煤層兩種頂板處理方式下底板突水?dāng)?shù)值模擬研究

張洋，包峻帆，劉浩，胡玉峰

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煤層兩種頂板處理方式下底板突水?dāng)?shù)值模擬研究

張洋，包峻帆，劉浩，胡玉峰

（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，河南 信陽 464000）

為了研究工作面回采過程中頂板垮落填充處理與未垮落填充處理對底板水害防治效果的差異性，在詳細(xì)分析研究區(qū)地質(zhì)資料、采掘情況及相關(guān)圖件的基礎(chǔ)上，建立了研究區(qū)工作面數(shù)值模擬計(jì)算模型，采取頂板垮落填充及未垮落填充兩種工作面回采頂板處理方式，在模型底板布置相應(yīng)的監(jiān)測點(diǎn)，記錄工作面回采過程中底板應(yīng)力及位移的變化，據(jù)此探究了兩種頂板處理方式下底板應(yīng)力場及位移場的變化規(guī)律，同時(shí)從塑性區(qū)發(fā)育、垂直位移、垂直應(yīng)力及最小主應(yīng)力4方面對比分析了兩種頂板處理方式對底板突水的“貢獻(xiàn)”程度，為工作面回采過程中制定底板防治水措施提供合理依據(jù)。

煤層頂板；數(shù)值模擬；計(jì)算模型；防治水措施

煤層底板突水是嚴(yán)重威脅煤礦安全生產(chǎn)的主要水害之一，它是承壓水上煤層開采時(shí)，在采動礦壓和承壓水的共同作用下，煤層底板巖層變形破壞，導(dǎo)致產(chǎn)生承壓水大量涌入采掘空間的現(xiàn)象[1]。開采實(shí)踐證明，影響煤層底板突水的主要因素，是煤系底部灰?guī)r強(qiáng)巖溶含水層承壓水的富水性和水壓力、底板隔水層的特征、地質(zhì)構(gòu)造、礦山壓力及開采空間等，且各因素之間存在著復(fù)雜的動態(tài)關(guān)系。人們在對煤層底板突水機(jī)理及預(yù)測的研究中，相繼提出了突水系數(shù)公式、下三帶理論、原位張裂與零位破壞理論、薄板模型關(guān)鍵層理論等[2-3]。對底板突水模擬試驗(yàn)主要有相似材料模擬、數(shù)值模擬等方法[4-5]。隨著開采深度、開采強(qiáng)度、開采速度、開采規(guī)模的增加和擴(kuò)大，礦井突水問題也日益嚴(yán)重[6]，因此，加大對礦井水害及其發(fā)生機(jī)理的探索和研究，最大限度地減少礦井水害的發(fā)生意義深遠(yuǎn)。

本文在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，選用FLAC3D數(shù)值模擬軟件重點(diǎn)研究了頂板垮落填充與未垮落填充兩種頂板處理方式下底板應(yīng)力場、位移場變化規(guī)律及對底板破壞的差異性，探討了兩種頂板處理方式對底板突水的“貢獻(xiàn)”程度，為底板防治水措施制定提供合理依據(jù)。

1 模擬條件及巖石力學(xué)參數(shù)

試驗(yàn)?zāi)M對象位于某井田1101工作面，該工作面主要開采泥巖作為下方10煤層的保護(hù)層，工作面構(gòu)造復(fù)雜程度為中等，地層傾角為28°，保護(hù)層泥巖平均厚度為5.1m。保護(hù)層底板含水層主要有底板砂巖含水層、太原組灰?guī)r含水層及奧陶系灰?guī)r含水層，底板隔水層巖性為砂泥巖互層，隔水層平均厚度為57.3m，隔水性能中等，但底板砂巖含水層是1101工作面突水的直接補(bǔ)給水源，對保護(hù)層泥巖開采影響極大。

圖1 數(shù)值模擬模型圖

借助FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立了1 101工作面數(shù)值模擬模型（圖1），模型長寬高為1 200m×320m×323m，傾向方向?yàn)閥方向，走向方向?yàn)閤方向，垂直方向?yàn)閦方向，共劃分出253 440個(gè)單元，267 531個(gè)節(jié)點(diǎn)。

為了消除邊界效應(yīng)的影響，模型前后左右均留設(shè)了100m的保護(hù)煤柱，并采用零位移邊界約束條件。模型頂部施加11.75MPa的載荷來模擬上覆巖層。數(shù)值模擬模型共劃分了13個(gè)巖性組，分別賦予相應(yīng)的巖層力學(xué)參數(shù)（表）。

