采動動載作用下圍巖破壞機理數(shù)值模擬研究及其工程應(yīng)用

趙 東 趙 康

（1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十礦，河南 平頂山 467013）

工作面開采后，煤層底板巖層的原始應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生破壞，采空區(qū)周圍應(yīng)力集中，底板應(yīng)力作用使底板巖層產(chǎn)生各種裂隙，裂隙部分巖層將喪失隔水能力。在底板帶壓開采條件下，煤層底板破壞將減小隔水層厚度，進而降低底板隔水能力，增加底板突水危險性。因此，準(zhǔn)確測出工作面底板采動破壞深度是承壓水上采煤的一個重要的安全問題。

1 工作面基本概況

平煤股份十礦位于平頂山市東北部、平頂山煤田東部，距市區(qū)中心約6km，煤礦始建于 1958年8月，現(xiàn)核定生產(chǎn)能力為 330萬t/a。24100工作面位于十礦-320水平己四采區(qū)西翼第四區(qū)段，地面標(biāo)高+180m～ +275m，工作面標(biāo)高-622m～-664m，埋深-844m～-897m，走向長808m，傾斜寬130m，煤層傾角10°。24100工作面所承受的最大水壓達到1.67MPa，中間隔水層為砂質(zhì)泥巖夾薄層狀細(xì)砂巖。

2 數(shù)值模擬及工程應(yīng)用

2.1 數(shù)值模擬模型

本次研究對十礦24100工作面煤層進行模擬開采，根據(jù)工作面煤層賦存特征，假定巖層為相對水平分布，巖體中的裂隙、斷層暫不考慮。在本模型中，坐標(biāo)系規(guī)定為：工作面走向為Y軸，走向長度取800m；工作面傾向為X軸，模型傾向長度取220m；重力方向為Z軸，向上為正。根據(jù)采動等因素影響范圍和計算機數(shù)值模擬計算的特點，模型尺寸確定為800m×220m×361m，能同時滿足不同開采方式所需的數(shù)值模擬條件，整個模型共模擬16層，頂板7層，底板8層，計算模型如圖1所示。

圖1 十礦24100采面頂?shù)装鍑鷰r變形破壞的模擬模型

數(shù)值模擬所需要的巖石力學(xué)參數(shù)以十礦地質(zhì)報告上的巖層物理力學(xué)參數(shù)為依據(jù)，涉及到的參數(shù)包括抗拉強度、體積模量、剪切模量、容重、摩擦角、粘聚力等。

在工作面采長為130m時，模擬開挖二1煤層，工作面沿走向以10m為一步長向前推進，共模擬開挖36步，即共推進360m。模擬隨著不斷開挖，煤層頂?shù)装鍑鷰r變形破壞情況，重點確定底板破壞深度。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

（1）底板巖體應(yīng)力

模擬結(jié)果表明：當(dāng)工作面推進長度為30m時，沿工作面推進方向底板巖層內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中，垂直應(yīng)力最大值達到14.25MPa。隨著工作面推進，工作面前方煤壁下底板超前支撐壓力逐漸增大，推進90m時，垂直應(yīng)力最大值為17.39MPa；推進150m時，垂直應(yīng)力最大值為19.64MPa；推進210m時，垂直應(yīng)力最大值為20.37MPa。當(dāng)工作面推進超過270m后，垂直應(yīng)力增大到20.84MPa，并且趨于穩(wěn)定（表1、圖2）。即采動過程中工作面底板巖體壓力隨工作面推進距離的增加而增加，當(dāng)工作面推進距離達到一定范圍時，底板巖體壓力趨于穩(wěn)定。

圖2 工作面底板巖體應(yīng)力隨回采推進的變化云圖

（2）頂?shù)装迤茐母撸ㄉ睿┒?/p>

模擬結(jié)果表明，在工作面采長130m，采高4.0m的條件下，煤層頂?shù)装迤茐母撸ㄉ睿┒入S著工作面推進而增加，推進到一定距離時進入穩(wěn)定狀態(tài)，同時破壞范圍隨著工作面推進而擴大。工作面推進到170m時，底板破壞范圍達到最大18.1m，之后開挖至360m一直保持不變，說明底板破壞深度在工作面推進到170m之后即進入穩(wěn)定狀態(tài)；工作面推進到320m時，頂板破壞范圍達到最大57.3m，之后開挖至360m一直保持不變，說明頂板破壞高度在工作面推進到320m之后即進入穩(wěn)定狀態(tài)（圖3）。

