建筑物下開(kāi)采煤層頂板變形破壞特征數(shù)值模擬

溫興林，王如猛

（1.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東青島 266590;2.山東科技大學(xué)礦山災(zāi)害預(yù)防控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266590;3.山東濱化濱陽(yáng)燃化有限公司，山東濱州 251800）

近些年來(lái)，我國(guó)的煤炭資源產(chǎn)量逐年增加，煤炭的開(kāi)采規(guī)模和強(qiáng)度也逐漸增大。根據(jù)國(guó)家能源統(tǒng)計(jì)公布的數(shù)據(jù)顯示，2017 年在國(guó)家能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中煤炭資源占到60%，雖然我國(guó)在大力發(fā)展清潔能源（如風(fēng)能、太陽(yáng)能等），但是由于我國(guó)煤炭消費(fèi)結(jié)構(gòu)的基數(shù)大，短時(shí)間內(nèi)我國(guó)以煤炭為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生改變[1?3]。隨著淺部煤層的開(kāi)采殆盡，面臨著向深部和三下開(kāi)采的問(wèn)題。我國(guó)三下（建筑物、鐵路和水體）壓煤總量約143 億t，建筑物下壓煤占到88.7億t，其中村莊下壓煤占到總量的60%[4?6]。為了高效開(kāi)采煤炭資源時(shí)，保證地表建筑物安全，實(shí)現(xiàn)煤炭資源的高效利用[7]，就需要對(duì)建筑物下開(kāi)采煤層頂板變形破壞特征進(jìn)行數(shù)值模擬研究分析，從而實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)。

1 研究區(qū)概況

葛亭煤礦位于濟(jì)寧市西北部，礦區(qū)地勢(shì)平坦，東北高西南低的趨勢(shì)，地面平均標(biāo)高+38 m，地層以下分別為第四系、二迭系山西組、石炭太原組和本溪組。其中，太原組內(nèi)含1、2上、2下、3上和3下共5 個(gè)煤層，以3下為主采煤層。3下煤層埋深460 m，煤層平均厚度7 m，煤層傾角4°～ 16°，平均8°，頂板以砂巖和粉砂巖為主，厚度在18～32 m左右。

2 建立數(shù)值模擬模型

2.1 模擬邊界條件和參數(shù)的確定

葛亭煤礦的地質(zhì)條件和鉆孔巖石力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1[8]。

表1 巖層巖石物理力學(xué)參數(shù)表

運(yùn)用有限元數(shù)值模擬軟件FLAC3D對(duì)葛亭煤礦2306 采區(qū)建筑物下條帶開(kāi)采工作面進(jìn)行煤層頂板破壞規(guī)律研究分析。模型采用摩爾?庫(kù)倫模型，尺寸大小200 m×150 m×300 m，工作面長(zhǎng)240 m，模型從左到右開(kāi)挖，每次推進(jìn)20 m，為消除邊界影響模型邊界兩側(cè)各留50 m 煤柱，模型共計(jì)23 400 個(gè)單元，28 600個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。數(shù)值模擬模型，見(jiàn)圖1。

2.2 數(shù)值模擬方案的確定

根據(jù)葛亭煤礦的地質(zhì)條件及開(kāi)采計(jì)劃，模擬開(kāi)采推進(jìn)過(guò)程中下工作面煤層頂板垂直方向應(yīng)力場(chǎng)、塑性破壞區(qū)和位移場(chǎng)的變化規(guī)律。

3 采動(dòng)過(guò)程中數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 應(yīng)力場(chǎng)和塑性破壞變化特征

根據(jù)圖2 可以看出，隨著工作面開(kāi)采的推進(jìn)，工作面頂?shù)装彘_(kāi)始出現(xiàn)卸壓區(qū)，在其自身重力的影響下，采空區(qū)兩側(cè)的煤柱上出現(xiàn)應(yīng)力集中，采空區(qū)兩側(cè)的煤柱應(yīng)力集中系數(shù)不斷增大；隨著工作面推進(jìn)距離的不斷增加，頂?shù)装逍秹簠^(qū)的范圍不斷增大。

圖2 采動(dòng)過(guò)程中頂?shù)装宕怪狈较蛐螒?yīng)力場(chǎng)變化

隨著工作面開(kāi)采的推進(jìn)，使工作面頂?shù)装逶械膽?yīng)力平衡遭到破壞，進(jìn)而使頂?shù)装瀹a(chǎn)生塑性破壞，隨著工作面開(kāi)采的推進(jìn)，頂板圍巖卸壓高度隨著逐漸增大，并且呈現(xiàn)拱形，上覆巖層最大應(yīng)力由推進(jìn)距離20 m 時(shí)的18.6 MPa，下降到推進(jìn)距離240 m 時(shí)的18 MPa。隨著工作面開(kāi)采的結(jié)束，工作面頂?shù)装宓膽?yīng)力重新得到分布。頂板巖層最大應(yīng)力值變化情況，見(jiàn)圖3。

