承壓水上采煤底板破壞特征模擬分析方案設計

謝帥　王宇坤　魏中舉　馮紹輝　杜衛東　肖念波

摘要：為了研究分析承壓水上采煤條件下試驗工作面采空區采用膏體充填技術開采后，受采動影響煤層頂板形成的上三帶和下三帶的情況，及其對煤層下部主要含水層的影響，構建沿煤層走向和傾斜方向的數值計算模型。本次模擬主要針對試驗膏體充填工作面在不同充填工藝參數（充填體28d強度、充填步距和充填率等參數）條件下，研究分析充填工藝參數的改變與膏體充填工作面下伏煤巖層破壞深度之間的關系，及工作面下伏煤巖體的圍巖變形、應力場和塑性區分布等規律，其結果將作為優化現場11607工作面現場采空區膏體充填工藝參數優化設計的關鍵參考依據。

關鍵詞：承壓含水層;底板破壞;數值模擬;方案設計

引言

要研究分析在工作面礦山壓力和底板含水層的水壓作用下，以及不同充填工藝參數條件下，膏體充填工作面下伏煤巖層的破壞深度、工作面下伏煤巖體的圍巖變形、應力場和塑性區分布等規律，特別是下伏隔水層的變形破壞和應力場變化規律，是一項復雜而亟待解決的現場工程問題。數值模擬能快捷而準確地分析工作面采用膏體充填技術后底板的破壞深度、工作面下伏煤巖體的圍巖變形、應力場和塑性區分布等規律，它是一種經濟成本低，模擬結果具有現實理論指導意義的現代工程研究手段。張文泉等為分析地質條件、覆巖含水層和離層水突涌之間的相互關聯，以陜西某礦首采區1307工作面為例，利用3DEC數值模擬工作面覆巖離層裂隙演化特征，根據數值模擬結果并結合現場實際條件，提出防治頂板離層突水的部分充填開采技術，再通過數值模擬對該充填技術方案進行優化設計。通過數值模擬表明頂板離層突水可劃分為5種模式，將頂板離層積水分為初始積水、積水至滿及裂隙擴展三個時期，在充填率保持不變的條件下，充填體對覆巖的支撐效果隨采寬和充填寬度的增加而增強，頂板隔水層兩端出現應力集中現象，分析得出部分充填最佳方案為采寬和充填寬度均為80m。張文泉等為了分析工作面不同進尺、斷層角度、上下盤落差時的開采情況，通過FLAC3D軟件進行模擬分析，獲得了斷層面在不同的各因素影響下的應力分布和位移情況，根據斷層面應力比敏感性指標判別斷層的滑移失穩，通過分析比較得出各因素對影響斷層活化的機制。宋文成等針對陽煤集團碾溝煤礦工作面開采過程中底板奧灰巖含水層存在突水危險的問題，為研究工作面底板奧灰巖含水層突水的可能性，通過FLAC3D數值模擬軟件，模擬分析了采動影響和承壓水壓力共同作用下下伏煤巖層的塑性破壞深度，模擬結果表明，受采動影響底板孔隙水發生遞進導升，孔隙水將從工作面端部斜下方涌入進而發生突水，據此提出對工作面注漿加固底板的措施。于帥等針對楊村煤礦試驗工作面底板存在突水危險的問題，選擇RFPA軟件模擬分析了16上煤層開采時下伏煤巖層底板節理和裂隙的擴展發育貫通演化的規律，在此模擬研究基礎之上，利用突水系數法合理評價工作面開采過程中底板的突水危險性，并將底板區劃分為較危險和危險兩個等級的區域。付世虎為分析預制底板在施工動載影響下的應力分布和變形特征，利用ABAQUS有限元分析軟件進行現場試驗模擬，通過數值模擬與現場試驗在動載條件下的應力分布和變形量，得出了跨中撓度的影響因素。李巍通過離散元UDCE模擬軟件，對開采保護層中低透氣性高瓦斯煤層的卸壓問題進行模擬分析，研究分析了上保護層開采對底板巖層造成的損傷，并分析了被保護層瓦斯運移與底板損傷之間的相互關聯。

