基于FLAC3D五溝煤礦1031工作面采動(dòng)覆巖變形破壞特征研究

程 浩，楊本水

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

由于煤炭需求量對(duì)于社會(huì)發(fā)展日漸重要，因此不斷提高開(kāi)采能力，增大開(kāi)采深度是礦井開(kāi)采的必然結(jié)果。而深部的開(kāi)采勢(shì)必會(huì)誘發(fā)出各種的工程災(zāi)害，例如地溫升高、沖擊地壓(巖爆)、礦壓顯現(xiàn)劇烈、流變、巷道周圍巖層大變形、瓦斯爆炸、突水，并成為約束深部開(kāi)采礦區(qū)安全生產(chǎn)的最主要的因素。在煤炭開(kāi)采掘進(jìn)過(guò)程中，大部分的工程事故發(fā)生在回采工作面，其中大部分事故是因?yàn)閿鄬踊螂[伏斷裂引起的[1]。因此，研究分析在采動(dòng)變化的影響下不同產(chǎn)狀要素的斷層發(fā)育、覆巖變形破壞特征，以及合理預(yù)留一定防水煤柱尺寸，不僅會(huì)對(duì)提高開(kāi)采工作面的煤炭回采率具有極其重要的意義，而且關(guān)系到礦井安全綠色生產(chǎn)[2]。

斷層的存在對(duì)煤礦產(chǎn)出和產(chǎn)量有著相當(dāng)重要的影響。斷層損壞嚴(yán)重的區(qū)域，影響采區(qū)的分類，工作面和巷道的部署，會(huì)導(dǎo)致工作面部署不規(guī)則，巷道掘進(jìn)率會(huì)有很大的增高，還時(shí)常會(huì)造成無(wú)效進(jìn)尺，不僅造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且會(huì)留下不少的安全隱患。采煤工作面如果出現(xiàn)了斷層，會(huì)給巷道支護(hù)和煤層頂板施工管理增加難度，管理不當(dāng)還會(huì)造成冒頂事故。斷層是地下水的儲(chǔ)存所在和導(dǎo)水的良好渠道，如果管理不當(dāng)容易誘發(fā)斷層透水事故[3]。在此，筆者模擬完整情況和斷層存在情況下，研究斷層在煤層開(kāi)采下覆巖變形破壞特征，進(jìn)而為煤礦的安全綠色生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 模型的建立

1.1 工程概況

1031工作面作為矸石充填開(kāi)采第二個(gè)工作面，位于南一采區(qū)東翼。工作面南起集中運(yùn)輸巷上段，西鄰CT101工作面(風(fēng)巷沿空留巷)。工作面回采山西組10煤層，工作面設(shè)計(jì)上限標(biāo)高為-260m，工作面可采走向長(zhǎng)511m；傾斜寬69m。平均煤厚2.6m。

1.2 模型建立

本次分析以五溝煤礦區(qū)1031采區(qū)工作面為背景，1031工作面是矸石充填開(kāi)采開(kāi)始的工作面，在南部一采區(qū)東翼。工作面東部是風(fēng)氧化帶，南部是1017采空區(qū)，西部靠近F14大型正斷層(∠70°H=0～280m)，北方接近26-3鉆孔。工作面回采山西組10煤層，650m長(zhǎng)的風(fēng)巷，590m長(zhǎng)工作面機(jī)巷，100m切眼長(zhǎng)度。平均煤厚3.1m。工作面標(biāo)高在-274.3m～-298.7m(巷道頂板標(biāo)高)之間，工作面沿走向布置。

矸石是一種散體結(jié)構(gòu)，不能承受拉伸變形，粘聚力幾乎為零。為了滿足模擬的需要作一下假設(shè)：1)充填矸石為立方體的連續(xù)介質(zhì)。2)開(kāi)采時(shí)頂?shù)装宓奈灰撇豢紤]，按100%充填率進(jìn)行模擬，采空區(qū)為矸石充滿。

完整頂板條件下模型：模擬工作面標(biāo)高-270m，模型y方向長(zhǎng)200m，每10m一格。x方向?yàn)?50m，一格為10m。z方向高150m，模型為水平模型，傾角為6°。共36500個(gè)網(wǎng)格。

斷層存在條件下模型：模型y方向長(zhǎng)200m，其中上盤(pán)分50格，下盤(pán)分80格。x方向長(zhǎng)250m，一格10m。高150m。模擬斷層為DF114斷層。共41000個(gè)單元。如圖1所示模型，如表1所示材料力學(xué)參數(shù)。

表1 10煤頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)

