煤层底板采动变形破坏规律的数值模拟研究

2018-08-15陈四宝张缓缓叶永芳

西部探矿工程 2018年8期

陈四宝，张缓缓,叶永芳

（江西省煤田地质局二二四地质队，江西新余336600）

煤层开采后，底板岩层的原始应力状态遭到破坏，围岩会因失去支撑而向采空区内逐渐移动、弯曲和破坏，使得底板岩层破坏，形成裂隙或者原生裂隙发生扩展，容易发生突水。而破坏深度的大小是评价底板突水性的重要指标之一。

河边煤矿目前主要开采4#、5#、9#煤层，下一步计划开采12号煤层，因12号煤层距离下部茅口灰岩较近，因此需要对12煤层开采后底板破坏深度进行研究，以分析茅口灰岩含水层突水的可能性，从而为是否开采12煤层提供资料，或者为防水煤岩柱留设提供依据。

1 12煤层概况

根据以往补充勘探资料，河边煤矿12煤位于二叠系煤系地层P3l底部，距离10煤层21.96～32.82m，平均28.82m，煤层全层厚度0.79～3.74m，平均1.85m；采用厚度0.79～3.15m，平均1.57m；含0～4层夹石，一般0～2层夹石，岩性为泥岩。面积可采率100%，变异系数53.1，稳定系数18.4。属全区可采、较稳定煤层。

2 12煤层开采底板破坏规律模拟

模拟模型尺寸设为200m×100m×100m。根据模型的几何尺寸划分计算网格，模拟所需岩体物理力学参数见表1，建立数值计算模型。根据江西省煤田地质局二二四地质队已施工钻孔，12煤层埋深460m，模型上边界埋深为387.5m，按至地表的岩体自重施加应力载荷（σz=γH ，γ取上覆岩层的加权平均），即10.88MPa，测压系数为0.33。模型边界条件为：底部边界采用全约束边界条件，即X、Y和Z方向位移均为零；左右边界、前后边界为约束边界条件，即X方向、Y方向均固定（水平位移为零），Z方向为自由边界，不予约束，地质模型如图1所示，剪切模量和体积模量可由弹性模量和泊松比计算得到，计算公式如下：

式中：K——体积模量，GPa；

G——剪切模量，GPa；

E——弹性模量，GPa；

υ——泊松比。

根据现场勘探ZK704钻孔实测岩层倾角为15°，12煤层厚1.06m，假设开采的初次来压步距为20m，拟定开挖2步。随煤层的不断开采，塑性破坏及其应力状态见图2～图5。

图2、图3为煤层开挖过程中破坏区范围的变化。随着12煤层的不断开采，以采空区为中心的破坏区范围在不断扩大。当煤层开挖40m时，可以看出底板的塑性破坏范围基本达到一个稳定状态，形成稳定的拉伸破坏与剪切破坏区域；顶板的塑性破坏范围在进一步向上扩展。整个模型的底板破坏呈现一种稳步向前推进的状态，从图3中可以得出底板塑性破坏深度大致在8m左右。

图4、图5为煤层开挖过程中垂直方向的应力变化云图。随着12煤层的不断开采，煤层顶底板岩层为达到新的应力平衡，垂直应力会呈现出明显的重新分布现象。从图中可以得出，煤层采动底板的应力重分布体现出了一定的规律性，在每一步的开挖中，采空区正下方位置处应力值最小，两帮出现应力集中现象，这也导致底板两侧位置产生变形破坏，形成压、剪破坏区；当整个过程达到稳定时，应力的最大值在煤壁前后方，最大数值达19.659MPa；最小值始终在采空区底板下方位置。

表1 模型参数

图1 地质模型

3 12煤层开采底板隔水层厚度分析

图5 开挖40m垂直应力图

根据目前江西省煤田地质局二二四地质队进行的河边煤矿扩界勘探已完工的ZK604、ZK506、ZK707、ZK706、ZK902、ZK704、ZK705、ZK802孔12煤层底板与下部茅口灰岩距离统计情况（见表2）得知，12煤层底板至茅口灰岩顶板之间的岩性为泥岩、泥质粉砂岩及铝土岩，均可作为隔水层，其间距在2.05～7.54m，平均4.805m。