陳偉　王來(lái)斌

摘 要：根據(jù)袁店一礦102采區(qū)的鉆孔資料，采用理論計(jì)算與FLAC3D數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，來(lái)分析袁店一礦煤層開(kāi)采過(guò)程中底板應(yīng)力及破壞特征。結(jié)果表明：在10煤開(kāi)挖后，10煤層底板到泥巖4下9m破壞仍然較嚴(yán)重，泥巖4基本不具有阻水能力。10煤底板破壞深度理論計(jì)算值與數(shù)值模擬得出的結(jié)果基本相符。研究結(jié)果可以為該區(qū)的生產(chǎn)和底板水防治提供指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：應(yīng)力場(chǎng)；數(shù)值模擬；理論計(jì)算；底板突水

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.21.101

0 引言

由于持續(xù)大規(guī)模開(kāi)采煤炭資源，隨著開(kāi)采深度的增加，在煤層底板必然受到更加嚴(yán)重的奧陶系灰?guī)r水與太原組灰?guī)r水的威脅，底板隔水層性質(zhì)以及底板下水壓值是底板水害發(fā)生控制的關(guān)鍵因素。目前，煤層底板突水預(yù)測(cè)方法一般采用模糊數(shù)學(xué)法[1-3]、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及突變理論[4-5]、FLAC3D數(shù)值模擬[6-8]等方法。使用FLAC3D數(shù)值模擬方法可以在可以較準(zhǔn)確的反映出煤層底板開(kāi)挖后巖土體整體的流動(dòng)以及塑性變化情況，在評(píng)價(jià)煤層底板開(kāi)挖后底板應(yīng)力變化情況以及底板塑性破壞范圍的問(wèn)題上具有很大的優(yōu)越性。

1 工程實(shí)例

1.1 采區(qū)地質(zhì)概況

袁店一礦102采區(qū)位于工業(yè)廣場(chǎng)西南側(cè)，其西邊界是F4斷層，同時(shí)與106采區(qū)相鄰；東以F2斷層為界，與101采區(qū)相鄰；在山西組的中部，距離太原組一灰頂界面36.1～50.5m 是10煤層。102采區(qū)為一走向北北西，傾向北東的單斜構(gòu)造，地層傾角較平緩，一般為9°～13°。1灰到4灰含水層是10煤層開(kāi)挖需考慮含水層，單位涌水量的范圍是0.00687～0.1475 L/s.m，按照規(guī)程，其富水性是弱富水性～中等富性。滲透系數(shù)在0.03767到0.5913 m/d之間，該含水層屬弱透水含水層。說(shuō)明102采區(qū)太原組上部灰?guī)r現(xiàn)有的巖溶裂隙不發(fā)育，連通性差。

1.2 底板破壞理論計(jì)算

（1）煤層屈服區(qū)長(zhǎng)度的計(jì)算。根據(jù)袁店一礦102采區(qū)煤層、巖石力學(xué)測(cè)試資料，可知：袁店一礦102采區(qū)10煤層平均埋深H=598m，平均采高M(jìn)=3.1m，通過(guò)對(duì)主采煤層頂?shù)装鍘r石力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果的分析，同時(shí)考慮到巖體的尺寸效應(yīng)，覆蓋于煤層上部的巖層的平均容重γ=27kN/m3，煤的內(nèi)摩擦角的加權(quán)平均值φ1=42°，煤層底板巖層以粉砂巖、細(xì)砂巖為主，以巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)為主結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)綜合考慮底板巖層內(nèi)摩擦角φ=37°?？梢郧蟪銎茐纳疃扔?jì)算需要的彈塑性力學(xué)參數(shù)K1、F。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量或者計(jì)算得到煤層屈服區(qū)長(zhǎng)度La。煤層屈服區(qū)長(zhǎng)度La根據(jù)A.H.威爾遜提出的計(jì)算公式：

（2）底板最大破壞深度的塑性解。極限支承壓力條件下破壞區(qū)的最大深度計(jì)算公式可以由塑性滑移時(shí)巖土層極限承載力的綜合計(jì)算公式（A.S.魏西克）算得煤層底板巖體最大破壞深度Hm：