數(shù)值模擬模型各巖層物理力學(xué)參數(shù)表

巖性類別體積模量（GPa）切變模量（GPa）粘聚力（MPa）內(nèi)摩擦角（°）抗拉強(qiáng)度（MPa）密度（kg/m3） 細(xì)砂巖13.2211.128.17396.732800 泥巖10.559.386.24375.312700 10煤7.584.354.15212.671380 泥巖9.655.567.78383.422500 中砂巖10.286.225.16364.732600 細(xì)砂巖11.316.845.62353.482750 保護(hù)層泥巖8.114.885.14322.372550 泥巖9.757.365.44373.652500 粉砂巖10.066.874.22403.472700 中砂巖10.356.935.22343.812600 9煤7.324.333.68232.081380 泥巖10.428.796.12373.112450 8煤6.684.563.45223.171380

保護(hù)層泥巖開采一次全采高，自左向右開挖，開挖步距為200m，共分5步完成開挖，模擬過程中頂板采取垮落填充與未垮落填充兩種處理方式，在距保護(hù)層泥巖左邊界200m、400m、600m、800m及1 000m處分別設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)（圖2），分別監(jiān)測距底板6.5m、13.5m、23.8m、25.1m及45.1m 處底板應(yīng)力及變形變化情況。

2 模擬結(jié)果及對比分析

保護(hù)層泥巖開采過程中，頂板無論采取哪種處理方式，受采動影響底板初始應(yīng)力平衡均被打破，且在垂直方向的應(yīng)力及位移也發(fā)生變化，破壞了底板的完整性，極易形成導(dǎo)水通道。本次研究從塑性區(qū)發(fā)育、底板監(jiān)測點(diǎn)垂直位移、垂直應(yīng)力及最小主應(yīng)力變化4方面對比分析了兩種頂板處理方式對底板破壞的差異及對底板突水的影響。

2.1 塑性區(qū)發(fā)育對比分析

依據(jù)模擬結(jié)果，得到了兩種頂板處理方式下塑性區(qū)發(fā)育圖（圖3、圖4）。

圖2 底板監(jiān)測點(diǎn)布置分布圖

圖3 頂板垮落填充處理塑性區(qū)發(fā)育

圖4 頂板未垮落填充處理塑性區(qū)發(fā)育

據(jù)圖3、圖4可知，無論頂板采取垮落填充處理，還是未垮落填充處理，頂?shù)装逅苄詤^(qū)的最終發(fā)育高度均相差不大，但頂板垮落填充處理塑性區(qū)發(fā)育范圍均被限制在相應(yīng)的開挖步之內(nèi)，沒有出現(xiàn)塑性區(qū)的整體“貫通”，相對而言其對底板的破壞程度較頂板未垮落填充處理的弱些；頂板未垮落填充處理下的塑性區(qū)隨著開挖的進(jìn)行不斷貫通發(fā)育，對底板形成連續(xù)的破壞，且沒有垮落填充物的支撐作用，對底板的破壞相對較大。

2.2 垂直位移變化對比分析

保護(hù)層泥巖開采后，底板形成“下三帶”分布趨勢，受采動影響底板垂直位移發(fā)生變化，底板產(chǎn)生底鼓，因此開展兩種頂板處理方式下底板垂直位移變化對比分析對底板防治水有重要意義。依據(jù)數(shù)值模擬各監(jiān)測點(diǎn)垂直位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制了兩種頂板處理方式下底板垂直位移變化圖（圖5、圖6）。

據(jù)圖5、圖6可知，兩種頂板處理方式下底板垂直位移的變化趨勢大致相同，隨著工作面的推進(jìn)，垂直位移均呈現(xiàn)先增大，再緩慢減小，最后趨于穩(wěn)定。初始開挖時(shí)，由于工作面前方出現(xiàn)應(yīng)力集中，垂直位移向下發(fā)展。隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)底板應(yīng)力得到釋放，垂直位移向上發(fā)展，底板出現(xiàn)底鼓，并且最大底鼓量為51.23mm。頂板垮落填充處理下最終底鼓量較頂板未垮落填充處理最終底鼓量大約減小11.4%，主要是由于頂板垮落填充處理后，填充物對底板起到壓實(shí)作用，促使底板巖層再次被壓實(shí)，底鼓量變小。

2.3 垂直應(yīng)力變化對比分析

根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，模擬了工作面回采過程中各監(jiān)測點(diǎn)底板垂直應(yīng)力及應(yīng)力云圖變化情況（圖7、圖8），探究了各開挖步下底板垂直應(yīng)力的變化規(guī)律，應(yīng)力負(fù)值表示壓應(yīng)力。

