基于FLAC3D煤層底板采動破壞規律的數值模擬

靳利軍，王欣欣*，張艷朋，王德勛

（1.山西大同大學煤炭工程學院，山西大同 037000；2.山西省地質勘查局二一七地質隊有限公司，山西大同 037000）

我國重大礦井災害[1]案例中，灰巖類巖溶水水害事故率為92.3%，降低灰巖型巖溶類突水水害事故率是礦井水害[2]工作的重點。華北型煤田[3]的基底多為奧灰陶紀碳酸鹽巖，巖溶普遍發育特征多為含水性強、水頭壓力大。在礦山開采的過程中，經常伴有奧灰承壓帶突水水害的威脅[4]。隨著礦區淺部煤層開采殆盡，礦井掘進深度逐步向下延伸，開采強度與技術要求不斷提高，奧灰承壓水害愈發頻繁，僅在華北地區面臨承壓水害[5]的礦井就有230 多個，導致三分之一的煤炭開采受到影響。帶壓開采[6]相關課題中往往重視對底板破壞深度以及范圍的分析，依據傳統理論公式分析底板破壞深度與工作面寬為線性關系，但是結合現場觀測結果表明破壞深度存在極限值，不會隨著工作面推進而不斷增大。因此，為了研究煤層底板擾動規律，以大同盆地塔山煤礦8號煤層為工程背景，運用三維有限差分計算機軟件（FLAC3D）[7]對不同工作面寬度建立數值模型，通過分析底板塑性破壞分布范圍，以期得出在該礦水文地質條件下煤層底板破壞分布規律，從而為避免承壓水害以及帶壓開采評價提供依據。

1 研究方法

1.1 理論計算方法

依據對河北邯鄲、峰峰、山東肥城等共計12個礦區以及22 個工作面現場觀測的結果分析得出：底板采動破壞層的破壞深度與工作面寬度相關度最高。參照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》[8]中相關公式計算塔山4#、2#、3-5#、8#煤層底板采動后破壞深度值。僅使用工作面斜長做參數，底板采動破壞帶深度h為：

h=0.7007+0.1079L

式中：L為壁式工作面斜長，m。

考慮采場深度、傾角以及工作面斜長時，則有：

h=0.0085H+0.1665α+0.1079L-4.3579

式中：H為煤層深度，m；α為煤層傾角，（°）。

可見，隨著開采活動進行，工作面寬度逐步拓寬，底板采動破壞深度也隨之增加。

1.2 數值模擬方法

FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua)是一款用于模擬土質、巖石等其他材料的混合力場發生下塑性流動及破壞的仿真計算軟件。采用連續介質理論分析和顯式有限差分方法分別進行理論分析，能夠較為精確地模擬地質材料在達到最大屈服應力及最大極限破壞強度后產生塑形流動或破壞。

2 礦井地質條件及建模

2.1 礦井地質條件

塔山井田分布于大同煤田盆地中東部，總體呈現丘陵地形，井田地勢分布呈現為西南方向高，向東北方向逐漸走低。礦區大部分地表被黃土泥巖覆蓋，部分溝谷、山脊地區伴有少部分基巖出露。現礦區主要開采煤層為8#煤層，煤層偽頂板巖層由泥巖、碳質泥巖構成，厚度0.05～0.73 m。直接頂板由粉砂巖、泥巖、砂質泥巖、高嶺巖以及高嶺質泥巖構成。其間，分布有少量粗粒砂巖，厚度1.91～ 11.37 m，巖層結構較復雜。老頂由粗粒砂巖和細粒砂巖為主要成份構成，厚7.38～ 29.5 m。8#煤層平均厚度約為45.49 m，屬于厚煤層，距奧灰頂約32.08～ 71.34 m，其主要巖性由砂巖、粉砂巖以及細粒砂巖構成，底部由山西式褐鐵礦與部分雜色鋁土質泥巖組成，其中粉砂巖、泥巖巖層厚度為14.77～ 55.43 m，占8#煤層底板厚度的46.04%～77.69%。本次模擬考慮到塔山煤礦8#煤層為最底部煤層，隔水層厚度最薄，距離奧灰含水層最近，8#煤層開采采動底板破壞深度最有可能波及底板奧灰含水層。因此，模擬以8號煤層工作面底板作為研究對象。

