钱营孜煤矿首采区32煤采动顶底板变形破坏数值模拟研究

2016-09-18胡园园

西部探矿工程 2016年8期

关键词：采区岩层裂隙

胡园园

（安徽省煤田地质局第三勘探队，安徽宿州234000）

钱营孜煤矿首采区32煤采动顶底板变形破坏数值模拟研究

胡园园*

（安徽省煤田地质局第三勘探队，安徽宿州234000）

基于首采区的地质条件和模型的的设计原则，建立计算模型，对煤层采动顶底板的变性破坏进行模拟，并对煤层采动后的顶底板岩层应力场进行分析，确定破坏带的厚度，根据规范计算出导水裂隙带和冒落高度带的厚度，并和相邻矿井32煤层实测值进行比较，最终确定顶底板的破坏高度。它可为深入系统地研究首采区32煤层开采时破坏机理和突水条件提供依据。

钱营孜煤矿；导水裂隙带；冒落带

1　采区概况

1.1采区地质概况

钱营孜煤矿是安徽恒源煤电股份有限公司新建的矿井，其设计生产能力为180×104t/a。位于宿州市西南，中心位置距宿州市约15km。井田范围：东起双堆断层，西至南坪断层，南以27勘探线和F22断层为界，北至32煤层-1200m等高线地面投影线，面积为74.15km2。首采区位于钱营孜煤矿中南部，总体上为一走向近南北，倾向东的单斜构造，地层倾角一般为10°～15°。

1.2采区水文地质概况

在留设防水煤柱条件下开采32煤层时，新生界第四含水层（组）为间接充水含水层，是开采浅部煤层时的主要补给水源，采区直接充水水源为二叠系32煤层顶底板砂岩裂隙水。正常情况下太原组1～4层灰岩岩溶裂隙含水层（段）对开采32煤层无直接充水影响。采区内多数断层富水性弱，导水性差，但井巷工程施工穿过断层时，断层裂隙带水就会进入矿井，从而破坏地下水原来的平衡状态，使断层的导水性增大，若使主采煤层与富水层直接接触、沟通，就有可能产生突水。

2　32煤采动顶底板变形破坏数值模拟研究

2.1模型的建立

2.1.1模型的建立和范围

根据设计模型的原则和首采区的地质条件建立如下三维数值模型：开采方向沿煤层走向开采，计算模型的走向长x为300m，倾向宽y为200m，煤层厚度取3m，32煤层深度取采区-650m水平，角度为15°，模型高为253m。为消除左右边界的边界效应，将采空区放置在模型的中间，同时采空区两侧留取足够宽度的岩柱。如图1所示。

图1　数值模拟地下采煤三维模型示意图

2.1.2模型的屈服准则和物理参数的获取

从模型的应用来看，它既要符合材料特点，而且比较容易获得岩石的力学参数，简单实用。因此在本次对32煤开采底板破坏的模拟计算中采用摩尔—库尔准则，并且均不考虑塑性流动（不考虑剪胀），即：

式中：σmax、σmin——最大和最小主应力；

C、φ——材料的粘结力和内摩擦角；

σt（σtmax=）——抗拉强度；

模拟煤岩层物理力学参数的获取，是来自对首采区南北部井下34#和24#室内试验所获得的岩石物理力学参数指标（见表1）。

表1　模拟煤岩层物理力学参数表

2.1.3区域网格划分及初始条件

本次模拟模型的下部为倾斜岩层，上部为水平的第三系部分下组岩土层，其余按均布载荷处理，整个三维计算模型共划分若干个单元和节点。

由于上覆岩层结构复杂，模型周围的地应力场也很复杂。因此，在模拟时假设地层内各点垂直应力等于上履岩层的静压力，以此来描述原始应力场的描述。

模型的边界条件如下：

（1）应力边界：模型上部按至地表岩体的自重施加垂直方向的载荷，前后左右施加考虑应力梯度的水平等效地应力。

（2）位移边界：模型前后左右采用x、y方向固定；模型z方向上底部采用全约束边界条件，模型顶部采用自由边界条件。

2.1.4数值计算

本模型施加渐变内部应力，侧压系数设为0.338。模型顶部载荷为12.59MPa，底部底部为18.80MPa，垂向渐变系数为2.490。采用给定的工作面宽度按每20m步距进行分布开挖，计算循环至岩层稳定，每步均运算3000时步进行平衡，基本能接近稳定。