1.3 底板破壞數(shù)值模擬分析

（1）模型建立。根據(jù)煤層開(kāi)采具體情況建立三維坐標(biāo)模型，坐標(biāo)原點(diǎn)為傾斜煤層下山煤層底板基點(diǎn)，XoY平面位于底板地面，煤層的走向?yàn)閄軸方向，Y軸正方向?yàn)閮A斜水平投影方向，垂直向上為Z軸正方向建立三維地質(zhì)坐標(biāo)系統(tǒng)。按巖性以及巖層完整性，根據(jù)鉆孔資料，以及結(jié)合工作面的具體開(kāi)采情況，將研究區(qū)內(nèi)巖層被劃分為泥巖、灰?guī)r、粗砂巖、沙質(zhì)泥巖、10煤等19個(gè)工程地質(zhì)巖組。工程地質(zhì)模型及邊界條件見(jiàn)圖1。模型范圍主要是沿X軸正向250m（包含測(cè)試孔在內(nèi)），沿Y軸正向200m，沿Z軸正向175m的地塊，整個(gè)三維模型共劃分28350個(gè)單元，31304個(gè)節(jié)點(diǎn)。煤層傾角10°，采厚4m。在滿(mǎn)足模型實(shí)際條件要求下，設(shè)定模型的前后以及左右兩側(cè)面都是實(shí)體巖體，同時(shí)也可以簡(jiǎn)化為位移邊界條件，設(shè)定在Y方向?yàn)殚_(kāi)挖后變形運(yùn)動(dòng)方向，而X方向是固定鉸支座滿(mǎn)足剛性要求；下部底面邊界簡(jiǎn)化為位移邊界條件，X軸方向?yàn)楣潭ㄣq支座視為無(wú)位移變化行為，同樣設(shè)定Y軸為開(kāi)挖后變形方向；上部邊界條件是按照施加在巖層上面的等效荷載施加，約為5.8MPa。

（2）巖體力學(xué)參數(shù)。模擬結(jié)果的可靠性直接受到模型計(jì)算參數(shù)的選擇的影響。以實(shí)驗(yàn)測(cè)試的巖石物理力學(xué)指標(biāo)為基礎(chǔ)，結(jié)合Mohr-Columb 屈服準(zhǔn)則，以及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定合理、有效的巖體物理力學(xué)參數(shù)。

（3）數(shù)值模擬結(jié)果分析。由圖2可以看出，兩個(gè)應(yīng)力增高區(qū)出現(xiàn)在工作面煤壁后方及開(kāi)切眼處，在推進(jìn)步距100m時(shí)，距開(kāi)切眼前方約6m以及停采線后方約 6m處出現(xiàn)最大值，且最大垂直應(yīng)力值分別約為 21.5MPa和 23.8MPa。

在煤層開(kāi)采的過(guò)程中，在底板巖層內(nèi)部一定區(qū)域內(nèi)，原始應(yīng)力平衡狀態(tài)打破，應(yīng)力重新進(jìn)行分布直到達(dá)到平衡狀態(tài)，在采空區(qū)附近與煤壁區(qū)域內(nèi)，底板巖層在開(kāi)采過(guò)程中由于臨空面形成而產(chǎn)生卸荷回彈，一定區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力高度集中且在開(kāi)挖的初始階段變化極為強(qiáng)烈，尤其在靠近煤壁的地方，應(yīng)力急劇變化，初始階段就有可能產(chǎn)生破壞區(qū)域，產(chǎn)生連續(xù)破壞帶，底板已經(jīng)形成的破壞帶會(huì)由于礦山壓力與下伏灰?guī)r中承壓水的共同作用可能會(huì)進(jìn)一步破壞，從而可能使10煤與下伏灰?guī)r導(dǎo)通，增加其水力聯(lián)系，使突水的危險(xiǎn)性加大。