根據國內研究經驗，影響煤層底板采動破壞的主要因素為工作面寬、埋藏深度、底板巖性，而工作面埋藏深度和巖層性質是定值，所以此次模擬主要考慮模擬不同工作面寬度情況下，8#煤層開采底板破壞特征。由于8#煤層尚無工作面布置，參照其他煤層工作面斜長作為8#煤層的計算工作面斜長，分別取工作面寬度為150、180、210、240、270 m 情況下煤層底板巖性塑性破壞區作為分析對象。

2.2 模型建立及相關參數

依據礦井水文地質資料建立地質模型，初始化各單元參數，首先保證各節點、單元的初始化平衡，賦予各層材料屬性后，進行開挖計算。塔山煤礦8#煤層傾角小，工作面設計采用長臂布置。為了計算方便，對模型進行部分簡化，模型上部覆蓋巖層采用施加應力方法替代，模型長1 100 m、寬220 m（工作面斜長）、高576 m，8#煤層厚度6.3 m。通過分步開挖來模擬工作面受到采動的影響。每天開挖6 m，開挖后計算160 步，繼續開挖。根據礦區資料，此時已達到充分采動狀態，取已達到充分采動平衡狀態下的塑性區破壞深度作為模型底板采動破壞值。在數值模擬過程中，各地層巖石力學參數，見表1；沿x、沿y四個方向邊界施加位移限制（如圖1），使模型邊界水平方向不發生位移；沿z負半軸方向保持固定邊界；沿z正半軸方向維持自由邊界；頂部界面上施加應力以替代部分松散層自重載荷。

圖1 數值模型示意圖

表1 數值模型巖石力學參數

3 數值模擬及結果分析

3.1 應力分析

隨著工作面推進，上被覆蓋巖層發生塌落，模型整體的復合應力場被打破，應力重新平衡分布導致采場圍巖周圍的復合應力在工作面推進方向和兩側分別形成了不同的集散壓力帶。由于底板圍巖強度有限，造成底板發生新的破壞。通過分析每次開挖后得出應力分布圖，得出應力分布規律。通過模擬得到煤層工作面應力分布云圖，隨著煤炭開采生產活動進行，應力集中主要分布在工作面采空區兩側，垂直應力沿工作面推進方向呈現左右對稱分布，并且在采空區上部和下部形成應力拱（如圖2）。水平應力如圖3，沿工作面推進方向呈對稱狀態，向工作面兩端上下分別延伸。

圖2 垂直應力分布

圖3 水平應力分布

3.2 底板破壞特征分析

煤層底板走向破壞呈對稱分布，應力集中分布在工作面兩端，通過煤體傳達至煤層底板，巷道頂底板和兩側圍巖受到擠壓產生變形，并向巷道內部及下部方向發生破壞，對開采活動構成威脅。

隨著工作面不斷推進，煤層底板在剪應力與張應力等多種混合應力疊加作用下發生破壞，當煤層工作面推進至150 m 時，底板兩側破壞開始下延（如圖4）。當工作面開采活動推進至180 m時，煤層底板破壞深度保持穩定，不再隨著工作面寬度增加而變化，此時，煤層底板達到最大破壞深度25 m，最終趨于穩定（如圖5）。當工作面推進至210 m 以后，由于工作面采寬的增加，上覆巖層在大面積混合應力作用下破壞程度增加，部分區域發生離層、跨落，對采空區的破壞作用更加強烈，破壞范圍隨著工作面推進而繼續擴大（如圖6）。

圖4 工作面推進150 m破壞分布

圖5 工作面推進180 m破壞分布

圖6 工作面推進210 m破壞分布

當工作面寬度推進至240 m 時，雖然采寬明顯增加，但是破壞深度基本穩定在25 m，并未隨著工作面推進繼續增加（如圖7）。當工作面寬度推進至270 m時，破壞深度基本保持穩定，破壞范圍繼續增大（如圖8）。

圖7 工作面推進240 m破壞分布

圖8 工作面推進270 m破壞分布

4 結論

（1）隨著開采活動進行，應力主要集中在工作面兩端，煤層工作面頂部以及底部均有應力拱產生。

（2）FLAC3D數值模擬的結果表明，煤層開采工作面存在一個極限寬度。當工作面寬度小于該極限寬度時，符合理論公式的預測，此時，工作面寬度和底板破壞深度保持線性關系。當工作面開采寬度超出臨界寬度時，煤層底板開采破壞深度基本穩定，破壞范圍持續增大。

（3）在塔山煤礦礦井水文地質條件下，工作面極限寬度為210 m，底板采動破壞最大深度保持在25 m，與現場觀測結果基本一致。