錢營孜煤礦首采區(qū)32煤采動頂?shù)装遄冃纹茐臄?shù)值模擬研究

胡園園

（安徽省煤田地質(zhì)局第三勘探隊，安徽宿州234000）

錢營孜煤礦首采區(qū)32煤采動頂?shù)装遄冃纹茐臄?shù)值模擬研究

胡園園*

（安徽省煤田地質(zhì)局第三勘探隊，安徽宿州234000）

基于首采區(qū)的地質(zhì)條件和模型的的設(shè)計原則，建立計算模型，對煤層采動頂?shù)装宓淖冃云茐倪M(jìn)行模擬，并對煤層采動后的頂?shù)装鍘r層應(yīng)力場進(jìn)行分析，確定破壞帶的厚度，根據(jù)規(guī)范計算出導(dǎo)水裂隙帶和冒落高度帶的厚度，并和相鄰礦井32煤層實(shí)測值進(jìn)行比較，最終確定頂?shù)装宓钠茐母叨?。它可為深入系統(tǒng)地研究首采區(qū)32煤層開采時破壞機(jī)理和突水條件提供依據(jù)。

錢營孜煤礦；導(dǎo)水裂隙帶；冒落帶

1　采區(qū)概況

1.1采區(qū)地質(zhì)概況

錢營孜煤礦是安徽恒源煤電股份有限公司新建的礦井，其設(shè)計生產(chǎn)能力為180×104t/a。位于宿州市西南，中心位置距宿州市約15km。井田范圍：東起雙堆斷層，西至南坪斷層，南以27勘探線和F22斷層為界，北至32煤層-1200m等高線地面投影線，面積為74.15km2。首采區(qū)位于錢營孜煤礦中南部，總體上為一走向近南北，傾向東的單斜構(gòu)造，地層傾角一般為10°～15°。

1.2采區(qū)水文地質(zhì)概況

在留設(shè)防水煤柱條件下開采32煤層時，新生界第四含水層（組）為間接充水含水層，是開采淺部煤層時的主要補(bǔ)給水源，采區(qū)直接充水水源為二疊系32煤層頂?shù)装迳皫r裂隙水。正常情況下太原組1～4層灰?guī)r巖溶裂隙含水層（段）對開采32煤層無直接充水影響。采區(qū)內(nèi)多數(shù)斷層富水性弱，導(dǎo)水性差，但井巷工程施工穿過斷層時，斷層裂隙帶水就會進(jìn)入礦井，從而破壞地下水原來的平衡狀態(tài)，使斷層的導(dǎo)水性增大，若使主采煤層與富水層直接接觸、溝通，就有可能產(chǎn)生突水。

2　32煤采動頂?shù)装遄冃纹茐臄?shù)值模擬研究

2.1模型的建立

2.1.1模型的建立和范圍

根據(jù)設(shè)計模型的原則和首采區(qū)的地質(zhì)條件建立如下三維數(shù)值模型：開采方向沿煤層走向開采，計算模型的走向長x為300m，傾向?qū)抷為200m，煤層厚度取3m，32煤層深度取采區(qū)-650m水平，角度為15°，模型高為253m。為消除左右邊界的邊界效應(yīng)，將采空區(qū)放置在模型的中間，同時采空區(qū)兩側(cè)留取足夠?qū)挾鹊膸r柱。如圖1所示。

圖1　數(shù)值模擬地下采煤三維模型示意圖

2.1.2模型的屈服準(zhǔn)則和物理參數(shù)的獲取

從模型的應(yīng)用來看，它既要符合材料特點(diǎn)，而且比較容易獲得巖石的力學(xué)參數(shù)，簡單實(shí)用。因此在本次對32煤開采底板破壞的模擬計算中采用摩爾—庫爾準(zhǔn)則，并且均不考慮塑性流動（不考慮剪脹），即：

