三元福達煤礦15號煤層上覆巖層破壞規(guī)律的模擬分析

郝振寧

(山西三元福達煤業(yè)有限公司，山西 武鄉(xiāng) 046300)

煤層開采后，上部巖層在自重的作用下，引起上覆巖層的變形、移動與破壞，并漸次向上發(fā)展，在頂板中自下而上形成垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。因此可基于采動覆巖破壞、斷裂機理，通過分析采空區(qū)頂板斷裂、離層、下沉、裂隙分布及延伸特性，為確定開采上限、瓦斯高位鉆孔終孔層位、采煤工藝及參數(shù)等工作提供幫助。

1 工程背景

山西三元福達煤業(yè)有限公司位于山西省武鄉(xiāng)縣，是一個兼并重組礦井。礦井設(shè)計可采儲量2 631.8萬t，服務(wù)年限為17 a.三元福達煤礦目前主采15號煤層，本煤層為全井田穩(wěn)定可采煤層，位于太原組底部，煤層厚度3.70～4.97 m，平均4.49 m，含1～4層泥巖及炭質(zhì)泥巖夾矸，埋藏深度220～400 m，煤層傾角2～14°，平均普氏硬度系數(shù)0.96.煤層直接頂多為泥巖、砂質(zhì)泥巖，普氏硬度系數(shù)2.8～3.7，基本頂為粉砂巖、細砂巖，普氏硬度系數(shù)6.9～10.1.

15號煤層為黑色、灰黑色，強玻璃光澤-金剛光澤，具節(jié)理，發(fā)育階梯狀、棱角狀斷口，有一定韌性，中條帶狀、線理狀結(jié)構(gòu)，塊狀或?qū)訝顦?gòu)造，裂隙不發(fā)育。

煤樣“應(yīng)力-應(yīng)變”曲線圖、煤樣強度曲線圖如圖1和圖2所示。15號煤層試樣物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)及抗剪切強度如表1、表2和表3所示。

圖1 煤樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖

圖2 煤樣強度曲線圖

表1 15號煤層試樣物理性質(zhì)

表2 15號煤層試樣的力學(xué)性質(zhì)

表3 煤樣抗剪切強度測試結(jié)果

2 FLAC3D簡介

FLAC3D是FLAC軟件在三維層面的補充和拓展，進一步實現(xiàn)了更貼近現(xiàn)場，更深層次的應(yīng)力分析，對于求解地下采場、深基坑、隧道、邊坡等的應(yīng)力分析有了進一步的突破，可以通過具體的模擬參數(shù)確定相應(yīng)的操作指令，得到對應(yīng)的數(shù)據(jù)模型，方便數(shù)據(jù)模擬，同時FLAC3D軟件提供多樣化的材料力學(xué)模型，可以切實反映出現(xiàn)場力學(xué)變化行為，通過動力、靜力、滲流、蠕變、溫度等5種計算模式，實現(xiàn)多模式化整合分析，高效模擬出工作面現(xiàn)場斷層、陷落柱、不連續(xù)地質(zhì)面等地質(zhì)現(xiàn)象及錨桿(索)、木樁、鋼架梁等支護方式。

3 模擬模型建立及分析

根據(jù)15號煤層試樣物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)及抗剪切強度建立相應(yīng)FLAC3D模型，通過分析上覆巖層破壞形成的塑性區(qū)可以揭示工作面開采后頂板巖層破壞規(guī)律，如圖3、圖4、圖5和圖6所示，為塑性區(qū)形成及發(fā)展過程，反映了不同推進距離覆巖塑性區(qū)的發(fā)育情況。

圖3 工作面推進10 m沿走向和傾向塑性區(qū)分布

圖4 工作面推進30 m沿走向和傾向塑性區(qū)分布

圖5 工作面推進50 m沿走向和傾向塑性區(qū)分布

圖6 工作面推進60 m沿走向和傾向塑性區(qū)分布

通過分析圖3至圖6，在15號煤層工作回采的開始階段，直接頂上方存在部分拉伸破壞，程度較輕，再往上的破壞形式以剪切破壞和剪拉組合破壞為主，塑性區(qū)高度達18.5 m；隨著工作面的推進，拉伸破壞的區(qū)域呈擴大趨勢，直接頂往上部分的剪切破壞和剪拉破壞的區(qū)域也呈現(xiàn)擴大趨勢，隨著回采進行至30 m的時候，頂板拉伸破壞高度為12 m，傾向塑性區(qū)的分布高度為46 m，頂板拉伸及剪切裂隙大范圍發(fā)育，工作面頂板斷裂及垮落，從而產(chǎn)生初次來壓，工作面回采至50 m和60 m時，塑性區(qū)的高度分別為64.5 m和67 m，塑性區(qū)在垂直方向上發(fā)展趨于穩(wěn)定。

4 結(jié) 語

1) 三元福達煤礦15號煤層工作面在回采期間的沿走向和傾向塑性區(qū)分布呈現(xiàn)橫向類似對稱，在發(fā)展趨于穩(wěn)定時，形成兩端高、中間低的模型對稱分布，破壞范圍在采空區(qū)中央分布范圍要低于邊界分布范圍，破壞最高點位于開采邊界內(nèi)，主要因邊界煤柱的存在，覆巖巖體位于拉壓應(yīng)力區(qū)，使其上部破壞范圍較大一些。

2) 三元福達煤礦15號煤層工作面剪切破壞主要分布在塑性區(qū)的上方，伴隨著工作面回采推進，其分布范圍呈現(xiàn)拋物線形發(fā)育，說明工作面回采初期以剪切破壞為主，隨工作面推進，裂隙逐步發(fā)育，進而發(fā)展為以拉伸破壞和剪拉破壞分布為主。

3) 三元福達煤礦15號煤層工作面塑性區(qū)的分布在垂直方向上具有明顯的分區(qū)特征，自煤層頂板由下而上，依次為拉破壞區(qū)域、剪拉破壞區(qū)域、剪切破壞區(qū)和未破壞區(qū)域。拉破壞區(qū)域?qū)?yīng)于垮落帶(0～12 m).由于彎曲下沉帶底部巖層產(chǎn)生塑性變形，局部發(fā)生剪切破壞，因此裂隙帶包括剪拉破壞區(qū)域和部分剪切破壞區(qū)，裂隙帶高度為48.5～64.5 m，平均56.5 m.