承壓水上采煤底板應力分布規律及塑性區分析

程濤 魏中舉 謝小平 彭祖鋒 覃繼圓

摘 要：針對近距離高承壓水上安全高效采煤的問題，運用理論分析的方法，構建了采場圍巖力學數值模擬模型，對近距離高承壓水群條件下膏體充填開采采場圍巖的受力情況和應力分布規律進行了理論分析，并結合礦山壓力、巖體力學和彈塑性理論對膏體充填工作面圍巖應力分布與傳播規律進行研究，對膏體充填體參與作用下的底板巖體應力分布特征、膏體充填開采底板破壞規律進行理論分析，并理論計算底板巖體理論破壞深度及范圍。

關鍵詞：承壓水;底板突水;支承壓力;力學模型

1 工程概況

某井田內地勢平坦，地面標高平均為+39.5 m，東西走向長約9.0 km，南北傾斜寬7.2 km，面積約65.0 km2。礦井主要可采煤層為3上、16和17煤層，3下煤層局部可采;礦井采用立井分水平開拓，當前生產水平為-410 m水平，開采3上和3下煤層;-580 m水平正在開拓之中，新水平的首采工作面將要投產，開采16、17煤層，16煤層平均厚度為1.5 m，17煤層平均厚度為1.2 m。目前，礦井可采儲量僅有3670萬t，按照300萬t/年的生產能力計算，礦井剩余服務年限為只有12年。該煤礦不僅面臨建筑物下采煤的難題，同時礦井煤層開采還受到底板承壓水突水的威脅，通過研究確定采用膏體充填采空區的綠色采礦技術，該技術不僅可以控制地表的下沉變形，也可以控制煤層下伏煤巖層破壞的深度，而且能夠提高資源的采出率，是一舉多得的技術措施。

2 煤層底板支承壓力分布規律

對于長壁開采工作面，Whittaker通過現場實測并結合理論研究成果得出，煤層開采后工作面周圍的應力分布，即沿采空區邊緣產生支承壓力。長壁工作面前方煤壁內的支承壓力叫前支承壓力，前支承壓力區寬度范圍為20～25m，從煤壁到支承壓力峰值距離為0～15m。工作面兩端沿上下順槽煤壁的壓力為側支承壓力，側方支承壓力的范圍為15～20m。在采空區內形成后支承壓力，側支承壓力和前支承壓力在上下順槽與回采空間交叉點會合，并疊加成尖峰支承壓力，該處應力集中系數相對較大。從圖X1X1和X2X2剖面圖中可以看出，煤層采動后不僅在工作面周圍煤壁上產生高于原始應力的支承壓力，而且在工作面范圍內，垂直壓力大大低于覆蓋層的巖石地應力γH，直接頂底板處于卸壓狀態。由XY剖面可以看出后支承壓力在在距工作面0.3～0.4H處近似等于直接頂和部分已冒落的基本頂，隨著工作面不斷推進，其后支撐壓力逐漸被其后已冒落的矸石最終支撐住頂板，并且支撐時的這一點的最大壓力與覆蓋層載荷相等，即恢復到原始應力狀態。

3構建底板支承壓力分布的力學模型

采場附近煤層底板層面上的支承壓力往往超過其煤體極限強度，隨著煤體破壞的發展，煤壁附近的壓力峰值將向煤體深處轉移，其支承壓力峰值距離煤壁的遠近取決于煤體彈塑性變形。采場附近煤體上的支承壓力往往超過煤體極限強度，特別是煤層深埋、采高大及軟弱煤層，在煤壁附近形成非彈性區（塑性區或破碎區）。如圖1所示

4 煤層底板塑性區分析

作用在煤層底板上一定范圍內的巖體，當其上的支撐壓力達到或者超過其臨界值時，煤層底板下方一定范圍的巖體就會發生塑性變形，形成塑性區：當支撐壓力達到導致部分巖體完全破壞時最大載荷pm時，支承壓力作用區域周圍的巖體塑性區將連成一片，導致采空區內底板隆起，處于塑性變形的巖體向采空區內發生移動變形，形成一個連續的滑移面。此時，煤層底板巖體受到的采動破壞是最嚴重的。實際生產過程工作面底板發生底鼓的現象與底板塑性區的形成有直接關系。工作面開采以后，形成一個對頂板無作用力的采空區，采空區上方巖層的載荷通過巖梁傳遞給采空區周圍的煤壁形成支承壓力。隨著工作面推進，采空區空間逐漸增加，形成的支承壓力對底板的作用越來越大，迫使底板巖層發生塑性變形。底板塑性區中，主動應力區處于壓縮狀態，將支承壓力作用傳遞給過度區，當壓力傳遞給被動區后由于被動區上部為采空區，無載荷作用，因此被動區巖層會發生向上鼓起的變形，形成底鼓顯現。

