袁店一礦10煤底板破壞特征分析

陳偉　王來斌

摘 要：根據袁店一礦102采區的鉆孔資料，采用理論計算與FLAC3D數值模擬相結合的方式，來分析袁店一礦煤層開采過程中底板應力及破壞特征。結果表明：在10煤開挖后，10煤層底板到泥巖4下9m破壞仍然較嚴重，泥巖4基本不具有阻水能力。10煤底板破壞深度理論計算值與數值模擬得出的結果基本相符。研究結果可以為該區的生產和底板水防治提供指導意義。

關鍵詞：應力場；數值模擬；理論計算；底板突水

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.21.101

0 引言

由于持續大規模開采煤炭資源，隨著開采深度的增加，在煤層底板必然受到更加嚴重的奧陶系灰巖水與太原組灰巖水的威脅，底板隔水層性質以及底板下水壓值是底板水害發生控制的關鍵因素。目前，煤層底板突水預測方法一般采用模糊數學法[1-3]、風險評估及突變理論[4-5]、FLAC3D數值模擬[6-8]等方法。使用FLAC3D數值模擬方法可以在可以較準確的反映出煤層底板開挖后巖土體整體的流動以及塑性變化情況，在評價煤層底板開挖后底板應力變化情況以及底板塑性破壞范圍的問題上具有很大的優越性。

1 工程實例

1.1 采區地質概況

袁店一礦102采區位于工業廣場西南側，其西邊界是F4斷層，同時與106采區相鄰；東以F2斷層為界，與101采區相鄰；在山西組的中部，距離太原組一灰頂界面36.1～50.5m 是10煤層。102采區為一走向北北西，傾向北東的單斜構造，地層傾角較平緩，一般為9°～13°。1灰到4灰含水層是10煤層開挖需考慮含水層，單位涌水量的范圍是0.00687～0.1475 L/s.m，按照規程，其富水性是弱富水性～中等富性。滲透系數在0.03767到0.5913 m/d之間，該含水層屬弱透水含水層。說明102采區太原組上部灰巖現有的巖溶裂隙不發育，連通性差。

1.2 底板破壞理論計算

（1）煤層屈服區長度的計算。根據袁店一礦102采區煤層、巖石力學測試資料，可知：袁店一礦102采區10煤層平均埋深H=598m，平均采高M=3.1m，通過對主采煤層頂底板巖石力學性質試驗成果的分析，同時考慮到巖體的尺寸效應，覆蓋于煤層上部的巖層的平均容重γ=27kN/m3，煤的內摩擦角的加權平均值φ1=42°，煤層底板巖層以粉砂巖、細砂巖為主，以巖石力學實驗為主結合工程實踐經驗綜合考慮底板巖層內摩擦角φ=37°。可以求出破壞深度計算需要的彈塑性力學參數K1、F。

通過現場實際測量或者計算得到煤層屈服區長度La。煤層屈服區長度La根據A.H.威爾遜提出的計算公式：

（2）底板最大破壞深度的塑性解。極限支承壓力條件下破壞區的最大深度計算公式可以由塑性滑移時巖土層極限承載力的綜合計算公式（A.S.魏西克）算得煤層底板巖體最大破壞深度Hm：

1.3 底板破壞數值模擬分析

（1）模型建立。根據煤層開采具體情況建立三維坐標模型，坐標原點為傾斜煤層下山煤層底板基點，XoY平面位于底板地面，煤層的走向為X軸方向，Y軸正方向為傾斜水平投影方向，垂直向上為Z軸正方向建立三維地質坐標系統。按巖性以及巖層完整性，根據鉆孔資料，以及結合工作面的具體開采情況，將研究區內巖層被劃分為泥巖、灰巖、粗砂巖、沙質泥巖、10煤等19個工程地質巖組。工程地質模型及邊界條件見圖1。模型范圍主要是沿X軸正向250m（包含測試孔在內），沿Y軸正向200m，沿Z軸正向175m的地塊，整個三維模型共劃分28350個單元，31304個節點。煤層傾角10°，采厚4m。在滿足模型實際條件要求下，設定模型的前后以及左右兩側面都是實體巖體，同時也可以簡化為位移邊界條件，設定在Y方向為開挖后變形運動方向，而X方向是固定鉸支座滿足剛性要求；下部底面邊界簡化為位移邊界條件，X軸方向為固定鉸支座視為無位移變化行為，同樣設定Y軸為開挖后變形方向；上部邊界條件是按照施加在巖層上面的等效荷載施加，約為5.8MPa。