圖1 地質(zhì)模型圖

1.3 模型過(guò)程

本次模擬分為以下幾步：

第一步模擬原始巖層應(yīng)力狀態(tài)，因?yàn)榇舜斡?jì)算僅考慮采動(dòng)應(yīng)力的影響，所以在原巖應(yīng)力達(dá)到平衡時(shí)，要將位移進(jìn)行歸零處理；工作面模擬開(kāi)挖作為第二步進(jìn)行，按上述方法實(shí)行工作面煤層向前掘進(jìn)，依次模擬一步開(kāi)采，進(jìn)行回填，然后模擬計(jì)算，最后到實(shí)現(xiàn)平衡，模擬回采下一開(kāi)采步時(shí)，進(jìn)行回填模擬，以此類推，一直到完成計(jì)算全部模型；第三步查看比較各個(gè)模型的工作面圍巖的最大主應(yīng)力變化和其產(chǎn)生的塑性區(qū)域變化。

按照礦區(qū)頂板壓力情況，20m作為第一次開(kāi)挖步距，完整頂板情況下模擬開(kāi)挖5步，斷層情況下模擬開(kāi)挖7步。在相關(guān)巖石力學(xué)性質(zhì)不變的條件下，采取如表2，表3所示模擬方案。

表2 完整頂板模擬方案

表3 斷層存在條件下頂板模擬方案

2 結(jié)果分析

2.1 覆巖分析

工作面推進(jìn)時(shí)覆巖變形是一個(gè)漸進(jìn)過(guò)程，隨著工作面推進(jìn)，采空區(qū)不斷增大大，覆巖應(yīng)力不斷變化。由圖2可以看出走向應(yīng)力范圍隨工作面推進(jìn)不斷擴(kuò)大，其塑性區(qū)范圍也在不斷擴(kuò)，采空區(qū)上方頂板覆巖壓力也由原來(lái)的壓應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)為拉應(yīng)力狀態(tài)，拉應(yīng)力范圍不斷增大，說(shuō)明拉伸破壞區(qū)不斷增大。隨工作面推進(jìn)頂?shù)装迤茐某潭龋喉敯迤茐母叨戎饾u增大，最大穩(wěn)定在19m；煤層頂?shù)装灏l(fā)生位移，且隨工作面推進(jìn)，位移量逐漸增大，底板破壞深度最大為13.7m。

2.2 斷層分析

由圖3可知：

1) 當(dāng)煤層開(kāi)始推進(jìn)，距斷層距離較遠(yuǎn)時(shí)，破壞區(qū)變化分布與完整底板的情況沒(méi)有大的區(qū)別。

2) 由于斷層的落差較小，一開(kāi)始斷層對(duì)于開(kāi)采應(yīng)變和位移影響較小，在斷層帶附近，表現(xiàn)出應(yīng)力和變形集中。

3) 煤層頂?shù)装鍟?huì)由于工作面前進(jìn)發(fā)生位移，而且位移量依次出現(xiàn)增大。因?yàn)閿鄬拥挠绊?，靠近斷層區(qū)域也出現(xiàn)應(yīng)力增大的塑性區(qū)。大體上現(xiàn)現(xiàn)出不對(duì)稱的兩個(gè)“馬鞍形”破壞區(qū)。

圖2 沿走向覆巖應(yīng)力變形特征(完整)

圖2(續(xù))

比較圖2、圖3斷層存在條件下頂板裂縫發(fā)育最大長(zhǎng)度為20.4m，比無(wú)斷層情況下增加了1.4m；底板最大破壞深度最大深度24m，比無(wú)斷層情況下增加了10.3m(見(jiàn)圖4)。而且塑性區(qū)的變化也有明顯差異，破壞形式也轉(zhuǎn)變?yōu)閴杭羝茐摹?/p>

3 結(jié)論與建議

通過(guò)數(shù)值模擬分析斷層對(duì)煤層采動(dòng)覆巖變形破壞影響，可得出以下兩點(diǎn)結(jié)論[4-7]：

1) 10煤層開(kāi)采后覆巖變形的塑性區(qū)導(dǎo)水裂隙帶的高度隨工作面推進(jìn)不斷擴(kuò)大，在工作面推進(jìn)至125m時(shí)，達(dá)到最大值24m。

2) 煤層在開(kāi)采掘進(jìn)過(guò)程中，當(dāng)存在斷層時(shí)，因?yàn)閿鄬拥拇嬖?，斷層周圍?huì)顯現(xiàn)出應(yīng)力增大的塑性區(qū)，相比較更容易發(fā)生壓剪破壞，進(jìn)而使得斷層帶圍巖內(nèi)的原有裂隙進(jìn)一步擴(kuò)張發(fā)育，并且不斷出現(xiàn)新的裂隙，產(chǎn)生貫穿斷層、含水層和底板的裂隙，導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育致使底板突水工程事故。所以，在生產(chǎn)過(guò)程中，斷層對(duì)于無(wú)斷層來(lái)說(shuō)更容易引發(fā)突水危險(xiǎn)，故在生產(chǎn)設(shè)計(jì)安全方案時(shí)一方面應(yīng)留設(shè)較寬的防水保護(hù)煤柱，另一方面要對(duì)斷層地段進(jìn)行一定的加固。

圖3 沿走向覆巖應(yīng)力變形特征(斷層)

圖3(續(xù))

圖3(續(xù))

圖4 覆巖變形破壞變化比較(單位：m)

參考文獻(xiàn)：

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