錢營孜煤礦首采區32煤采動頂底板變形破壞數值模擬研究

胡園園

（安徽省煤田地質局第三勘探隊，安徽宿州234000）

錢營孜煤礦首采區32煤采動頂底板變形破壞數值模擬研究

胡園園*

（安徽省煤田地質局第三勘探隊，安徽宿州234000）

基于首采區的地質條件和模型的的設計原則，建立計算模型，對煤層采動頂底板的變性破壞進行模擬，并對煤層采動后的頂底板巖層應力場進行分析，確定破壞帶的厚度，根據規范計算出導水裂隙帶和冒落高度帶的厚度，并和相鄰礦井32煤層實測值進行比較，最終確定頂底板的破壞高度。它可為深入系統地研究首采區32煤層開采時破壞機理和突水條件提供依據。

錢營孜煤礦；導水裂隙帶；冒落帶

1　采區概況

1.1采區地質概況

錢營孜煤礦是安徽恒源煤電股份有限公司新建的礦井，其設計生產能力為180×104t/a。位于宿州市西南，中心位置距宿州市約15km。井田范圍：東起雙堆斷層，西至南坪斷層，南以27勘探線和F22斷層為界，北至32煤層-1200m等高線地面投影線，面積為74.15km2。首采區位于錢營孜煤礦中南部，總體上為一走向近南北，傾向東的單斜構造，地層傾角一般為10°～15°。

1.2采區水文地質概況

在留設防水煤柱條件下開采32煤層時，新生界第四含水層（組）為間接充水含水層，是開采淺部煤層時的主要補給水源，采區直接充水水源為二疊系32煤層頂底板砂巖裂隙水。正常情況下太原組1～4層灰巖巖溶裂隙含水層（段）對開采32煤層無直接充水影響。采區內多數斷層富水性弱，導水性差，但井巷工程施工穿過斷層時，斷層裂隙帶水就會進入礦井，從而破壞地下水原來的平衡狀態，使斷層的導水性增大，若使主采煤層與富水層直接接觸、溝通，就有可能產生突水。

2　32煤采動頂底板變形破壞數值模擬研究

2.1模型的建立

2.1.1模型的建立和范圍

根據設計模型的原則和首采區的地質條件建立如下三維數值模型：開采方向沿煤層走向開采，計算模型的走向長x為300m，傾向寬y為200m，煤層厚度取3m，32煤層深度取采區-650m水平，角度為15°，模型高為253m。為消除左右邊界的邊界效應，將采空區放置在模型的中間，同時采空區兩側留取足夠寬度的巖柱。如圖1所示。

圖1　數值模擬地下采煤三維模型示意圖

2.1.2模型的屈服準則和物理參數的獲取

從模型的應用來看，它既要符合材料特點，而且比較容易獲得巖石的力學參數，簡單實用。因此在本次對32煤開采底板破壞的模擬計算中采用摩爾—庫爾準則，并且均不考慮塑性流動（不考慮剪脹），即：

式中：σmax、σmin——最大和最小主應力；

C、φ——材料的粘結力和內摩擦角；

σt（σtmax=）——抗拉強度；

模擬煤巖層物理力學參數的獲取，是來自對首采區南北部井下34#和24#室內試驗所獲得的巖石物理力學參數指標（見表1）。

表1　模擬煤巖層物理力學參數表

2.1.3區域網格劃分及初始條件

本次模擬模型的下部為傾斜巖層，上部為水平的第三系部分下組巖土層，其余按均布載荷處理，整個三維計算模型共劃分若干個單元和節點。

由于上覆巖層結構復雜，模型周圍的地應力場也很復雜。因此，在模擬時假設地層內各點垂直應力等于上履巖層的靜壓力，以此來描述原始應力場的描述。

模型的邊界條件如下：

（1）應力邊界：模型上部按至地表巖體的自重施加垂直方向的載荷，前后左右施加考慮應力梯度的水平等效地應力。

（2）位移邊界：模型前后左右采用x、y方向固定；模型z方向上底部采用全約束邊界條件，模型頂部采用自由邊界條件。

2.1.4數值計算

本模型施加漸變內部應力，側壓系數設為0.338。模型頂部載荷為12.59MPa，底部底部為18.80MPa，垂向漸變系數為2.490。采用給定的工作面寬度按每20m步距進行分布開挖，計算循環至巖層穩定，每步均運算3000時步進行平衡，基本能接近穩定。

