煤層底板

學科：煤地質學

詞目：煤層底板

英文：coal seam floor ^[2] 

由煤層向下，煤層底板分為偽底、直接底和老底三部分：

偽底：直接位於煤層之下的薄而軟弱的岩層，巖性多為炭質頁岩或泥岩，厚度不大。

直接底：位於煤層之下與煤層直接接觸的硬度較低的岩層，一般無明顯的層理，直接底的厚度一般不大，常見的幾十釐米，通常為泥岩、頁岩或粘土巖。若直接底為粘土巖，遇水後則會發生膨脹，造成巷道底板隆起現象，輕者影響巷道運輸與支護，重者可使巷道遭受嚴重破壞。

老底：位於直接底之下的比較堅硬的岩層，常為粉砂岩、砂岩和石灰岩等。

但是並不是所有煤層的頂底板都是由這三部分組成，可能在煤系沉積過程中，受沉積環境變化的影響，會出現有的煤層的頂底板發育不全，有的煤層可能缺失某一個或幾個頂底板組成部分的岩層。例如山西大同等地的侏羅紀煤層的頂板就只出現老頂。

國內外對底板破壞深度的研究已經有許多種方法，主要是運用彈塑性力學方法結合莫爾—庫侖（Mohr-Coulomb）強度理論，依現場觀測數據為依據，輔助進行計算機數值模擬，綜合計算煤層底板巖體受採動影響的最大破壞深度 ^[3]  。

煤層底板在採空區兩側有較大的自由空間，在地應力作用下，底板巖體能夠充分膨脹，產生較多的採動裂隙，近水平煤層在採動邊緣下方附近巖體的破壞深度最大 ^[3]  。

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力大於上出口附近的集中應力，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育。由於煤層的傾角不大，採空區冒落岩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，冒落的採空區的岩石將向採空區下部滑移，充填堅實的冒落岩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 ^[3]  。

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>採深>黏聚力>採厚>煤層傾角>水壓>內摩擦角，方差分析結果顯示，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；採深較為顯著；黏聚力顯著；採厚、煤層傾角、水壓以及內摩擦角不顯著 ^[4]  。

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

如果煤層底板主要由軟巖構成，煤體邊緣一定範圍內的底板巖體，當作用在其上的支承壓力達到或超過其臨界值時，巖體中將產生塑性變形，形成塑性區；當支承壓力達到導致部分巖體完全破壞的最大載荷時，支承壓力作用區域周圍的巖體塑性區將連成一片，致使採空區內底板隆起，已發生塑性變形的巖體向採空區內移動，並形成一個連續的滑移面 ^[3]  。

在煤壁塑性區範圍一定的情況下,底板最大破壞深度隨着底板岩石內摩擦角的增大而增大,隨着底板岩石黏聚力的增大而減小。底板最大破壞深度不僅與採場端部煤體塑性區範圍有關,而且隨着工作面超前支承壓力峯值的增大而增大 ^[5]  。

如底板為遇水膨脹的粘土巖，會引起底鼓或軟巖湧入巷道，破壞巷道，影響運輸。

煤礦生產過程中煤層底板巖體發生底鼓的現象可以用塑性區的形成和發展過程加以解釋。煤層開採後，在採空區周圍的底板巖體上產生支承壓力，當支承壓力作用區域的巖體所承受的應力超過其極限強度時，巖體將會產生塑性變形，由於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的巖體，並且將應力傳遞到這一區域。過渡區的巖體受到擠壓後將繼續擠壓被動區的巖體。由於過渡區和被動區有臨空面（採空區），在主動區傳遞來的力的作用下，過渡區和被動區的巖體將向採空區內膨脹（即底板的壓延作用） ^[3]  。

又稱煤層構造圖，表示煤層下層面標高的等值線圖，煤層底板等高線在水平面上的垂直投影 ^[1]  。

煤層底板等高線圖是煤田地質勘探、礦井設計、建設和煤礦生產各個階段最基本、最重要的施工圖紙。

(1)煤田地質勘探階段，煤層底板等高線圖主要用來表示勘探區的地質構造形態、斷裂發育情況、煤層賦存的空間位態及其變化規律。它是編制勘探設計、佈置勘探工程、進行儲量計算和提交地質報告的重要依據。

(2)礦井設計建設階段，煤層底板等高線圖是礦井設計和建設的重要依據。在礦區總體設計階段，它可用來劃分井田，選擇井筒位置，確定開拓方式，對礦區運輸、供電、供水以及地面工業與民用建築進行合理的選擇與佈置;在礦井設計階段，它可作為選定井筒及工業廣場位置，確定第一水平主要運輸大巷和採區佈置的依據。

(3)煤礦生產階段，煤層底板等高線圖是佈置開拓工程和回採工作面，佈置通風、運輸、排水系統以及編制採掘工程平面圖的主要依據 ^[1]  。

(1)圖面設計。上有圖頭、比例尺，下有圖例、責任圖籤。圖上有方格網和指北線。圖的比例尺與地形地質圖相同。

(2) 重要地形、地物。包括地面河流，地表水體(湖泊、水庫)，鐵路，公路及重要地面建築物、構築物等。

(3)穿過該煤層的全部勘探工程、小窯和生產礦井主要巷道等。

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

(5)勘探線及其編號，煤層底板等高線，上、下盤斷煤交面線等 ^[1]  。

在煤田地質勘探階段，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，原理與繪製地形等高線圖相似，採用線性等距內插法。它主要用於找煤和普查階段初期，勘探工程稀疏，或地層產狀平緩、波狀起伏構造線方向不明顯的地區；在詳、精查勘探階段，有時在局部地段或內插某些邊界線時，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的構造形態。

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，便於閲讀，節約圖紙，一般力求使煤層露頭線走向儘量與圖紙橫向相平行。

(2)繪製座標方格網，座標方格網精度要求很高，縱座標與橫座標必須嚴格垂直，其縱座標(經線)必須與基線方向一致。具體繪製方法採用大方格網控制小方格網的方法，以消除累積誤差。大比例尺圖紙方格網規格為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 (包括鑽孔、探槽、探井、探硐)、生產井口、小窯坑口等，按經、緯線座標 (X、Y)逐一投繪到平面圖上，並註明工程編號及其所見煤層底板標高。斜孔必須經過孔斜校正後再投繪見煤點位置。

(4) 根據勘探區地形地質圖和勘探線剖面圖，將煤層露頭線、井田邊界線，以及對礦井開採有影響的地面建築、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高線的交點，以投影基線為基準，用比例尺移植到平面圖上，並註明相應標高的數字。遇斷層時，應註明斷層編號，上、下盤符號及相應的標高;遇褶曲時，應註明向斜和背斜符號及相應的標高。

(6)分析地質規律。根據地形地質圖和勘探線剖面圖，分析勘探區總的構造特徵和構造輪廓，對構造形式及其展布規律、褶皺的形態、斷裂的性質及其相互關係進行詳細的研究和分析。在掌握勘探區地質規律的基礎上，進一步研究地面地質能觀察到的次一級地質構造，以便更加準確地連結煤層底板等高線。

(7)勾繪等高線。在連結煤層底板等高線時，一般首先勾繪斷煤交面線，背斜或向斜軸線等構造控制線，然後再勾繪控制點較多的某一條底板等高線，最後用光滑曲線連結各同名標高點，即完成煤層底板等高線圖 ^[1]  。