由圖3所顯示，開(kāi)挖過(guò)程中在停采線處和開(kāi)切眼處是應(yīng)力高度集中且極有可能產(chǎn)生脆性破壞的區(qū)域，所以停采線及開(kāi)切眼處最小垂直應(yīng)力值是評(píng)估地層阻水能力的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。在10煤層底板下9m處即泥巖4層面，最小的垂直應(yīng)力值約為2.2MPa，基本不具有阻水的能力了，在10煤層下15m中即砂巖層面，最小的垂直應(yīng)力值約為5.2MPa，阻水能力提升。在1灰頂面，最小的垂直應(yīng)力值約為12MPa。1灰是主要含水層，通過(guò)將煤層下不同層位垂直應(yīng)力值與含水層水壓值進(jìn)行比較可以為礦井水害防治提供指導(dǎo)意見(jiàn)。

（4）底板采動(dòng)破壞演化特征。圖4是可以看出，在工作面的推進(jìn)過(guò)程中巖層產(chǎn)生了不可逆形變，采空區(qū)兩端的支撐煤壁處的塑性區(qū)逐漸變?yōu)榧羟星?，屈服極限值為能承受水壓力最小值，在煤層底板中部的采空區(qū)，由于底板破壞深度在礦山壓力的作用下不斷加大，會(huì)出現(xiàn)了局部拉張屈服變形。工作面下方也會(huì)受到礦山壓力影響，隨著礦山壓力的不斷增大，底板發(fā)生底鼓的范圍也會(huì)隨著不斷擴(kuò)大。在步距100m的時(shí)候，塑性區(qū)破壞深度約為14m左右，此時(shí)達(dá)到最大值，這與與理論計(jì)算結(jié)果基本相符。

通過(guò)分析工作面煤層底板巖性組合特征以及塑性區(qū)的分布律可以看出，剪應(yīng)力高度集中的部位主要位于停采線的斜上方和斜下方和開(kāi)切眼處及其附近，在這些部位會(huì)產(chǎn)生剪切屈服區(qū)。在煤層附近，由于煤層本身礦物成分較差的物理力學(xué)性質(zhì)，即使不是最大的剪應(yīng)力區(qū)，在工作面前后，仍然出現(xiàn)了一定范圍的剪切屈服區(qū)。因?yàn)樗苄云茐膮^(qū)的發(fā)展變化，會(huì)導(dǎo)致底板的力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生重要變化，在下伏灰?guī)r承壓水威脅10煤開(kāi)采的情況下，塑性區(qū)會(huì)隨著工作面推進(jìn)的過(guò)程進(jìn)一步擴(kuò)大發(fā)展下去，底板隔水層中的導(dǎo)水裂隙會(huì)隨著形成的拉張屈服帶和剪切裂隙帶的發(fā)展而逐漸連通，底板隔水層的隔水作用自然會(huì)被降低，底板的破壞范圍也逐漸擴(kuò)大，導(dǎo)致底板的突水事故的概率從而大大增大。因此，準(zhǔn)確地分析計(jì)算礦壓以及底板的破壞深度，對(duì)于防治底板突水提出切實(shí)有用的建議是至關(guān)重要的。

3 結(jié)論

（1） 根據(jù)所建立的完整底板巖層組合的工程地質(zhì)模型，通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)煤層底板應(yīng)力變化及塑性區(qū)發(fā)展研究得出，在10煤底板下9m內(nèi)破壞仍然較嚴(yán)重，泥巖4基本發(fā)生塑性破壞，阻水能力很差。但隨深度增加，阻水能力逐漸增強(qiáng)。（2） 通過(guò)理論分析并結(jié)合袁店一礦實(shí)際情況可以得出： 10煤層底板在采動(dòng)情況下最大破壞深度約為 13.6m。數(shù)值模擬結(jié)果表明，采動(dòng)情況下10 煤層底板最大破壞深度約為14m。理論研究計(jì)算與數(shù)值模擬結(jié)果的結(jié)合，對(duì)該礦區(qū)的生產(chǎn)和底板水防治具有重要指導(dǎo)意義。

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作者簡(jiǎn)介：陳偉（1991-），湖北咸寧人，在讀研究生，專(zhuān)業(yè)方向?yàn)榈V井水文地質(zhì)與工程地質(zhì)。