2.2模擬的結果及分析

在模擬區域推進的過程中對于頂板沒有進行特別的支護，而是按照現場實際情況任其自行垮落，故在推進過程中頂板位置不可避免的也會產生應力集中，這對模擬的過程不產生影響。

2.2.1應力變化特征

（1）隨著模擬與推進不同長度時，模擬區域中部沿走向和傾向巖層破壞區逐漸增大，垂直應力也發生重新分布，并且應力變化的范圍也逐漸增大。

隨著工作面的推進，煤層的不斷向前開挖，采空區頂底板兩側的應力增高區范圍和數值都在不斷增大，但底板增大趨勢不如頂板明顯；采空區底板中部的應力下降范圍也在不斷發展，甚至逐步出現了拉應力，并且其拉應力范圍在不斷擴大。

（2）根據推進不同長度煤層采動應力變化特征分析。隨模擬區域推進，區域兩端煤柱應力逐漸增大，而底板應力減小，且卸載范圍逐漸增大。同時底板應力調整程度與深度有關，隨深度增加，底板應力降低幅度逐漸減小。隨不同長度推進，煤巖層卸荷回彈量逐漸增大，影響深度也逐漸增加。

（3）當模擬區域向前推進至80m時，在推進前方和開切眼下部，底板巖層破壞深度最大，最大破壞深度為10m，與老頂初次來壓期間相同；而在開采后形成的采空區下部巖層破壞深度相對較小，底板巖層基本上為拉剪混合破壞，頂板破壞深度約為12m；當工作面向前推進至100m時，底板巖層的最大破壞深度為12.5m。頂板的最大破壞高度為22m；當工作面向前推進100～150m，即開挖結束時，頂底板巖層繼續破壞。當工作面推進到130m以后，底板巖層的最大破壞深度基本保持在15m，只是破壞的范圍在增大，頂板的巖層破壞高度基本穩定在45.0m，只是破壞的范圍在增大。

究其原因，應該是由于有較大范圍的頂板巖層進入破壞階段，由于頂板巖層向采空區的大規模運動，致使模擬區域后方冒落的巖石逐漸被壓實，使得模擬區域前方支撐壓力并沒前者有大的增長，采空區內的垂直應力和水平應力有逐漸升高的跡象，頂底板巖層的破壞趨于穩定。

2.2.2破壞厚度的確定

模擬結果顯示開采造成底板最大破壞深度基本保持在18m，同時，通過模擬計算得出走向模型的冒落帶高度約14.80m，傾向模型的冒落帶高度約13.60m，導水裂隙帶高度約45.0m。

2.3規程規范計算兩帶高度

根據物理力學試驗測試得出，首采區32煤層屬中硬覆巖，根據《“三下”采煤規程》，選取中硬覆巖類型預計公式計算破壞高度。

冒落帶高度計算公式見公式（2），導水裂隙帶高度公式見公式（3）：

式中：Hm——冒落帶高度，m；

Hl——導水裂隙帶高度m；

∑M——累計采厚，m。

當采厚為3m時，計算得出：Hm=11.26m；Hl= 41.34m。

2.4頂底板破壞高度的確定

通過數值模擬與規程規范計算，考慮安全效應，按照最大值原則，最終得出底板破壞最大深度為18m，32煤層導水裂隙帶的高度為45.0m，冒落帶高度為14.8m，裂采比為15.0，冒采比為4.93。而相鄰的祁東煤礦32煤層實測值冒高12.7～18.00m，裂高46～72.18m，冒采比5.68～6.80裂采比為15.3～28.1，兩者相比較，本次模擬的結果具有一定的可靠性。

3　結論

（1）通過數值模擬顯示：隨著工作面回采后，進入過屈服狀態，已遭受拉伸破壞的冒落帶高度為14.8m，近采高的5倍；正在遭受或已經遭受拉伸、剪切破壞的裂隙帶發育最大高度為45.0m。

（2）底板裂隙發育深度為18m，反映了32煤層底板以下18m左右的底板不具有阻水能力。

（3）32煤頂板巖層受冒落巖塊支承，底板的破壞深度穩定在18m左右。

（4）32煤層底板發育的K3砂巖距32煤層底板最小間距為27.26m，而本次模擬結果顯示，在采動效應的影響下，32煤層底板破壞深度為18m，因此，一般情況下，K3砂巖含水層對32煤層沒有充水性。

［1］張金才，劉天泉.論煤層底板采動裂隙帶的深度及分布特征［J］.煤炭學報，1990（2）：46-54.

［2］黎良杰，錢鳴高，等.底板巖體結構穩定性與底板突水關系的研究［J］.中國礦業大學學報，1995（4）：18-23.

［3］王作宇.底板零位破壞帶最大深度的分析計算［J］.煤炭科學技術，1992（2）：2-6.

TD322

A

1004-5716（2016）08-0196-03

2015-08-21

胡園園（1984-），女（漢族），安徽宿州人，工程師，現從事地質報告編制工作。