目前在巖土工程學術科研中得到國內外研究學者的廣泛使用，數值模擬技術已經成為一種現代工程研究不可或缺的重要手段。巖土工程領域的數值模擬計算中各種模擬軟件種類繁多，主要包括確定性分析和非確定性分析兩大類，其中確定性分析又分為連續介質和非連續介質分析。連續介質數值模擬分析方法主要包括有限單元法（FEM）、有限差分法（FDM）、邊界單元法等;非連續介質分析方法主要包括離散元法（DEM）、顆粒離散元法、關鍵塊理論及不連續變形分析法（DDA）等。以離散元法為原理的數值模擬軟件且應用較廣泛的有UDEC、3DEC等，以顆粒離散元法為原理的數值模擬軟件且應用較廣泛的主要為PFC，以有限差分法為原理的數值模擬軟件且應用較廣泛的有FLAC2D、FLAC3D等，以通用有限單元法為原理的數值模擬軟件且應用較廣泛的有ABAQUS、ANSYS等。研究學者可以根據自己要研究分析的對象和研究目的，選擇相應的數值模擬軟件在工程實踐中進行輔助研究。

1數值模擬軟件概述

本文采用的連續介質快速拉格朗日差分法（Fast Lagrangian Analysis of Continua，簡寫為 FLAC）是近年來逐步成熟完善起來的一種新型數值分析方法，它是用顯式拉格朗日差分法來進行的數值模擬，由美國 Itasca 咨詢公司于 1986 年研制推出。程序建立在拉格朗日算法基礎上，是目前公認的世界上優秀的巖土力學數值計算軟件包之一。它能較好地模擬地質材料在達到強度極限或屈服極限時發生的破壞或塑性流動的力學行為，分析漸進破壞和失穩，特別適用于模擬大變形。FLAC 設有多種本構模型，另外，程序還設有界面單元，可以模擬斷層、節理和摩擦邊界的滑動、張開和閉合行為。支護結構如砌襯、錨桿、支架等與圍巖的相互作用也可以在 FLAC 中進行模擬。FLAC 采用顯式算法來獲得模型全部運動方程的時間步長解，從而可以追蹤材料的漸進破壞和垮落，這對研究開采的時間效應和空間效應是非常重要的。此外，程序允許輸入多種材料類型，亦可在計算過程中改變某個局部的材料參數，增強了程序使用的靈活性，用來提供采動區域的垮落過程和開采中的充填過程。FLAC 具有強大的后處理功能，用戶可以直接在屏幕上繪制或以文件形式創建和輸出打印多種形式的圖形。使用者還可根據需要，將若干個變量合并在同一幅圖形中進行研究分析。與其它數值軟件如 ANSYS、ADINA 相比，FLAC 的特點是計算分析巖土工程中的物理不穩定問題，因而適用于巖土工程中幾何和物理高度非線性問題的穩定性分析，如采場的采動影響規律、地下巷道的大變形問題及圍巖應力場問題、礦體滑坡、煤礦開采沉陷預測、水利樞紐巖體穩定性分析等。現在已經逐步發展到應用于地質力學問題的研究。在國外該軟件主要用于以下幾方面的研究，如工程地質、構造地質學、大陸動力學、成礦學;國內主要用于工程地質、構造地質學、大陸動力學等的研究。

三維數值模擬軟件 FLAC應用有限差分方法建立了單元應力應變和結點位移等計算方程，使其能夠在使用較小內存、保證較高精度和保持較快運算速度的條件下建立大規模的復雜數值模型。因此在包括采礦工程在內的大型巖土工程中獲得了較為廣泛的應用。它采用拉格朗日算法，考慮變形對結點坐標的影響，因此適合于建立大變形非線性模型，這也是其能在采礦工程中得到廣泛應用的一大優勢。其在采礦工程中更具有優勢的一個特點是它以運動方程為基本差分方程。這樣，它能夠模擬材料和結構逐漸穩定，進而發生塑性破壞，最后又逐漸穩定的動態過程，這基本接近了采礦工程中巖體受采動影響發生的破壞穩定情況。

