板等高线图是煤田地质勘探、矿井设计、建设和煤矿生产各个阶段最基本、最重要的施工图纸。

(1)煤田地质勘探阶段，煤层底板等高线图主要用来表示勘探区的地质构造形态、断裂发育情况、煤层赋存的空间位态及其变化规律。它是编制勘探设计、布置勘探工程、进行储量计算和提交地质报告的重要依据。

(2)矿井设计建设阶段，煤层底板等高线图是矿井设计和建设的重要依据。在矿区总体设计阶段，它可用来划分井田，选择井筒位置，确定开拓方式，对矿区运输、供电、供水以及地面工业与民用建筑进行合理的选择与布置;在矿井设计阶段，它可作为选定井筒及工业广场位置，确定第一水平主要运输大巷和采区布置的依据。

(3)煤矿生产阶段，煤层底板等高线图是布置开拓工程和回采工作面，布置通风、运输、排水系统以及编制采掘工程平面图的主要依据 。

煤层底板主要内容

(1)图面设计。上有图头、比例尺，下有图例、责任图签。图上有方格网和指北线。图的比例尺与地形地质图相同。

(2) 重要地形、地物。包括地面河流，地表水体(湖泊、水库)，铁路，公路及重要地面建筑物、构筑物等。

(3)穿过该煤层的全部勘探工程、小窑和生产矿井主要巷道等。

(4)各种边界线。井田边界线，煤层露头线，煤层风、氧化带边界线，采空区边界线以及煤层冲刷边界线、岩溶陷落柱边界线等。

(5)勘探线及其编号，煤层底板等高线，上、下盘断煤交面线等 。

煤层底板编制方法

在煤田地质勘探阶段，煤层底板等高线图的编制方法有插绘法和剖面法两种。①插绘法，原理与绘制地形等高线图相似，采用线性等距内插法。它主要用于找煤和普查阶段初期，勘探工程稀疏，或地层产状平缓、波状起伏构造线方向不明显的地区；在详、精查勘探阶段，有时在局部地段或内插某些边界线时，也作为一种辅助方法使用。②剖面法，从各勘探线剖面图上直接量取煤层底板各等值标高点位置，是编制煤层底板等高线图最常用的方法。其特点是精度高，能真实地反映勘探区的构造形态。

剖面法的编图步骤：

(1)选择基线，基线即指北线，确定其方向的原则是使图幅合适，图面匀称，便于阅读，节约图纸，一般力求使煤层露头线走向尽量与图纸横向相平行。

(2)绘制坐标方格网，坐标方格网精度要求很高，纵坐标与横坐标必须严格垂直，其纵坐标(经线)必须与基线方向一致。具体绘制方法采用大方格网控制小方格网的方法，以消除累积误差。大比例尺图纸方格网规格为10×10cm²。

(3)投绘勘探工程，把勘探线位置和穿过该煤层的全部勘探工程 (包括钻孔、探槽、探井、探硐)、生产井口、小窑坑口等，按经、纬线坐标 (X、Y)逐一投绘到平面图上，并注明工程编号及其所见煤层底板标高。斜孔必须经过孔斜校正后再投绘见煤点位置。

(4) 根据勘探区地形地质图和勘探线剖面图，将煤层露头线、井田边界线，以及对矿井开采有影响的地面建筑、铁路、公路、河流、湖泊、水库等重要地物，逐一投绘到平面图上。

(5)卡点投图。将勘探线剖面图上煤层底板与水平标高线的交点，以投影基线为基准，用比例尺移植到平面图上，并注明相应标高的数字。遇断层时，应注明断层编号，上、下盘符号及相应的标高;遇褶曲时，应注明向斜和背斜符号及相应的标高。

(6)分析地质规律。根据地形地质图和勘探线剖面图，分析勘探区总的构造特征和构造轮廓，对构造形式及其展布规律、褶皱的形态、断裂的性质及其相互关系进行详细的研究和分析。在掌握勘探区地质规律的基础上，进一步研究地面地质能观察到的次一级地质构造，以便更加准确地连结煤层底板等高线。

(7)勾绘等高线。在连结煤层底板等高线时，一般首先勾绘断煤交面线，背斜或向斜轴线等构造控制线，然后再勾绘控制点较多的某一条底板等高线，最后用光滑曲线连结各同名标高点，即完成煤层底板等高线图 。

煤层底板等高线图是煤田地质勘探、矿井设计、建设和煤矿生产各个阶段最基本、最重要的施工图纸。

(1)煤田地质勘探阶段，煤层底板等高线图主要用来表示勘探区的地质构造形态、断裂发育情况、煤层赋存的空间位态及其变化规律。它是编制勘探设计、布置勘探工程、进行储量计算和提交地质报告的重要依据。

(2)矿井设计建设阶段，煤层底板等高线图是矿井设计和建设的重要依据。在矿区总体设计阶段，它可用来划分井田，选择井筒位置，确定开拓方式，对矿区运输、供电、供水以及地面工业与民用建筑进行合理的选择与布置;在矿井设计阶段，它可作为选定井筒及工业广场位置，确定第一水平主要运输大巷和采区布置的依据。

