楊柳煤礦10煤層底板的采動破壞特征

楊志，王來斌，楊曉彤

(安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽淮南232001)

煤層開挖會導(dǎo)致圍巖原始應(yīng)力重新分布，產(chǎn)生應(yīng)力集中。當(dāng)應(yīng)力超過圍巖所能承受的極限時(shí)，會發(fā)生位移、開裂、斷裂直至破碎。因此，采空區(qū)底板在一定深度范圍內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力異常，形成底板采動破壞帶。具體表現(xiàn)為底板原有裂隙的擴(kuò)張和連通以及新裂隙的發(fā)育，從而增大底板巖體的滲透性，減小抵抗應(yīng)力場與水壓力場的強(qiáng)度，降低其隔水能力［1－4］。由于華北地區(qū)10煤層底板保護(hù)層完整性較差，10煤層下伏的太原組灰?guī)r與巨厚的奧陶系灰?guī)r含水層水壓高、水量大，煤層受到底板太原組灰?guī)r水與奧陶系灰?guī)r水的威脅更加嚴(yán)重［5－6］，所以極容易誘發(fā)突水事故。

楊柳煤礦為典型華北型煤田，其下組煤(10煤)受底板灰?guī)r水的威脅，嚴(yán)重制約了煤炭的安全高效生產(chǎn)。依據(jù)楊柳煤礦10煤層底板實(shí)際情況，筆者采用塑性理論，計(jì)算10煤層底板巖體的最大擾動破壞深度，利用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬分析，以獲取底板采動礦壓分布特征及破壞范圍，得出煤層底板采動破壞最大深度。

1 楊柳煤礦地質(zhì)特征

楊柳煤礦地處童亭背斜東翼的北端，為童亭背斜轉(zhuǎn)折端。地層在淺部以南北走向?yàn)橹?，是向東傾斜的單斜構(gòu)造，傾角為15°～20°。深部次一級褶皺發(fā)育并且受到斷層切割的影響，地層總體向東傾，傾角變化比較大，平均在5°～25°。區(qū)內(nèi)斷層較為發(fā)育，據(jù)統(tǒng)計(jì)，落差大于5 m的斷層總計(jì)165條，斷層走向多為北東向。

10煤底板即10煤層底到太原組第一層灰?guī)r(簡稱一灰)頂這段巖層。根據(jù)楊柳礦現(xiàn)有的鉆孔資料，10煤底板至一灰頂?shù)拈g距33.90～69.68 m，平均59.16 m。該隔水層段巖層主要由粉砂巖、泥巖組成，其中夾雜著層厚較薄的細(xì)砂巖和砂巖，有的地段含有砂泥巖互層。根據(jù)底板巖石樣品的抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果，抗拉強(qiáng)度最大值15.8 MPa，最小值5.9 MPa，平均8.9 MPa。

2 10煤層底板破壞深度計(jì)算

根據(jù)彈塑性理論［7－8］，工作面底板下一定范圍內(nèi)的巖體，當(dāng)支承壓力達(dá)到導(dǎo)致部分巖體完全破壞的最大載荷時(shí)，支承壓力作用區(qū)域周圍的巖體塑性區(qū)將連成一片，致使采空區(qū)內(nèi)底板向上隆起，已發(fā)生塑性變形的巖體會向采空區(qū)內(nèi)部移動，此時(shí)底板巖體所受的采動破壞最大。

根據(jù)全國各煤礦實(shí)測結(jié)果，底板破壞深度一般為6～20 m，最大達(dá)38 m［9］。楊柳煤礦10煤層平均埋深H=496 m，平均采高M(jìn)=3.1 m，煤層上覆巖層平均容重γ1=26.49 kN/m3，煤的內(nèi)摩擦角φ1=33.8°，煤層底板巖層以泥巖、細(xì)砂巖為主，綜合考慮取內(nèi)摩擦角φ0=41°。

根據(jù)彈塑性理論，將上述參數(shù)帶入式(1):

式中:K1、F——煤層相關(guān)計(jì)算參數(shù)。煤層屈服區(qū)長度La:

底板巖層最大破壞深度Hm:

煤層底板巖體最大破壞深度到工作面端部的水平距離L2為

采空區(qū)內(nèi)底板破壞區(qū)沿水平方向的最大長度L1為

依據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，繪制楊柳礦10煤層底板破壞帶分布形態(tài)，如圖1所示。