2數值模擬模型構建及模擬方案設計

2.1沿煤層走向方向數值模擬構建

結合該煤礦現場11607工作面綜合柱狀圖和煤層下伏煤巖L10-2、L10-4、11607-2和15-2號四個地質鉆孔實際情況，為提高數值模擬結果的準確度和安全保障性，使模擬結果更貼切開采實際，本次數值模擬確定以11607工作面下部最脆弱的隔水層地點為數值模擬原型地點，11607-2號地質鉆孔顯示該處11607工作面下部十三灰隔水層厚度僅為24m左右，本次沿煤層走向方向數值模擬模型構建如下圖1所示，相關模擬參數設計如下：（1）設計模型高度為114.6m，長寬均為為200m，模擬16號煤層采高2 m，16號開采煤層與模型最上部邊界距離39.6 m，與模型下底部邊界距離75m，為了充分體現本次模擬11607工作面采空區采用膏體充填技術開采后，受采動影響煤層頂板形成的垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶，及底板形成的破壞帶、完整巖層帶、承壓水導高帶對煤層下部主要含水層的影響，所以設計模型中開采煤層與下部奧灰上界距離為53 m，與下部十三灰上界距離24 m，所設計的模型上下邊界范圍滿足模擬需求。（2）設計模型中11607膏體充填工作面傾斜長度為120 m，煤層埋深為541.6 m，在距離模型左端50m布置開切眼，自模型左端向右開采推進，假定在11607工作面中部選擇任意剖面都為應變平面模型。（3）設計模型左右兩邊界之間寬度為200 m，為降低模擬邊界的影響，在模型左端50m布置開切眼，自模型左端向右開采推進距離為100 m，工作面左右兩端各留設50m的邊界煤柱。

2.2沿煤層傾斜方向數值模擬構建

同理，結合該煤礦現場11607工作面實際情況，構建沿煤層傾斜方向的三維流固耦合數值模擬模型如下圖2所示，相關模擬參數設計如下：（1）設計模型高度為114.6m，長寬均為200m，模擬16號煤層采高2m，16號開采煤層與模型最上部邊界層間距39.6 m，與模型下底部邊界距離75m，為了充分體現本次模擬11607工作面采空區采用膏體充填技術開采后，為研究16號緩傾斜煤層11607工作面充填開采時，在采動和承壓水的共同作用下沿煤層傾斜方向工作面底板破壞帶深度、承壓水導升裂隙高度及預測底板突水位置，所以設計模型中開采煤層與下部奧灰上表面距離為53 m，與下部十三灰上界距離24 m，所設計的模型上下邊界范圍滿足模擬需求。（2）設計模型中11607膏體充填工作面傾斜長度為120 m，在距離模型前端50m布置開切眼，自模型前端向后端開采推進，假定在11607工作面中部選擇任意剖面都為應變平面模型。（3）設計模型前后、左右兩邊界之間寬度為200 m，為降低模擬邊界的影響，在距離模型前端50m布置開切眼，自模型前端向后端開采推進距離為100 m，工作面前后兩端各留設50m的邊界煤柱。

3結論

為了研究分析某煤礦11607工作面采空區采用膏體充填技術開采后，受采動影響煤層頂板形成的上三帶和下三帶的情況，及其對煤層下部主要含水層的影響，構建沿煤層走向和傾斜方向的數值計算模型，本次模擬主要針對11607膏體充填工作面在不同充填工藝參數（充填體28d強度、充填步距和充填率等參數）條件下，研究分析充填工藝參數的改變與膏體充填工作面下伏煤巖層破壞深度之間的關系，及工作面下伏煤巖體的圍巖變形、應力場和塑性區分布等規律，其結果將作為優化現場11607工作面現場采空區膏體充填工藝參數優化設計的關鍵參考依據。

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作者簡介：謝帥（2000.03）男，漢族，畢節市赫章縣人，在讀本科學生，主要從事采礦工程專業方面的學習和研究。

國家級大學生創新創業訓練計劃項目（項目編號：202110977017）。