基于FLAC3D煤層底板采動破壞規(guī)律的數(shù)值模擬

靳利軍，王欣欣*，張艷朋，王德勛

（1.山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同 037000；2.山西省地質(zhì)勘查局二一七地質(zhì)隊有限公司，山西大同 037000）

我國重大礦井災(zāi)害[1]案例中，灰?guī)r類巖溶水水害事故率為92.3%，降低灰?guī)r型巖溶類突水水害事故率是礦井水害[2]工作的重點。華北型煤田[3]的基底多為奧灰陶紀(jì)碳酸鹽巖，巖溶普遍發(fā)育特征多為含水性強、水頭壓力大。在礦山開采的過程中，經(jīng)常伴有奧灰承壓帶突水水害的威脅[4]。隨著礦區(qū)淺部煤層開采殆盡，礦井掘進(jìn)深度逐步向下延伸，開采強度與技術(shù)要求不斷提高，奧灰承壓水害愈發(fā)頻繁，僅在華北地區(qū)面臨承壓水害[5]的礦井就有230 多個，導(dǎo)致三分之一的煤炭開采受到影響。帶壓開采[6]相關(guān)課題中往往重視對底板破壞深度以及范圍的分析，依據(jù)傳統(tǒng)理論公式分析底板破壞深度與工作面寬為線性關(guān)系，但是結(jié)合現(xiàn)場觀測結(jié)果表明破壞深度存在極限值，不會隨著工作面推進(jìn)而不斷增大。因此，為了研究煤層底板擾動規(guī)律，以大同盆地塔山煤礦8號煤層為工程背景，運用三維有限差分計算機軟件（FLAC3D）[7]對不同工作面寬度建立數(shù)值模型，通過分析底板塑性破壞分布范圍，以期得出在該礦水文地質(zhì)條件下煤層底板破壞分布規(guī)律，從而為避免承壓水害以及帶壓開采評價提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 理論計算方法

依據(jù)對河北邯鄲、峰峰、山東肥城等共計12個礦區(qū)以及22 個工作面現(xiàn)場觀測的結(jié)果分析得出：底板采動破壞層的破壞深度與工作面寬度相關(guān)度最高。參照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》[8]中相關(guān)公式計算塔山4#、2#、3-5#、8#煤層底板采動后破壞深度值。僅使用工作面斜長做參數(shù)，底板采動破壞帶深度h為：

h=0.7007+0.1079L

式中：L為壁式工作面斜長，m。

考慮采場深度、傾角以及工作面斜長時，則有：

h=0.0085H+0.1665α+0.1079L-4.3579

式中：H為煤層深度，m；α為煤層傾角，（°）。

可見，隨著開采活動進(jìn)行，工作面寬度逐步拓寬，底板采動破壞深度也隨之增加。

1.2 數(shù)值模擬方法

FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua)是一款用于模擬土質(zhì)、巖石等其他材料的混合力場發(fā)生下塑性流動及破壞的仿真計算軟件。采用連續(xù)介質(zhì)理論分析和顯式有限差分方法分別進(jìn)行理論分析，能夠較為精確地模擬地質(zhì)材料在達(dá)到最大屈服應(yīng)力及最大極限破壞強度后產(chǎn)生塑形流動或破壞。

2 礦井地質(zhì)條件及建模

2.1 礦井地質(zhì)條件

塔山井田分布于大同煤田盆地中東部，總體呈現(xiàn)丘陵地形，井田地勢分布呈現(xiàn)為西南方向高，向東北方向逐漸走低。礦區(qū)大部分地表被黃土泥巖覆蓋，部分溝谷、山脊地區(qū)伴有少部分基巖出露?，F(xiàn)礦區(qū)主要開采煤層為8#煤層，煤層偽頂板巖層由泥巖、碳質(zhì)泥巖構(gòu)成，厚度0.05～0.73 m。直接頂板由粉砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖、高嶺巖以及高嶺質(zhì)泥巖構(gòu)成。其間，分布有少量粗粒砂巖，厚度1.91～ 11.37 m，巖層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。老頂由粗粒砂巖和細(xì)粒砂巖為主要成份構(gòu)成，厚7.38～ 29.5 m。8#煤層平均厚度約為45.49 m，屬于厚煤層，距奧灰頂約32.08～ 71.34 m，其主要巖性由砂巖、粉砂巖以及細(xì)粒砂巖構(gòu)成，底部由山西式褐鐵礦與部分雜色鋁土質(zhì)泥巖組成，其中粉砂巖、泥巖巖層厚度為14.77～ 55.43 m，占8#煤層底板厚度的46.04%～77.69%。本次模擬考慮到塔山煤礦8#煤層為最底部煤層，隔水層厚度最薄，距離奧灰含水層最近，8#煤層開采采動底板破壞深度最有可能波及底板奧灰含水層。因此，模擬以8號煤層工作面底板作為研究對象。

根據(jù)國內(nèi)研究經(jīng)驗，影響煤層底板采動破壞的主要因素為工作面寬、埋藏深度、底板巖性，而工作面埋藏深度和巖層性質(zhì)是定值，所以此次模擬主要考慮模擬不同工作面寬度情況下，8#煤層開采底板破壞特征。由于8#煤層尚無工作面布置，參照其他煤層工作面斜長作為8#煤層的計算工作面斜長，分別取工作面寬度為150、180、210、240、270 m 情況下煤層底板巖性塑性破壞區(qū)作為分析對象。