2.2模拟的结果及分析

在模拟区域推进的过程中对于顶板没有进行特别的支护，而是按照现场实际情况任其自行垮落，故在推进过程中顶板位置不可避免的也会产生应力集中，这对模拟的过程不产生影响。

2.2.1应力变化特征

（1）随着模拟与推进不同长度时，模拟区域中部沿走向和倾向岩层破坏区逐渐增大，垂直应力也发生重新分布，并且应力变化的范围也逐渐增大。

随着工作面的推进，煤层的不断向前开挖，采空区顶底板两侧的应力增高区范围和数值都在不断增大，但底板增大趋势不如顶板明显；采空区底板中部的应力下降范围也在不断发展，甚至逐步出现了拉应力，并且其拉应力范围在不断扩大。

（2）根据推进不同长度煤层采动应力变化特征分析。随模拟区域推进，区域两端煤柱应力逐渐增大，而底板应力减小，且卸载范围逐渐增大。同时底板应力调整程度与深度有关，随深度增加，底板应力降低幅度逐渐减小。随不同长度推进，煤岩层卸荷回弹量逐渐增大，影响深度也逐渐增加。

（3）当模拟区域向前推进至80m时，在推进前方和开切眼下部，底板岩层破坏深度最大，最大破坏深度为10m，与老顶初次来压期间相同；而在开采后形成的采空区下部岩层破坏深度相对较小，底板岩层基本上为拉剪混合破坏，顶板破坏深度约为12m；当工作面向前推进至100m时，底板岩层的最大破坏深度为12.5m。顶板的最大破坏高度为22m；当工作面向前推进100～150m，即开挖结束时，顶底板岩层继续破坏。当工作面推进到130m以后，底板岩层的最大破坏深度基本保持在15m，只是破坏的范围在增大，顶板的岩层破坏高度基本稳定在45.0m，只是破坏的范围在增大。

究其原因，应该是由于有较大范围的顶板岩层进入破坏阶段，由于顶板岩层向采空区的大规模运动，致使模拟区域后方冒落的岩石逐渐被压实，使得模拟区域前方支撑压力并没前者有大的增长，采空区内的垂直应力和水平应力有逐渐升高的迹象，顶底板岩层的破坏趋于稳定。

2.2.2破坏厚度的确定

模拟结果显示开采造成底板最大破坏深度基本保持在18m，同时，通过模拟计算得出走向模型的冒落带高度约14.80m，倾向模型的冒落带高度约13.60m，导水裂隙带高度约45.0m。

2.3规程规范计算两带高度

根据物理力学试验测试得出，首采区32煤层属中硬覆岩，根据《“三下”采煤规程》，选取中硬覆岩类型预计公式计算破坏高度。

冒落带高度计算公式见公式（2），导水裂隙带高度公式见公式（3）：

式中：Hm——冒落带高度，m；

Hl——导水裂隙带高度m；

∑M——累计采厚，m。

当采厚为3m时，计算得出：Hm=11.26m；Hl= 41.34m。

2.4顶底板破坏高度的确定

通过数值模拟与规程规范计算，考虑安全效应，按照最大值原则，最终得出底板破坏最大深度为18m，32煤层导水裂隙带的高度为45.0m，冒落带高度为14.8m，裂采比为15.0，冒采比为4.93。而相邻的祁东煤矿32煤层实测值冒高12.7～18.00m，裂高46～72.18m，冒采比5.68～6.80裂采比为15.3～28.1，两者相比较，本次模拟的结果具有一定的可靠性。