圖5 頂板垮落填充處理垂直位移變化

圖6 頂板未垮落填充處理垂直位移變化

圖7 頂板垮落填充處理垂直應(yīng)力變化

圖8 頂板未垮落填充處理垂直應(yīng)力變化

圖9 頂板垮落填充處理最小主應(yīng)力變化

圖10 頂板未垮落填充處理最小主應(yīng)力變化

據(jù)圖7可知，隨著工作面的回采的進(jìn)行，采空區(qū)底板的垂直應(yīng)力呈現(xiàn)釋放現(xiàn)象，應(yīng)力釋放后的垂直應(yīng)力值約為初始值的24.75%。垂直應(yīng)力值開始減小后增大，繼而趨于穩(wěn)定，呈現(xiàn)修正的“二次曲線”形。工作面兩端出現(xiàn)應(yīng)力集中，鑒于頂板垮落填充處理，底板受垮落填充物壓實(shí)作用，底板的巖層重新被壓實(shí)，減弱了對底板的破壞。

據(jù)圖8可知，隨著工作面的回采的進(jìn)行，底板的垂直應(yīng)力也出現(xiàn)釋放現(xiàn)象，應(yīng)力釋放后的垂直應(yīng)力值約為初始值的20.32%，底板趨于平衡的垂直應(yīng)力值較頂板垮落填充處理垂直應(yīng)力值小，主要由于相鄰開挖步?jīng)]有出現(xiàn)應(yīng)力集中，達(dá)到新的平衡后，垂直應(yīng)力值稍小些，表明頂板垮落填充處理底板的平衡垂直應(yīng)力較大，底板巖層重新壓實(shí)，提高了底板巖層的完整性，增強(qiáng)了底板抗水壓的性能。

2.4 最小應(yīng)力變化對比分析

在工作面回采過程中，最小主應(yīng)力對底板的破壞具有較大影響，因此，對比兩種頂板處理方式下各監(jiān)測點(diǎn)底板最小主應(yīng)力的變化情況，對研究底板完整性及抗水壓性能有重要意義。依據(jù)數(shù)值模擬最小主應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制了兩種頂板處理方式下底板最小主應(yīng)力變化圖（圖9、圖10）。

據(jù)圖9、圖10可知，兩種頂板處理方式下底板最小主應(yīng)力變化相差不大，隨著工作面回采的進(jìn)行，最小主應(yīng)力均是先變小，最后趨于平穩(wěn)，只是頂板垮落填充處理下底板最小主應(yīng)力變化明顯些，主要是由于頂板垮落填充后出現(xiàn)壓實(shí)作用，且相鄰開挖步出現(xiàn)應(yīng)力集中。

3 結(jié)論

借助FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬了頂板垮落填充處理與未垮落填充處理下底板應(yīng)力場及位移場變化規(guī)律，從塑性區(qū)發(fā)育、垂直位移、垂直應(yīng)力及最小主應(yīng)力4方面對比分析了兩種頂板處理方式對底板突水的影響，得出如下結(jié)論：

1）兩種頂板處理方式下頂?shù)装逅苄詤^(qū)的發(fā)育趨勢大致相同，但頂板垮落填充處理對底板的破壞程度較頂板未垮落填充處理的弱些。

2）兩種頂板處理方式下底板垂直位移呈現(xiàn)先增大，再緩慢減小，最后趨于穩(wěn)定，但頂板垮落填充處理對底板的破壞沒有頂板未垮落填充處理的明顯。

3）兩種頂板處理方式下底板垂直應(yīng)力值開始減小后增大，繼而趨于穩(wěn)定，呈現(xiàn)修正的“二次曲線”形。頂板垮落填充處理底板巖層被壓實(shí)，底板抗水壓性能比頂板垮落未填充有所增強(qiáng)。

4）兩種頂板處理方式下底板最小主應(yīng)力值沒有明顯差異。

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Numerical Simulation Study of Floor Water Inrush under Two Kinds of Roof Conditions

ZHANG Yang BAO Jun-fan LIU Hao HU Yu-feng

(No.3 Institute of Geological &Mineral Resources Survey, Henan Bureau of Geology and Mineral Resources, Xinyang, Henan 464000)

This paper has a discussion on the differences of roof caving filling and not caving filling in floor water prevention effects. A working face numerical simulation model is established based on the analysis of geological and mining conditions and related maps. Some floor water inrush control measures are put forward based on contribution of two kinds of roof treatments to floor water inrush.

roof caving; numerical simulation; calculating model; water inrush control measures

2018-04-23

張洋(1988-），男，河南信陽人，助理工程師，研究方向：地質(zhì)礦產(chǎn)勘查與綜合研究

P641.4

A

1006-0995（2019）01-0093-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2019.01.022