(3)煤矿生产阶段，煤层底板等高线图是布置开拓工程和回采工作面，布置通风、运输、排水系统以及编制采掘工程平面图的主要依据。

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要存在问题

1.4 主要研究内容

2 倾斜煤层底板破坏特征力学分析

2.1 沿煤层倾斜方向底板应力分布

2.2 沿煤层倾斜方向底板破坏深度

2.3 沿煤层倾斜方向底板破坏形态

2.4 工程应用

2.5 本章小结

3 倾斜煤层底板破坏特征数值分析

3.1 FLAC3D简介与建模原则

3.2 数值计算模型与方案

3.3 沿煤层倾斜方向底板应力分布

3.4 沿煤层倾斜方向底板破坏特征

3.5 埋深对底板应力分布与破坏特征的影响

3.6 本章小结

4 倾斜煤层底板突水力学分析

4.1 倾斜煤层底板隔水关键层力学模型

4.2 倾斜煤层底板隔水关键层力学特性

4.3 倾斜煤层底板隔水关键层失稳力学判据

4.4 工程应用

4.5 本章小结

5 倾斜煤层底板突水数值分析

5.1 流固耦合方程与建模原则

5.2 模拟工程背景与数值计算模型

5.3 沿煤层倾斜方向底板流固耦合破坏特征

5.4 沿煤层倾斜方向底板承压渗透特性

5.5 沿煤层倾斜方向底板易于突水位置

5.6 本章小结

6 倾斜煤层底板阻隔水性能分析

6.1 倾斜煤层底板隔水关键层破断失稳特征

6.2 倾斜煤层底板隔水关键层突水危险区域

6.3 倾斜煤层底板隔水关键层阻隔水性能

6.4 本章小结

7 倾斜煤层底板破坏特征微震监测与突水预测

7.1 倾斜煤层工作面概况

7.2 微震监测原理与方案

7.3 倾斜煤层底板破坏特征微震监测

7.4 倾斜煤层底板突水预测

7.5 本章小结

8 主要结论

8.1 结论

8.2 展望

参考文献2100433B

在煤田地质勘探阶段，煤层底板等高线图的编制方法有插绘法和剖面法两种。①插绘法，原理与绘制地形等高线图相似，采用线性等距内插法。它主要用于找煤和普查阶段初期，勘探工程稀疏，或地层产状平缓、波状起伏构造线方向不明显的地区;在详、精查勘探阶段，有时在局部地段或内插某些边界线时，也作为一种辅助方法使用。②剖面法，从各勘探线剖面图上直接量取煤层底板各等值标高点位置，是编制煤层底板等高线图最常用的方法。其特点是精度高，能真实地反映勘探区的构造形态。

剖面法的编图步骤：

(1)选择基线，基线即指北线，确定其方向的原则是使图幅合适，图面匀称，便于阅读，节约图纸，一般力求使煤层露头线走向尽量与图纸横向相平行。

(2)绘制坐标方格网，坐标方格网精度要求很高，纵坐标与横坐标必须严格垂直，其纵坐标(经线)必须与基线方向一致。具体绘制方法采用大方格网控制小方格网的方法，以消除累积误差。大比例尺图纸方格网规格为10×10cm。

(3)投绘勘探工程，把勘探线位置和穿过该煤层的全部勘探工程 (包括钻孔、探槽、探井、探硐)、生产井口、小窑坑口等，按经、纬线坐标 (X、Y)逐一投绘到平面图上，并注明工程编号及其所见煤层底板标高。斜孔必须经过孔斜校正后再投绘见煤点位置。

(4) 根据勘探区地形地质图和勘探线剖面图，将煤层露头线、井田边界线，以及对矿井开采有影响的地面建筑、铁路、公路、河流、湖泊、水库等重要地物，逐一投绘到平面图上。

(5)卡点投图。将勘探线剖面图上煤层底板与水平标高线的交点，以投影基线为基准，用比例尺移植到平面图上，并注明相应标高的数字。遇断层时，应注明断层编号，上、下盘符号及相应的标高;遇褶曲时，应注明向斜和背斜符号及相应的标高。

(6)分析地质规律。根据地形地质图和勘探线剖面图，分析勘探区总的构造特征和构造轮廓，对构造形式及其展布规律、褶皱的形态、断裂的性质及其相互关系进行详细的研究和分析。在掌握勘探区地质规律的基础上，进一步研究地面地质能观察到的次一级地质构造，以便更加准确地连结煤层底板等高线。

(7)勾绘等高线。在连结煤层底板等高线时，一般首先勾绘断煤交面线，背斜或向斜轴线等构造控制线，然后再勾绘控制点较多的某一条底板等高线，最后用光滑曲线连结各同名标高点，即完成煤层底板等高线图。 2100433B