郭村井田煤层底板采动破坏规律数值模拟研究

摘要： 研究本矿井煤层底板岩体采动影响特征是研究煤层底板突水的前提条件，确定开采后底板破坏带或底板裂隙带尤为重要，为回采前采取相应的防治水措施提供依据。本文通过采用FLAC3D数值分析方法来模拟研究郭村井田工作面回采过程中底板应力场、变形破坏特征及其影响因素，更切合实际地对郭村井田二1煤层采动过程中底板破坏进行研究，并发现其破坏规律。

Abstract： Study on the influence of mining feature is the premise condition on water iush from coal floor of the coal seam floor rock after mining， to determine the breaking zone or floor crack zone is particularly important， and it will provide the basis for water prevention measures before mining. This paper uses FLAC3D method to conduct numerical simulation research on bottom stress field， deformation and failure characteristics and influencing factors in the mining process of Guocun field to more practically study the coal seam floor in Guocun field 2-1 coal mining process and find the failure rule.

关键词： 煤层底板；采动破坏；FLAC3D；数值模拟；防治水

Key words： floor of coal seam；mining damage；FLAC3D；numerical simulation；water control

中图分类号：TD325 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）18-0310-02

0 引言

郭村煤矿位于河南省西部偃师市偃师-龙门煤田中部，嵩山背斜北翼，总体倾向北，为一单斜构造，地层倾角平均18°，构造复杂程度为中等。水文地质条件中等偏复杂，受底板奥陶、寒武系岩溶裂隙水威胁。矿区面积16.7km2，仅山西组二1煤层为可采煤层，平均厚3.2m。掌握郭村井田底板采动破坏规律对矿井水害防治工作尤为重要。

1 煤层底板岩体采动破坏特征

开采煤层后就形成了采空区，采空区会导致煤层以及周围岩体的原始应力发生便会而形成附加应力，当附加应力大于原始应力时就会形成集中应力区，当小于原始应力时就会形成低应力区，其作用的结果反映了采动的影响情况。

受到采动的影响，底板的岩体会产生移动变形、裂缝并且形成连通性导水通道即底板受到采动导致的破坏性影响。当含水层受到采动破坏影响时，采煤工作面就会由于发生突水而威胁其安全生产，甚至会造成淹面以及淹井的危险。因此，研究煤层底板的突水情况必须先要研究底板岩体受采动影响的规律。为了给回采前的防水措施提供可靠的依据必须确定底板的破坏带或底板的裂隙带。在对郭村井田工作面的回采过程进行模拟研究中采用FLAC3D数值分析方法来确定底板应力场、变形破坏特征以及其影响因素的规律等。

2 FLAC3D软件数值模拟

2.1 FLAC3D基本功能 在国外的工程地质、岩土力学以及矿业工程等研究领域已经广泛应用FLAC3D软件，尤其是它所采用的显式拉格朗日快速算法，特别适合模拟大变形和扭曲，由于使得计算结果趋于准确，因此FLAC3D为解决三维地质工程问题提供了强有力的支持。

2.2 计算模型设计 本次模拟为仿真模拟。是根据郭村井田1303工作面情况，工作面回采走向长320m，倾向斜长120m，煤层倾角20°，本次模拟选取整个工作面进行数值模拟，最终确定的计算模型范围：水平方向沿煤层走向X长440m，垂直煤层走向方向Y取250m，铅直方向Z取100m即最终形成的模型长×宽×高为：440×250×100m。经单元划分，形成计算网格，共计153510个区带，162448个节点。本次计算采用三维应变模型模拟应力场数值，而本构关系采用Mohr-Coulomb（摩尔一库仑）准则。依次开采模拟的工作面并观察其达到平衡后的位移、应力以及塑性破坏的情况，应当注意的是原岩应力为静应力场，岩层为连续介质。数值模拟所需的煤岩层力学参数来自《郭村煤矿二1煤层储量核实报告》，如表1所示。

2.3 计算方案确定 研究煤层的开采问题主要包括煤层底板的破坏范围、破坏深度、采动底板的位移分布特征以及采动底板的应力分布特征。煤层开采后会使其重新达到新的应力平衡状态，这是因为开采煤层打破了围岩中原有的平衡而导致围岩应力进行重新调整造成的。本次主要研究分析了郭村井田1303工作面在不同的开采阶段以及不同的破坏状态下的工程地质特征以及开采技术条件的数值。

通过对比多套方案，本次模拟最终采用开采长度320m，工作面倾斜长度120m，模型上边界按至地表岩体的自重施加垂直荷载9.27MPa。距离煤层底板30m深处施加水压力2.5MPa。具体计算过程如下：①工作面采用分步回采，每步回采20m，累计回采16步，共完成进尺320m；②监测底板的深度分别为：1m、5m、10m、15m、20m、25m；③沿工作面倾向长度每30m监测底板情况。