3 模型建立與參數(shù)確定

3.1 計(jì)算模型

以楊柳煤礦的實(shí)際地質(zhì)資料為基礎(chǔ)，借助FLAC3D［10］分析軟件，模擬楊柳煤礦10煤層底板采動應(yīng)力場及破壞特征，建立沿傾斜煤層工作面傾向長壁開采三維數(shù)值計(jì)算地質(zhì)模型，如圖2所示。數(shù)值計(jì)算模型傾斜長度(x)250 m，走向長度(y)250 m，垂直高度(z)147 m。模擬工作面埋深496 m，煤層厚度2.5 m，平均傾角15°。整個(gè)模型為長方體，共劃分320 000個(gè)網(wǎng)格、332 469個(gè)節(jié)點(diǎn)，模擬過程中，設(shè)置模型的邊界條件為底部全固定、周邊的水平方向固定、頂部不受約束，模型深度范圍以上的上部巖層及松散層作為外部載荷施加于模型的上邊界。為消除左右邊界效應(yīng)，將采空區(qū)置于模型中間，同時(shí)兩側(cè)留取足夠?qū)挾鹊膸r柱(走向和傾向兩端各留50 m)。楊柳煤礦10煤層埋深在500 m以下，考慮承受底板水壓力5.5 MPa。

圖2 地質(zhì)模型Fig.2 Geological model

3.2 巖體力學(xué)參數(shù)

模型計(jì)算參數(shù)的選擇直接影響模擬結(jié)果的可靠性。以實(shí)驗(yàn)測試的巖石物理力學(xué)指標(biāo)為基礎(chǔ)，結(jié)合Mohr－Columb屈服準(zhǔn)則，確定合理、有效的巖體物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

表1 模型的力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of model

4 結(jié)果分析

模型上頂面原巖初始應(yīng)力為9.1 MPa，下底面原巖初始應(yīng)力為13.4 MPa，10煤層底板原巖應(yīng)力為10.5 MPa，承受靜水壓力5.5 MPa。

4.1 采動應(yīng)力重分布特征

4.1.1 走向垂直應(yīng)力分布

煤層開采是破壞底板應(yīng)力原始平衡狀態(tài)的主要原因，具體體現(xiàn)為煤壁前方底板垂直應(yīng)力的升高和煤壁后方采空區(qū)底板應(yīng)力的降低。煤層回采過程中圍巖位移的變化是隨著采空區(qū)范圍的變大而呈現(xiàn)完整的“拱形”形態(tài)，且最大影響帶高度也在發(fā)生變化［11］。圖3顯示了不同步距時(shí)走向垂直應(yīng)力的變化。

圖3 不同步距時(shí)走向垂直應(yīng)力變化云圖Fig.3 Nephograms of vertical stress to direction of strike with different steps

由圖3可見，工作面上方拉應(yīng)力呈現(xiàn)由小變大再變小的特征，當(dāng)工作面推進(jìn)至60 m以后，應(yīng)力值及特征形態(tài)基本上保持不變，體現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。由此說明，在隨后的開挖中煤層底板的破壞深度基本保持不變，在工作面推進(jìn)到100 m時(shí)，應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到極限穩(wěn)定狀態(tài)。工作面推進(jìn)到100 m時(shí)，煤層底板下方1、5、10、13、20、50 m處應(yīng)力值為－5.59、－7.13、－8.56、－8.67、－8.65、－8.66 MPa(壓應(yīng)力為負(fù)，拉應(yīng)力為正，下同)。由上述數(shù)據(jù)可知，距離底板越近，應(yīng)力越集中，到底板下方13 m后，底板應(yīng)力變化趨于平緩。

4.1.2 傾向垂直應(yīng)力分布

工作面推進(jìn)不同步距時(shí)，傾向重直應(yīng)力變化見圖4。分析圖4可知，由于煤層具有15°的傾角，所以煤層的上下兩端受力是不同的。隨著工作面往前推進(jìn)，垂直應(yīng)力主要集中在煤層的上下兩個(gè)端口附近，并且下端口集中的應(yīng)力要比上端口大。主要表現(xiàn)為:

一是，在老頂初次周期來壓期間(20 m)，底板基本形成“拱形”卸壓區(qū)。工作面推進(jìn)步距至40 m時(shí)，卸壓區(qū)拱形趨于明顯，與頂板卸壓區(qū)呈明顯的對稱分布。

其二，煤層底板傾向垂直應(yīng)力處于不斷降低的狀態(tài)，在采空區(qū)上端和下端兩處形成應(yīng)力集中，當(dāng)工作面不斷推進(jìn)步距至100 m時(shí)，傾向垂直應(yīng)力最大值－28.7 MPa。工作面推進(jìn)20、40、60、80、100 m時(shí)，傾向垂直應(yīng)力的最大值分別為－23.8、－27.3、－28.2、－28.6、－28.7 MPa。