5 煤層底板破壞規律分析

充填開采能減小底板破壞深度，而充填開采中關鍵是充填體的構筑，下面通過研究充填體的作用機理，解釋充填開采底板破壞深度減小的原因，進而分析充填開采中影響底板破壞的因素。關于充填體的作用機理，一般有三種說法：

（1）支護作用

1）表面支護作用。通過對采場邊界關鍵塊體的位移施加運動約束，充填體可以防止在低應力條件下近采場在空間上的逐漸破壞。2）局部支護作用。由臨近的采礦活動引起的采場幫壁巖體的準連續性剛體位移，使得充填體發揮被動抗體的作用。作用在充填體與巖體交界面上的支護壓力允許在采場周邊產生很高的局部應力梯度。并且已經證明，小的表面載荷對摩擦型介質中的屈服區范圍可能產生重大影響。3）總體支護作用。如果充填體受到適當的約束，它在礦山結構可以起到一種總體支護構件的作用。也就是說，在巖體和充填體之間交界面上采礦所誘導的位移將引起充填體的變形，而這類變形又導致了整個圍巖應力狀態的降低。

（2）充填體與系統的共同作用

充填體的三種作用：1）應力轉移和吸收作用。充填體進入采空區，最初是不受力的，以后隨著充填體強度的提高，具備了吸收應力和轉移應力的能力。成為系統支撐結構的一部分，參與地層的自組織系統和活動。2）應力隔離作用。充填體可以起到屏障的作用，對水平應力和垂直應力進行隔離。從而改善圍巖的應力環境，維護采場和上覆巖層的穩定。3）系統的共同作用。充填體充入采空區后，由于充填體、圍巖、地應力、開挖等共同作用，特別是開挖系統的自組織功能，使圍巖變形得到控制，圍巖能量耗散速度得到減緩，采場結構和圍巖破壞的發展得到控制，特別是無阻擋的自由破壞塌落得到控制。

（3）充填體的綜合作用機理

1）充填體力學作用機理

充填體可以改變采場圍巖的應力狀態，使其單軸或雙軸應力狀態變為雙軸或三軸應力狀態，使圍巖的強度得到很大提高，從而增強了圍巖的自支撐能力。因此，充填體不僅起到支撐作用，更重要的是提高了圍巖的強度和承載能力。

2）充填體結構作用機理

巖體中的斷層、節理裂隙等地質構造將巖體切割成一系列結構體。特別是煤礦采空區的冒落帶、裂隙帶。這些不連續結構體的組成方式決定了結構體的穩定狀況。當地下開挖，破壞了巖體原始的結構體系，使其本來能夠維持平衡和承受載荷的幾何不變體系變成了幾何可變體系。

3）充填體的讓壓作用

由于充填體變形比原巖體的變形大得多，所以，充填體能夠在維護圍巖系統結構體系的情況下，緩慢讓壓，使圍巖地壓能夠得到一定的釋放，從能量的角度來看，是限制能量釋放的速度。同時，充填體施壓于圍巖，對圍巖起到柔性支護的作用。

參考文獻：

[1] 趙繼忠，馮利民，陳艦艇，等.承壓水上開采工作面底板破壞深度相似模擬試驗[J].煤礦安全，2015，46（6）：32—35.

[2] 賈林剛.充填開采不同充填率覆巖破壞特征相似模擬研究[J].煤炭科學技術，2019，47（9）：197—202.

[3] 張俊，姚多喜.煤層底板變形破壞的相似材料模擬研究綜述[J].唐山學院學報，2019，32（11）：47—52.

作者簡介：

程濤（2000.08-）男，漢族，貴州省遵義市人，在讀本科學生，主要從事采礦工程專業方面的學習和研究

基金項目：六盤水師范學院大學生創新創業訓練計劃項目（項目編號： 2020cxcy46）

（六盤水師范學院礦業與土木工程學院 ?貴州 ?六盤水 ?553004）