式中：σmax、σmin——最大和最小主應(yīng)力；

C、φ——材料的粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角；

σt（σtmax=）——抗拉強(qiáng)度；

模擬煤巖層物理力學(xué)參數(shù)的獲取，是來自對首采區(qū)南北部井下34#和24#室內(nèi)試驗所獲得的巖石物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)（見表1）。

表1　模擬煤巖層物理力學(xué)參數(shù)表

2.1.3區(qū)域網(wǎng)格劃分及初始條件

本次模擬模型的下部為傾斜巖層，上部為水平的第三系部分下組巖土層，其余按均布載荷處理，整個三維計算模型共劃分若干個單元和節(jié)點(diǎn)。

由于上覆巖層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，模型周圍的地應(yīng)力場也很復(fù)雜。因此，在模擬時假設(shè)地層內(nèi)各點(diǎn)垂直應(yīng)力等于上履巖層的靜壓力，以此來描述原始應(yīng)力場的描述。

模型的邊界條件如下：

（1）應(yīng)力邊界：模型上部按至地表巖體的自重施加垂直方向的載荷，前后左右施加考慮應(yīng)力梯度的水平等效地應(yīng)力。

（2）位移邊界：模型前后左右采用x、y方向固定；模型z方向上底部采用全約束邊界條件，模型頂部采用自由邊界條件。

2.1.4數(shù)值計算

本模型施加漸變內(nèi)部應(yīng)力，側(cè)壓系數(shù)設(shè)為0.338。模型頂部載荷為12.59MPa，底部底部為18.80MPa，垂向漸變系數(shù)為2.490。采用給定的工作面寬度按每20m步距進(jìn)行分布開挖，計算循環(huán)至巖層穩(wěn)定，每步均運(yùn)算3000時步進(jìn)行平衡，基本能接近穩(wěn)定。

2.2模擬的結(jié)果及分析

在模擬區(qū)域推進(jìn)的過程中對于頂板沒有進(jìn)行特別的支護(hù)，而是按照現(xiàn)場實(shí)際情況任其自行垮落，故在推進(jìn)過程中頂板位置不可避免的也會產(chǎn)生應(yīng)力集中，這對模擬的過程不產(chǎn)生影響。

2.2.1應(yīng)力變化特征

（1）隨著模擬與推進(jìn)不同長度時，模擬區(qū)域中部沿走向和傾向巖層破壞區(qū)逐漸增大，垂直應(yīng)力也發(fā)生重新分布，并且應(yīng)力變化的范圍也逐漸增大。

隨著工作面的推進(jìn)，煤層的不斷向前開挖，采空區(qū)頂?shù)装鍍蓚?cè)的應(yīng)力增高區(qū)范圍和數(shù)值都在不斷增大，但底板增大趨勢不如頂板明顯；采空區(qū)底板中部的應(yīng)力下降范圍也在不斷發(fā)展，甚至逐步出現(xiàn)了拉應(yīng)力，并且其拉應(yīng)力范圍在不斷擴(kuò)大。

（2）根據(jù)推進(jìn)不同長度煤層采動應(yīng)力變化特征分析。隨模擬區(qū)域推進(jìn)，區(qū)域兩端煤柱應(yīng)力逐漸增大，而底板應(yīng)力減小，且卸載范圍逐漸增大。同時底板應(yīng)力調(diào)整程度與深度有關(guān)，隨深度增加，底板應(yīng)力降低幅度逐漸減小。隨不同長度推進(jìn)，煤巖層卸荷回彈量逐漸增大，影響深度也逐漸增加。

（3）當(dāng)模擬區(qū)域向前推進(jìn)至80m時，在推進(jìn)前方和開切眼下部，底板巖層破壞深度最大，最大破壞深度為10m，與老頂初次來壓期間相同；而在開采后形成的采空區(qū)下部巖層破壞深度相對較小，底板巖層基本上為拉剪混合破壞，頂板破壞深度約為12m；當(dāng)工作面向前推進(jìn)至100m時，底板巖層的最大破壞深度為12.5m。頂板的最大破壞高度為22m；當(dāng)工作面向前推進(jìn)100～150m，即開挖結(jié)束時，頂?shù)装鍘r層繼續(xù)破壞。當(dāng)工作面推進(jìn)到130m以后，底板巖層的最大破壞深度基本保持在15m，只是破壞的范圍在增大，頂板的巖層破壞高度基本穩(wěn)定在45.0m，只是破壞的范圍在增大。