三是，隨著模型開挖步距的不斷增加，傾向垂直應(yīng)力的最大值不斷增加，煤壁上、下兩端處的支承壓力影響范圍逐漸減小。當(dāng)工作面推進(jìn)步距至100 m時(shí)，最大應(yīng)力值略有下降，應(yīng)力集中區(qū)域范圍逐漸趨于穩(wěn)定。

4.2 底板采動破壞演化特征

4.2.1 走向破壞規(guī)律

工作面推進(jìn)20 m，采空區(qū)底板巖層因底臌產(chǎn)生變形破壞，底板破壞深度約在5.3 m，以剪切破壞為主。工作面向前推進(jìn)40 m，工作面前方和開切眼下部，支撐壓力對底板巖層的作用加劇，對底板破壞深度加大，底板破壞深度擴(kuò)展至7.7 m處，底板靠近工作面中心位置發(fā)生剪切以及拉伸破壞，周圍發(fā)生剪切破壞。工作面繼續(xù)向前推過60 m以后，走向方向破壞區(qū)域繼續(xù)發(fā)展，采空區(qū)底板因頂板冒落的巖石逐漸被壓實(shí)，使得工作面前方支撐壓力并沒有較大的增長，底板巖層的破壞深度趨于穩(wěn)定，其破壞深度值穩(wěn)定在12.3 m左右。推進(jìn)不同步距時(shí)，底板巖體塑性區(qū)域分布及工作面走向破壞深度如圖5所示。

圖4 不同步距時(shí)傾向垂直應(yīng)力變化云圖Fig.4 Nephograms of vertical stress to direction of dip with different steps

圖5 不同步距底板巖體走向塑性破壞區(qū)分布Fig.5 Plastic failure region coal mine’s floor todirection of strike with different steps

圖6 不同步距底板巖體傾向塑性破壞區(qū)分布Fig.6 Plastic failure region of coal mine’s floor to direction of dip with different steps

當(dāng)采空區(qū)范圍較小時(shí)，底板是以剪切形式破壞，當(dāng)采空區(qū)范圍較大時(shí)，會同時(shí)存在剪切破壞和拉張破壞兩種形式，而工作面中心區(qū)域?yàn)榧羟屑袄瓘埰茐模車鸀榧羟衅茐男问健?/p>

4.2.2 傾向破壞規(guī)律

工作面底板巖體傾向塑性破壞區(qū)分布見圖6。由圖6可知，工作面的側(cè)向支撐壓力可分解為沿著底板巖層方向斜向下的剪切力和垂直于底板巖層的正壓力，致使煤層底板的破壞深度的位置主要分布在工作面的下端附近，最大塑性破壞深度出現(xiàn)在工作面中下部。當(dāng)工作面推進(jìn)步距20 m時(shí)，底板破壞深度5.3 m左右，隨著工作面不斷向前推進(jìn)，底板塑性破壞范圍不斷擴(kuò)大，當(dāng)推進(jìn)到40 m時(shí)，頂板經(jīng)歷初次周期來壓，底板塑性破壞深度增加到7.7 m，當(dāng)工作面步距推進(jìn)60 m后，底板的破壞深度基本趨于穩(wěn)定，采空區(qū)底板因頂板冒落的巖石逐漸被壓實(shí)，使得工作面前方支撐壓力并沒有明顯增長，煤層底板巖體的破壞深度逐漸趨于平穩(wěn)，其最大破壞深度值穩(wěn)定在13.6 m左右。

5 結(jié)論

(1)結(jié)合楊柳煤礦實(shí)際地質(zhì)情況，通過理論分析計(jì)算，得出10煤層底板在采動情況下最大破壞深度約為13.1 m。

(2)數(shù)值模擬結(jié)果表明，隨著工作面不斷向前推進(jìn)，煤層下部一定區(qū)域范圍內(nèi)的底板巖體應(yīng)力及破壞深度也隨之增大，且底板采動破壞程度隨底板深度增加而趨于穩(wěn)定。10煤層底板最大破壞深度穩(wěn)定在12.3～13.6 m之間。

(3)對結(jié)果進(jìn)行分析比較，兩種方法所得結(jié)果接近，驗(yàn)證了數(shù)值模擬模型建立的合理性。處于安全角度考慮，楊柳煤礦10煤層底板在采動情況下煤層底板最大破壞深度約為13.6 m。

(4)根據(jù)楊柳煤礦地質(zhì)資料可知，10煤層底板厚度33.90～69.68 m，平均值為59.16 m。文中分析得出底板最大破壞深度13.6 m，因此，受底板灰?guī)r水影響的可能性較小。

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