煤層底板采動變形破壞規(guī)律的數(shù)值模擬研究

陳四寶，張緩緩,葉永芳

（江西省煤田地質(zhì)局二二四地質(zhì)隊(duì)，江西新余336600）

煤層開采后，底板巖層的原始應(yīng)力狀態(tài)遭到破壞，圍巖會因失去支撐而向采空區(qū)內(nèi)逐漸移動、彎曲和破壞，使得底板巖層破壞，形成裂隙或者原生裂隙發(fā)生擴(kuò)展，容易發(fā)生突水。而破壞深度的大小是評價底板突水性的重要指標(biāo)之一。

河邊煤礦目前主要開采4#、5#、9#煤層，下一步計(jì)劃開采12號煤層，因12號煤層距離下部茅口灰?guī)r較近，因此需要對12煤層開采后底板破壞深度進(jìn)行研究，以分析茅口灰?guī)r含水層突水的可能性，從而為是否開采12煤層提供資料，或者為防水煤巖柱留設(shè)提供依據(jù)。

1 12煤層概況

根據(jù)以往補(bǔ)充勘探資料，河邊煤礦12煤位于二疊系煤系地層P3l底部，距離10煤層21.96～32.82m，平均28.82m，煤層全層厚度0.79～3.74m，平均1.85m；采用厚度0.79～3.15m，平均1.57m；含0～4層夾石，一般0～2層夾石，巖性為泥巖。面積可采率100%，變異系數(shù)53.1，穩(wěn)定系數(shù)18.4。屬全區(qū)可采、較穩(wěn)定煤層。

2 12煤層開采底板破壞規(guī)律模擬

模擬模型尺寸設(shè)為200m×100m×100m。根據(jù)模型的幾何尺寸劃分計(jì)算網(wǎng)格，模擬所需巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1，建立數(shù)值計(jì)算模型。根據(jù)江西省煤田地質(zhì)局二二四地質(zhì)隊(duì)已施工鉆孔，12煤層埋深460m，模型上邊界埋深為387.5m，按至地表的巖體自重施加應(yīng)力載荷（σz=γH ，γ取上覆巖層的加權(quán)平均），即10.88MPa，測壓系數(shù)為0.33。模型邊界條件為：底部邊界采用全約束邊界條件，即X、Y和Z方向位移均為零；左右邊界、前后邊界為約束邊界條件，即X方向、Y方向均固定（水平位移為零），Z方向?yàn)樽杂蛇吔纾挥杓s束，地質(zhì)模型如圖1所示，剪切模量和體積模量可由彈性模量和泊松比計(jì)算得到，計(jì)算公式如下：

式中：K——體積模量，GPa；

G——剪切模量，GPa；

E——彈性模量，GPa；

υ——泊松比。

根據(jù)現(xiàn)場勘探ZK704鉆孔實(shí)測巖層傾角為15°，12煤層厚1.06m，假設(shè)開采的初次來壓步距為20m，擬定開挖2步。隨煤層的不斷開采，塑性破壞及其應(yīng)力狀態(tài)見圖2～圖5。

圖2、圖3為煤層開挖過程中破壞區(qū)范圍的變化。隨著12煤層的不斷開采，以采空區(qū)為中心的破壞區(qū)范圍在不斷擴(kuò)大。當(dāng)煤層開挖40m時，可以看出底板的塑性破壞范圍基本達(dá)到一個穩(wěn)定狀態(tài)，形成穩(wěn)定的拉伸破壞與剪切破壞區(qū)域；頂板的塑性破壞范圍在進(jìn)一步向上擴(kuò)展。整個模型的底板破壞呈現(xiàn)一種穩(wěn)步向前推進(jìn)的狀態(tài)，從圖3中可以得出底板塑性破壞深度大致在8m左右。

圖4、圖5為煤層開挖過程中垂直方向的應(yīng)力變化云圖。隨著12煤層的不斷開采，煤層頂?shù)装鍘r層為達(dá)到新的應(yīng)力平衡，垂直應(yīng)力會呈現(xiàn)出明顯的重新分布現(xiàn)象。從圖中可以得出，煤層采動底板的應(yīng)力重分布體現(xiàn)出了一定的規(guī)律性，在每一步的開挖中，采空區(qū)正下方位置處應(yīng)力值最小，兩幫出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，這也導(dǎo)致底板兩側(cè)位置產(chǎn)生變形破壞，形成壓、剪破壞區(qū)；當(dāng)整個過程達(dá)到穩(wěn)定時，應(yīng)力的最大值在煤壁前后方，最大數(shù)值達(dá)19.659MPa；最小值始終在采空區(qū)底板下方位置。

表1 模型參數(shù)

圖1 地質(zhì)模型

3 12煤層開采底板隔水層厚度分析

圖5 開挖40m垂直應(yīng)力圖

根據(jù)目前江西省煤田地質(zhì)局二二四地質(zhì)隊(duì)進(jìn)行的河邊煤礦擴(kuò)界勘探已完工的ZK604、ZK506、ZK707、ZK706、ZK902、ZK704、ZK705、ZK802孔12煤層底板與下部茅口灰?guī)r距離統(tǒng)計(jì)情況（見表2）得知，12煤層底板至茅口灰?guī)r頂板之間的巖性為泥巖、泥質(zhì)粉砂巖及鋁土巖，均可作為隔水層，其間距在2.05～7.54m，平均4.805m。

表2 河邊煤礦擴(kuò)界勘探鉆孔12煤層底板與茅口灰?guī)r頂板的間距

4 結(jié)論

根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果顯示12煤層底板開采破壞深度為8m左右，12煤層底板隔水層厚度最大為7.54m，平均4.805m，模擬的底板破壞深度會波及到下部茅口灰?guī)r含水層中，一定程度下會增加其突水的可能性。模擬結(jié)果對12煤層的安全開采具有現(xiàn)實(shí)意義。