究其原因，應(yīng)該是由于有較大范圍的頂板巖層進(jìn)入破壞階段，由于頂板巖層向采空區(qū)的大規(guī)模運(yùn)動，致使模擬區(qū)域后方冒落的巖石逐漸被壓實(shí)，使得模擬區(qū)域前方支撐壓力并沒前者有大的增長，采空區(qū)內(nèi)的垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力有逐漸升高的跡象，頂?shù)装鍘r層的破壞趨于穩(wěn)定。

2.2.2破壞厚度的確定

模擬結(jié)果顯示開采造成底板最大破壞深度基本保持在18m，同時，通過模擬計算得出走向模型的冒落帶高度約14.80m，傾向模型的冒落帶高度約13.60m，導(dǎo)水裂隙帶高度約45.0m。

2.3規(guī)程規(guī)范計算兩帶高度

根據(jù)物理力學(xué)試驗測試得出，首采區(qū)32煤層屬中硬覆巖，根據(jù)《“三下”采煤規(guī)程》，選取中硬覆巖類型預(yù)計公式計算破壞高度。

冒落帶高度計算公式見公式（2），導(dǎo)水裂隙帶高度公式見公式（3）：

式中：Hm——冒落帶高度，m；

Hl——導(dǎo)水裂隙帶高度m；

∑M——累計采厚，m。

當(dāng)采厚為3m時，計算得出：Hm=11.26m；Hl= 41.34m。

2.4頂?shù)装迤茐母叨鹊拇_定

通過數(shù)值模擬與規(guī)程規(guī)范計算，考慮安全效應(yīng)，按照最大值原則，最終得出底板破壞最大深度為18m，32煤層導(dǎo)水裂隙帶的高度為45.0m，冒落帶高度為14.8m，裂采比為15.0，冒采比為4.93。而相鄰的祁東煤礦32煤層實(shí)測值冒高12.7～18.00m，裂高46～72.18m，冒采比5.68～6.80裂采比為15.3～28.1，兩者相比較，本次模擬的結(jié)果具有一定的可靠性。

3　結(jié)論

（1）通過數(shù)值模擬顯示：隨著工作面回采后，進(jìn)入過屈服狀態(tài)，已遭受拉伸破壞的冒落帶高度為14.8m，近采高的5倍；正在遭受或已經(jīng)遭受拉伸、剪切破壞的裂隙帶發(fā)育最大高度為45.0m。

（2）底板裂隙發(fā)育深度為18m，反映了32煤層底板以下18m左右的底板不具有阻水能力。

（3）32煤頂板巖層受冒落巖塊支承，底板的破壞深度穩(wěn)定在18m左右。

（4）32煤層底板發(fā)育的K3砂巖距32煤層底板最小間距為27.26m，而本次模擬結(jié)果顯示，在采動效應(yīng)的影響下，32煤層底板破壞深度為18m，因此，一般情況下，K3砂巖含水層對32煤層沒有充水性。

［1］張金才，劉天泉.論煤層底板采動裂隙帶的深度及分布特征［J］.煤炭學(xué)報，1990（2）：46-54.

［2］黎良杰，錢鳴高，等.底板巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與底板突水關(guān)系的研究［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，1995（4）：18-23.

［3］王作宇.底板零位破壞帶最大深度的分析計算［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，1992（2）：2-6.

TD322

A

1004-5716（2016）08-0196-03

2015-08-21

胡園園（1984-），女（漢族），安徽宿州人，工程師，現(xiàn)從事地質(zhì)報告編制工作。