2.2 模型建立及相關(guān)參數(shù)

依據(jù)礦井水文地質(zhì)資料建立地質(zhì)模型，初始化各單元參數(shù)，首先保證各節(jié)點、單元的初始化平衡，賦予各層材料屬性后，進(jìn)行開挖計算。塔山煤礦8#煤層傾角小，工作面設(shè)計采用長臂布置。為了計算方便，對模型進(jìn)行部分簡化，模型上部覆蓋巖層采用施加應(yīng)力方法替代，模型長1 100 m、寬220 m（工作面斜長）、高576 m，8#煤層厚度6.3 m。通過分步開挖來模擬工作面受到采動的影響。每天開挖6 m，開挖后計算160 步，繼續(xù)開挖。根據(jù)礦區(qū)資料，此時已達(dá)到充分采動狀態(tài)，取已達(dá)到充分采動平衡狀態(tài)下的塑性區(qū)破壞深度作為模型底板采動破壞值。在數(shù)值模擬過程中，各地層巖石力學(xué)參數(shù)，見表1；沿x、沿y四個方向邊界施加位移限制（如圖1），使模型邊界水平方向不發(fā)生位移；沿z負(fù)半軸方向保持固定邊界；沿z正半軸方向維持自由邊界；頂部界面上施加應(yīng)力以替代部分松散層自重載荷。

圖1 數(shù)值模型示意圖

表1 數(shù)值模型巖石力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力分析

隨著工作面推進(jìn)，上被覆蓋巖層發(fā)生塌落，模型整體的復(fù)合應(yīng)力場被打破，應(yīng)力重新平衡分布導(dǎo)致采場圍巖周圍的復(fù)合應(yīng)力在工作面推進(jìn)方向和兩側(cè)分別形成了不同的集散壓力帶。由于底板圍巖強度有限，造成底板發(fā)生新的破壞。通過分析每次開挖后得出應(yīng)力分布圖，得出應(yīng)力分布規(guī)律。通過模擬得到煤層工作面應(yīng)力分布云圖，隨著煤炭開采生產(chǎn)活動進(jìn)行，應(yīng)力集中主要分布在工作面采空區(qū)兩側(cè)，垂直應(yīng)力沿工作面推進(jìn)方向呈現(xiàn)左右對稱分布，并且在采空區(qū)上部和下部形成應(yīng)力拱（如圖2）。水平應(yīng)力如圖3，沿工作面推進(jìn)方向呈對稱狀態(tài)，向工作面兩端上下分別延伸。

圖2 垂直應(yīng)力分布

圖3 水平應(yīng)力分布

3.2 底板破壞特征分析

煤層底板走向破壞呈對稱分布，應(yīng)力集中分布在工作面兩端，通過煤體傳達(dá)至煤層底板，巷道頂?shù)装搴蛢蓚?cè)圍巖受到擠壓產(chǎn)生變形，并向巷道內(nèi)部及下部方向發(fā)生破壞，對開采活動構(gòu)成威脅。

隨著工作面不斷推進(jìn)，煤層底板在剪應(yīng)力與張應(yīng)力等多種混合應(yīng)力疊加作用下發(fā)生破壞，當(dāng)煤層工作面推進(jìn)至150 m 時，底板兩側(cè)破壞開始下延（如圖4）。當(dāng)工作面開采活動推進(jìn)至180 m時，煤層底板破壞深度保持穩(wěn)定，不再隨著工作面寬度增加而變化，此時，煤層底板達(dá)到最大破壞深度25 m，最終趨于穩(wěn)定（如圖5）。當(dāng)工作面推進(jìn)至210 m 以后，由于工作面采寬的增加，上覆巖層在大面積混合應(yīng)力作用下破壞程度增加，部分區(qū)域發(fā)生離層、跨落，對采空區(qū)的破壞作用更加強烈，破壞范圍隨著工作面推進(jìn)而繼續(xù)擴大（如圖6）。

圖4 工作面推進(jìn)150 m破壞分布

圖5 工作面推進(jìn)180 m破壞分布

圖6 工作面推進(jìn)210 m破壞分布

當(dāng)工作面寬度推進(jìn)至240 m 時，雖然采寬明顯增加，但是破壞深度基本穩(wěn)定在25 m，并未隨著工作面推進(jìn)繼續(xù)增加（如圖7）。當(dāng)工作面寬度推進(jìn)至270 m時，破壞深度基本保持穩(wěn)定，破壞范圍繼續(xù)增大（如圖8）。

圖7 工作面推進(jìn)240 m破壞分布

圖8 工作面推進(jìn)270 m破壞分布

4 結(jié)論

（1）隨著開采活動進(jìn)行，應(yīng)力主要集中在工作面兩端，煤層工作面頂部以及底部均有應(yīng)力拱產(chǎn)生。

（2）FLAC3D數(shù)值模擬的結(jié)果表明，煤層開采工作面存在一個極限寬度。當(dāng)工作面寬度小于該極限寬度時，符合理論公式的預(yù)測，此時，工作面寬度和底板破壞深度保持線性關(guān)系。當(dāng)工作面開采寬度超出臨界寬度時，煤層底板開采破壞深度基本穩(wěn)定，破壞范圍持續(xù)增大。

（3）在塔山煤礦礦井水文地質(zhì)條件下，工作面極限寬度為210 m，底板采動破壞最大深度保持在25 m，與現(xiàn)場觀測結(jié)果基本一致。