（2）巖體力學參數。模擬結果的可靠性直接受到模型計算參數的選擇的影響。以實驗測試的巖石物理力學指標為基礎，結合Mohr-Columb 屈服準則，以及工程實踐經驗確定合理、有效的巖體物理力學參數。

（3）數值模擬結果分析。由圖2可以看出，兩個應力增高區出現在工作面煤壁后方及開切眼處，在推進步距100m時，距開切眼前方約6m以及停采線后方約 6m處出現最大值，且最大垂直應力值分別約為 21.5MPa和 23.8MPa。

在煤層開采的過程中，在底板巖層內部一定區域內，原始應力平衡狀態打破，應力重新進行分布直到達到平衡狀態，在采空區附近與煤壁區域內，底板巖層在開采過程中由于臨空面形成而產生卸荷回彈，一定區域內的應力高度集中且在開挖的初始階段變化極為強烈，尤其在靠近煤壁的地方，應力急劇變化，初始階段就有可能產生破壞區域，產生連續破壞帶，底板已經形成的破壞帶會由于礦山壓力與下伏灰巖中承壓水的共同作用可能會進一步破壞，從而可能使10煤與下伏灰巖導通，增加其水力聯系，使突水的危險性加大。

由圖3所顯示，開挖過程中在停采線處和開切眼處是應力高度集中且極有可能產生脆性破壞的區域，所以停采線及開切眼處最小垂直應力值是評估地層阻水能力的關鍵數據。在10煤層底板下9m處即泥巖4層面，最小的垂直應力值約為2.2MPa，基本不具有阻水的能力了，在10煤層下15m中即砂巖層面，最小的垂直應力值約為5.2MPa，阻水能力提升。在1灰頂面，最小的垂直應力值約為12MPa。1灰是主要含水層，通過將煤層下不同層位垂直應力值與含水層水壓值進行比較可以為礦井水害防治提供指導意見。

（4）底板采動破壞演化特征。圖4是可以看出，在工作面的推進過程中巖層產生了不可逆形變，采空區兩端的支撐煤壁處的塑性區逐漸變為剪切屈服，屈服極限值為能承受水壓力最小值，在煤層底板中部的采空區，由于底板破壞深度在礦山壓力的作用下不斷加大，會出現了局部拉張屈服變形。工作面下方也會受到礦山壓力影響，隨著礦山壓力的不斷增大，底板發生底鼓的范圍也會隨著不斷擴大。在步距100m的時候，塑性區破壞深度約為14m左右，此時達到最大值，這與與理論計算結果基本相符。

通過分析工作面煤層底板巖性組合特征以及塑性區的分布律可以看出，剪應力高度集中的部位主要位于停采線的斜上方和斜下方和開切眼處及其附近，在這些部位會產生剪切屈服區。在煤層附近，由于煤層本身礦物成分較差的物理力學性質，即使不是最大的剪應力區，在工作面前后，仍然出現了一定范圍的剪切屈服區。因為塑性破壞區的發展變化，會導致底板的力學性質產生重要變化，在下伏灰巖承壓水威脅10煤開采的情況下，塑性區會隨著工作面推進的過程進一步擴大發展下去，底板隔水層中的導水裂隙會隨著形成的拉張屈服帶和剪切裂隙帶的發展而逐漸連通，底板隔水層的隔水作用自然會被降低，底板的破壞范圍也逐漸擴大，導致底板的突水事故的概率從而大大增大。因此，準確地分析計算礦壓以及底板的破壞深度，對于防治底板突水提出切實有用的建議是至關重要的。

3 結論

（1） 根據所建立的完整底板巖層組合的工程地質模型，通過數值模擬的方法對煤層底板應力變化及塑性區發展研究得出，在10煤底板下9m內破壞仍然較嚴重，泥巖4基本發生塑性破壞，阻水能力很差。但隨深度增加，阻水能力逐漸增強。（2） 通過理論分析并結合袁店一礦實際情況可以得出： 10煤層底板在采動情況下最大破壞深度約為 13.6m。數值模擬結果表明，采動情況下10 煤層底板最大破壞深度約為14m。理論研究計算與數值模擬結果的結合，對該礦區的生產和底板水防治具有重要指導意義。

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作者簡介：陳偉（1991-），湖北咸寧人，在讀研究生，專業方向為礦井水文地質與工程地質。