煤層底板注漿前后采動效應(yīng)數(shù)值模擬對比分析*

韓云春 ，劉朝偉，李寧，徐興東，李志兵 ，吳基文，翟曉榮

(1.深部煤炭開采與環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實驗室，安徽 淮南市 232001；2.平安煤炭開采工程技術(shù)研究院有限公司，安徽 淮南市 232001；3.青海能源魚卡有限責(zé)任公司，青海 德令哈市 817000；4.安徽理工大學(xué)，安徽 淮南市 232063)

0 引言

隨著煤炭開采深度的增加，采掘活動受高承壓水的威脅越來越嚴(yán)重，煤層底板突水成為制約我國煤炭資源的安全高效開采的重要因素[1?5]。研究高承壓水環(huán)境下的煤層底板采動效應(yīng)，對保護(hù)煤礦安全和提升煤礦經(jīng)濟(jì)效益都有十分重要的意義[6?8]。對承壓水體上的煤層底板進(jìn)行注漿改造是防止煤層底板突水的常用手段，但是，在煤層底板注漿效果方面，目前的研究大都是針對未注漿的底板進(jìn)行開展。對于煤層底板注漿改造的實際效果、注漿改造底板與原始底板的變形破壞特征的差異性，尚缺乏具體的定量研究[9?12]。因此，本文通過數(shù)值分析的方法，對比分析注漿前、后工作面底板變形破壞特征，揭示煤層底板注漿效果。

1 底板注漿前后采動效應(yīng)數(shù)值模擬

1.1 計算模型的建立

本次研究采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立注漿前、后2種不同強(qiáng)度煤層底板的地質(zhì)模型。2種地質(zhì)模型的長x為550m、寬y為290m，高z為93m，如圖1所示。采煤工作面的走向長為440m、傾向長為220m，采煤工作面位于地質(zhì)模型內(nèi)部，采空區(qū)兩側(cè)各留設(shè)35m的煤柱，開切眼距模型邊界留設(shè)50m煤柱。

圖1 地質(zhì)模型

1.2 模擬計算方案

為了保證煤層底板破壞深度的充分發(fā)展，本次考察2種模型的采煤工作面推進(jìn)距離為90m時的底板破壞情況。

對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對不同巖層賦參。根據(jù)地質(zhì)模型所處于的空間位置施加邊界荷載，上邊界按上覆巖體自重賦予應(yīng)力，下邊界按承壓水壓力賦值，水平應(yīng)力根據(jù)巖體泊松比計算[13?14]。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 底板破壞深度

經(jīng)數(shù)值模擬計算得出2種模型底板屈服破壞圖（見圖2），由圖2可知，模型Ⅰ（注漿前底板）、模型Ⅱ（注漿后底板）的最大底板破壞深度分別為13.05m和8.7m，當(dāng)注漿后，底板強(qiáng)度增加，底板破壞深度顯著減小。

2.2 采動底板應(yīng)力變化規(guī)律

以地質(zhì)模型y坐標(biāo)140m處為走向剖面，在該剖面上距離切眼80m處的位置，從煤層直接底開始向下每隔5m布置一個應(yīng)力監(jiān)控點(diǎn)，共布置9個監(jiān)控點(diǎn)來監(jiān)測開挖90m時的應(yīng)力和位移變化情況，監(jiān)測線位置如圖3所示。

圖2 2種模型底板屈服破壞

圖3 監(jiān)測線位置

通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工作面從開切眼開始回采90m時，2種模型煤層底板的z方向應(yīng)力分布具有差異性，由于煤層底板注漿，其巖體強(qiáng)度增加，使得同一深度處的z方向應(yīng)力較未注漿底板的z方向應(yīng)力有所增加，至煤層底板30m深度處，未注漿底板與注漿底板的z方向應(yīng)力才趨于相同。在煤層直接底（距底板深度為0m）的位置差異最大，此處模型Ⅰ和模型Ⅱz方向應(yīng)力分別為3.74 MPa和4.49 MPa，相差0.75 MPa（見表1）。

表1 2種模型Z方向應(yīng)力隨距底板深度變化

如圖4所示，注漿底板相比于未注漿底板，其7.5～10 MPa的應(yīng)力區(qū)（底板黃色區(qū)域）范圍有所收縮，原巖應(yīng)力（底板綠色區(qū)域）有所擴(kuò)大，說明注漿對煤層底板應(yīng)力解除具有限制作用，起到了底板加固改造的效果。

圖4 2種模型z方向應(yīng)力分布

2.3 采動底板變形規(guī)律

監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工作面從開切眼開始回采90m時，2種模型的位移隨煤層底板深度的變化表現(xiàn)出明顯的差異性，總體上，未注漿底板變形量大于注漿底板的位移量。距底板深度40m開始，2種模型的位移量相近，且變形量都開始接近于0（見圖5）。由圖6可知，相比于未注漿底板5～9.34 cm的較大變形區(qū)（底板紅色區(qū)域），注漿底板的變形區(qū)明顯收縮，采動影響下的注漿底板整體變形比未注漿底板小。

圖5 2種模型位移隨底板深度變化曲線

圖6 2種模型z方向位移分布

3 結(jié)論

通過數(shù)值分析，研究了注漿前底板和注漿后底板2種不同模型的采動效應(yīng)，結(jié)果表明：

（1）煤層底板注漿后相比于注漿前，底板采動破壞深度減小，z方向應(yīng)力增大，底板的位移量減小；

（2）采煤工作面底板注漿對巖體結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的改造具有顯著效果，對煤層底板采動效應(yīng)具有明顯的控制作用。