袁店一礦10煤底板破壞特征分析

陳偉　王來斌

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，來分析袁店一礦煤層開采過程中底板應(yīng)力及破壞特征。結(jié)果表明：在10煤開挖后，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；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)模開采煤炭資源，隨著開采深度的增加，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)煤層底板開挖后底板應(yīng)力變化情況以及底板塑性破壞范圍的問題上具有很大的優(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)長度的計(jì)算。根據(jù)袁店一礦102采區(qū)煤層、巖石力學(xué)測試資料，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。

通過現(xiàn)場實(shí)際測量或者計(jì)算得到煤層屈服區(qū)長度La。煤層屈服區(qū)長度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)模型及邊界條件見圖1。模型范圍主要是沿X軸正向250m（包含測試孔在內(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)也可以簡化為位移邊界條件，設(shè)定在Y方向?yàn)殚_挖后變形運(yùn)動(dòng)方向，而X方向是固定鉸支座滿足剛性要求；下部底面邊界簡化為位移邊界條件，X軸方向?yàn)楣潭ㄣq支座視為無位移變化行為，同樣設(shè)定Y軸為開挖后變形方向；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切眼處，在推進(jìn)步距100m時(shí)，距開切眼前方約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。

在煤層開采的過程中，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)，底板巖層在開采過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，開挖過程中在停采線處和開切眼處是應(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。

（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煤開采的情況下，塑性區(qū)會(huì)隨著工作面推進(jìn)的過程進(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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作者簡介：陳偉（1991-），湖北咸寧人，在讀研究生，專業(yè)方向?yàn)榈V井水文地質(zhì)與工程地質(zhì)。