表1 工作面回采推進過程中底板巖體應(yīng)力模擬結(jié)果

圖3 工作面回采過程中頂?shù)装鍑鷰r變形破壞范圍的變化

3 24100工作面采動后底板巷的變形觀測

為全面了解24100工作面采動后煤層底板地層變形破壞情況，并驗證數(shù)值模擬所計算的底板破壞深度與實際是否符合，在24100底板巖巷布置了巷道變形巖移觀測站，自底板巷正巷口至底板巷切眼共布設(shè)20個觀測點，編號為1～20。其中，1～6號觀測點每15m等距離布設(shè)，6～10號觀測點每30m等距離布設(shè)，10～20號觀測點每50m等距離布設(shè)。24100機巷底板巷十字觀測站自2017年10月19日采面已回采30m時開始觀測，觀測間隔5～7d，截至2017年12月5日，24100采面已經(jīng)回采140m，共進行了7次觀測。

圖4 24100機巷底板巷巖移觀測站點布置圖

通過對觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，24100工作面的采動對底板巷的收斂有明顯的影響，140m（目前采面切眼位置）以里的收斂明顯大于140m以外的收斂，并且巷高的收斂量和收斂率均明顯大于巷寬的收斂量和收斂率，巷高的最大收斂量是巷寬的最大收斂量的3.8倍，巷高的最大收斂率是巷寬的最大收斂率的6.3倍。巷高的最大收斂量、最小收斂量和巷寬的最大收斂量、最小收斂量位置相同，均位于1號觀測點和6號觀測點。根據(jù)24100機巷和底板巷實測剖面來看，底板巷的標(biāo)高比機巷的標(biāo)高低17～20m，數(shù)值模擬確定的工作面采動底板破壞深度為19m，與觀測站的觀測結(jié)果以及現(xiàn)場底板巷的變形情況基本吻合。

4 工作面主要防治水措施

4.1 完善工作面排水系統(tǒng)

24100工作面機、風(fēng)巷水泵窩內(nèi)均安裝有兩臺水泵，水泵型號為100D-16×9，電機功率為37kW，單泵排水量為54m3/h，揚程大于50m，分別與巷道內(nèi)的兩趟4寸排水管路相連接，利用水泵直接排入己四軌道排污管道內(nèi)，進入己四采區(qū)水倉。

4.2 持續(xù)疏放灰?guī)r水

十礦共有12個灰?guī)r疏水孔在疏排寒武系灰?guī)r承壓水，總疏放量在90m3/h左右，年累計疏放量在78萬m3。為了有利于24100工作面的安全開采，應(yīng)繼續(xù)運用物探手段查找富水異常區(qū)，布置疏放寒灰水鉆孔，提高疏放灰?guī)r水強度，降低水頭高度，實現(xiàn)工作面的不帶壓回采。

4.3 探查工作面內(nèi)部構(gòu)造

對24100工作面內(nèi)部進行坑透物探，重點探查工作面內(nèi)部有無斷層等潛在的導(dǎo)水通道。同時在回采過程中要加強水文地質(zhì)巡查工作，尤其是工作面通過物探富水異常區(qū)以及斷裂構(gòu)造時要強化水文地質(zhì)調(diào)查，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有突水征兆，如底鼓、底板滲水等異常情況時要立即停止作業(yè)，采取必要措施確保工作面安全回采。

4.4 加強水害監(jiān)測監(jiān)控

加強水害的監(jiān)控和監(jiān)測，制定突發(fā)水害時的避險和搶險預(yù)案，保持排水通道的暢通，明確人員避災(zāi)路線。工作面回采期間，尤其是推進至周期來壓位置和隱伏構(gòu)造帶位置時，地測科要派人跟班，發(fā)現(xiàn)水害預(yù)兆，及時處置。24100工作面屬于帶壓工作面，必須按照《煤礦防治水規(guī)定》及公司的有關(guān)防治水規(guī)定，制定工作面帶壓開采安全技術(shù)措施。

5 結(jié) 論

（1）當(dāng)工作面推進長度超過270m后，垂直應(yīng)力增大到20.84MPa，并且趨于穩(wěn)定。即采動過程中工作面底板巖體壓力隨工作面推進距離的增加而增加，當(dāng)工作面推進距離達到一定范圍時，底板巖體壓力趨于穩(wěn)定。

（2）利用FLAC3D軟件進行數(shù)值模擬，工作面推進到170m時，底板破壞范圍達到最大18.1m，之后即進入穩(wěn)定狀態(tài)；工作面推進到320m時，頂板破壞范圍達到最大57.3m，之后即進入穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）提出了完善采區(qū)及工作面排水系統(tǒng)、持續(xù)疏放灰?guī)r水、探查工作面內(nèi)部構(gòu)造、回采過程中加強水文地質(zhì)巡查工作等一系列具體的防治水措施，保證了工作面的安全開采。