圖3 推進(jìn)過(guò)程中頂板巖層最大應(yīng)力值變化情況

通過(guò)圖2 和圖3 可以看出，隨著工作面開(kāi)采的推進(jìn)，煤層頂板巖層的最大應(yīng)力值也逐漸增大，由推進(jìn)距離20 m 時(shí)的12.1 MPa，到煤層工作面得到充分開(kāi)采時(shí)達(dá)到的20.7 MPa，此后，隨著工作面的開(kāi)采，煤層頂板上覆巖層的最大垂直應(yīng)力值沒(méi)有較大變化，保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

隨著工作面開(kāi)采的推進(jìn)，工作面頂板巖層經(jīng)歷了靠近采空區(qū)壓縮、膨脹和遠(yuǎn)離采空區(qū)恢復(fù)3個(gè)階段過(guò)程，并且隨著工作面開(kāi)采的推進(jìn)會(huì)重復(fù)出現(xiàn)上述過(guò)程。沿著工作面開(kāi)采的推進(jìn)方向，因采動(dòng)影響產(chǎn)生的垂直方向應(yīng)力，可以按照巖石所在位置的不同，將其劃分為不同的應(yīng)力變化區(qū)：頂板應(yīng)力增高區(qū)、頂板應(yīng)力減壓區(qū)和頂板應(yīng)力恢復(fù)區(qū)。

通過(guò)圖4 和圖5 可以看出，工作面最先出現(xiàn)塑性破壞的地方位于采空區(qū)兩側(cè)的煤柱上、頂?shù)装逡约扒醒鄹浇?，并且隨著工作面開(kāi)采的推進(jìn)，頂板的塑性破壞深度逐漸向高處擴(kuò)展延伸增加，但是增加幅度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，逐漸達(dá)到穩(wěn)定。其中，煤層頂板的最大破壞深度主要分布在切眼和停采線上方附近，且工作面頂?shù)装宓乃苄云茐囊约羟泻屠炱茐臑橹鳌?/p>

圖4 采動(dòng)過(guò)程中頂?shù)装逅苄云茐淖兓?/p>

圖5 工作面開(kāi)采推進(jìn)過(guò)程中頂板塑性破壞變化

礦山壓力和開(kāi)采推進(jìn)距離（工作面斜長(zhǎng)）對(duì)煤層頂板的塑性破壞發(fā)育具有重要的影響作用，而礦山壓力主要通過(guò)煤層的埋深來(lái)影響。當(dāng)煤層上方存在含水層時(shí)，應(yīng)注意工作面開(kāi)采形成的裂隙發(fā)育高度，做好頂板突水的預(yù)防工作面，防治發(fā)生頂板突水事故。

3.2 采動(dòng)過(guò)程中位移場(chǎng)變化特征分析

通過(guò)圖6 可以看出，隨著工作面開(kāi)采的推進(jìn)，頂板上覆巖層的沉降值逐漸增大，并且隨著距煤層頂板的距離增大而逐漸逐漸減小。頂板的沉降值的大小不僅與煤層頂板巖石的巖性有關(guān)，還與煤層的埋深有關(guān)。

圖6 工作面開(kāi)采推進(jìn)過(guò)程中垂直位移值變化情況

4 結(jié)論

（1）數(shù)值模擬的結(jié)果顯示，隨著工作面開(kāi)采的推進(jìn)，工作面煤層頂板圍巖垂直方向的應(yīng)力影響范圍和最大垂直應(yīng)力逐漸增大，并且，隨著距采空區(qū)煤層頂板垂直距離的增大呈現(xiàn)減小和緩和的趨勢(shì)，主要集中在切眼和停采線附近。

（2）隨著工作面開(kāi)采的推進(jìn)，煤層頂板的塑性破壞區(qū)分布范圍和最大深部逐漸增大，工作面頂板巖層經(jīng)歷了靠近采空區(qū)壓縮、膨脹和遠(yuǎn)離采空區(qū)恢復(fù)3個(gè)階段過(guò)程，工作面最先出現(xiàn)塑性破壞的地方位于采空區(qū)兩側(cè)的煤柱上、頂?shù)装逡约扒醒鄹浇⑶译S著工作面開(kāi)采的推進(jìn)，頂板的塑性破壞深度逐漸向高處擴(kuò)展延伸增加。

（3）隨著工作面開(kāi)采的推進(jìn)，頂板巖層因開(kāi)采和自身重力的影響，頂板的主要運(yùn)動(dòng)方式以垂直應(yīng)力為主，從而以垂直方向的位移值相對(duì)較大；隨著工作面開(kāi)采的推進(jìn)頂板上覆巖層的沉降值逐漸增大，并且隨著距煤層頂板的距離增大而逐漸逐漸減小。頂板的沉降值的大小不光與煤層頂板巖石的巖性有關(guān)，還與煤層的埋深有關(guān)。

（4）數(shù)值模擬可以看出，工作面煤層頂板圍巖垂直應(yīng)力、塑性破壞區(qū)和位移值變化與煤層頂板圍巖的組合、巖性、埋深、采高、工作面斜長(zhǎng)（推進(jìn)距離）、開(kāi)采方式有關(guān)。