3 数值模拟结果及分析

此计算模型的分步模拟一共是16步，每步长20m，共回采了320m，通过模拟计算得到了每步回采的应力和位移的变化情况：应力主要包括最大应力、最小应力以及垂向应力；位移主要包括顶底板位移，此外还得到了回采过程中塑性破坏区的变化情况。本次主要是研究煤层底板45m范围内在采动影响下的底板的变化情况，主要是通过回采过程中的应力分布情况以及塑性破坏状态进行研究的。

3.1 岩体的初始应力状态 在回采过程的模拟中为了活动模型的初始平衡状态，通常要初始化网格顶点的位移然后在模拟回采过程。在分析工程响应时必须进行工程回采或者改变边界条件，这个过程与FLAC3D的显式有限差分程序的问题求解过程相似，程序会自动的进行下一个运算过程。达到平衡的状态是在每次回采过程中两步间的应力差值为回采后第一、第二步差值的0.001%，达到平衡后保存回采的结果然后进行下一步回采。总工用了2098步完成了回采前的计算到平衡状态的过程，总工用了76504步完成了16步回采达到了平衡状态。

3.2 采动过程底板垂直应力及塑性状态分布规律 应力随着工作面的采动进行而发生重新分布，同时煤层的顶底板也发生了相应的塑性破坏，通过数值模拟老顶初次来压出现在回采20m的工作面，然后在出现稳定状态，最后结束整个回采过程。图1为终采时沿着整个工作面的走向（下出口附近）剖面图。

底板塑性破坏区分析：根据工作面不同时步回采的垂直应力及塑性破坏区域图可以分析得出，煤层的底板破坏深度以及底板压力都随着老顶初次来压而急剧增长，煤层底板的最大破坏深度此时能够达到10.50m。工作面的破坏程度中间位置低于上下出口处，并且下出口附近的破坏深度大于上出口附近。此时，底板的破坏呈现W型状态分布，并且底板的破坏深度随着回采过程的进行也在逐渐加大。当工作面推进80m时底板的最大破坏深度为13.50m；当工作面推进到120m是底板的最大破坏深度为14.25m，并且其破坏形式仍旧呈现W行分布。通过对回采过程中垂向应力的分析，整个结构在工作面回采到120m以后基本达到了一个稳定的状态。由于塑性破坏的状态与应力分布存在一定的对陈冠希，因此，底板的最大破坏深度也在回采到120m后达到了一个基本稳定的状态。但是在工作面终采时底板的最大破坏深度有加大的趋势，在工作面终采位置后方25m、距离下口19.35m的位置处，其最大破坏深度为14.75m。着说明底板的最大破坏深度在整个回采过程中发生的停采线附近。

3.3 采动过程底板岩体位移变化规律 煤层的底板随着工作面的推进经历压缩、膨胀以及恢复三个阶段，并且随着工作面的推进这三个阶段是重复出现的。增压区为压缩区，卸压区为膨胀区，因此煤层底板的位移与应力的变化规律都有很好的对应关系。根据数值的模拟结果在工作面后方25～70m范围内底板出现最大膨胀区，因此这个区域是底板破坏的严重区域；在煤层的垂直层面方向上距离采空区越远底鼓值就越小；在下出口附近即压缩区与膨胀区交界处的煤层底板的破坏深度值最大，这主要是由于底板岩体产生剪切变形而发生剪切破坏导致的。

3.4 采动过程超前支撑压力变化规律 在煤层的开采过程中，由于停采线附近的煤壁压力减小而导致了沿工作面走向的前方煤壁内产生了超前支撑应力。经过综合分析，工作面前方的超前支撑压力的影响范围大约是35m，18m范围的影响最大最显著，在工作面前方5m的位置出现了超前支撑大约38Mpa左右的压力峰值。

工作面前方的煤层底板由于受到超前支撑应力的影响产生压缩变形，而煤壁后的采空区底板由于卸压而发生底鼓，这样处于压缩区与底鼓区交界处的底板就会容易发生剪切破坏。通过分析整个回采过程我们发现，超轻支撑的压力沿着推进的方向而增大，这说明对底板破坏影响较大的是采动过程中的动态压力。

4 结语

采煤工作面及围岩应力分布具有复杂状态，通过应用FLAC3D数值模拟不同回采时步的方法，综合分析垂向应力、塑性状态破坏、垂向位移以及超前支撑应力得出应力集中的部位是工作面的上、下出口的煤壁内，而应力集中最严重的部位是下出口的煤壁处，这表明工作面的下出口附近是出现最大破坏深度的位置，获得了最大破坏深度的模拟值h1=14.75m，并揭示了回采过程中煤层底板的破坏规律，对研究煤层底板突水规律及确定水害治理措施有较大意义。

参考文献：

[1]王志光，郝青山.煤层底板破坏规律的数值模拟研究—基于FLAC3D技术[J].能源与节能，2012，12.

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