煤层两种顶板处理方式下底板突水数值模拟研究

张洋，包峻帆，刘浩，胡玉峰



煤层两种顶板处理方式下底板突水数值模拟研究

张洋，包峻帆，刘浩，胡玉峰

（河南省地质矿产勘查开发局第三地质矿产调查院，河南 信阳 464000）

为了研究工作面回采过程中顶板垮落填充处理与未垮落填充处理对底板水害防治效果的差异性，在详细分析研究区地质资料、采掘情况及相关图件的基础上，建立了研究区工作面数值模拟计算模型，采取顶板垮落填充及未垮落填充两种工作面回采顶板处理方式，在模型底板布置相应的监测点，记录工作面回采过程中底板应力及位移的变化，据此探究了两种顶板处理方式下底板应力场及位移场的变化规律，同时从塑性区发育、垂直位移、垂直应力及最小主应力4方面对比分析了两种顶板处理方式对底板突水的“贡献”程度，为工作面回采过程中制定底板防治水措施提供合理依据。

煤层顶板；数值模拟；计算模型；防治水措施

煤层底板突水是严重威胁煤矿安全生产的主要水害之一，它是承压水上煤层开采时，在采动矿压和承压水的共同作用下，煤层底板岩层变形破坏，导致产生承压水大量涌入采掘空间的现象[1]。开采实践证明，影响煤层底板突水的主要因素，是煤系底部灰岩强岩溶含水层承压水的富水性和水压力、底板隔水层的特征、地质构造、矿山压力及开采空间等，且各因素之间存在着复杂的动态关系。人们在对煤层底板突水机理及预测的研究中，相继提出了突水系数公式、下三带理论、原位张裂与零位破坏理论、薄板模型关键层理论等[2-3]。对底板突水模拟试验主要有相似材料模拟、数值模拟等方法[4-5]。随着开采深度、开采强度、开采速度、开采规模的增加和扩大，矿井突水问题也日益严重[6]，因此，加大对矿井水害及其发生机理的探索和研究，最大限度地减少矿井水害的发生意义深远。

本文在总结前人研究成果的基础上，选用FLAC3D数值模拟软件重点研究了顶板垮落填充与未垮落填充两种顶板处理方式下底板应力场、位移场变化规律及对底板破坏的差异性，探讨了两种顶板处理方式对底板突水的“贡献”程度，为底板防治水措施制定提供合理依据。

1 模拟条件及岩石力学参数

试验模拟对象位于某井田1101工作面，该工作面主要开采泥岩作为下方10煤层的保护层，工作面构造复杂程度为中等，地层倾角为28°，保护层泥岩平均厚度为5.1m。保护层底板含水层主要有底板砂岩含水层、太原组灰岩含水层及奥陶系灰岩含水层，底板隔水层岩性为砂泥岩互层，隔水层平均厚度为57.3m，隔水性能中等，但底板砂岩含水层是1101工作面突水的直接补给水源，对保护层泥岩开采影响极大。

图1 数值模拟模型图

借助FLAC3D数值模拟软件建立了1 101工作面数值模拟模型（图1），模型长宽高为1 200m×320m×323m，倾向方向为y方向，走向方向为x方向，垂直方向为z方向，共划分出253 440个单元，267 531个节点。

为了消除边界效应的影响，模型前后左右均留设了100m的保护煤柱，并采用零位移边界约束条件。模型顶部施加11.75MPa的载荷来模拟上覆岩层。数值模拟模型共划分了13个岩性组，分别赋予相应的岩层力学参数（表）。

数值模拟模型各岩层物理力学参数表

岩性类别体积模量（GPa）切变模量（GPa）粘聚力（MPa）内摩擦角（°）抗拉强度（MPa）密度（kg/m3） 细砂岩13.2211.128.17396.732800 泥岩10.559.386.24375.312700 10煤7.584.354.15212.671380 泥岩9.655.567.78383.422500 中砂岩10.286.225.16364.732600 细砂岩11.316.845.62353.482750 保护层泥岩8.114.885.14322.372550 泥岩9.757.365.44373.652500 粉砂岩10.066.874.22403.472700 中砂岩10.356.935.22343.812600 9煤7.324.333.68232.081380 泥岩10.428.796.12373.112450 8煤6.684.563.45223.171380

保护层泥岩开采一次全采高，自左向右开挖，开挖步距为200m，共分5步完成开挖，模拟过程中顶板采取垮落填充与未垮落填充两种处理方式，在距保护层泥岩左边界200m、400m、600m、800m及1 000m处分别设置监测点（图2），分别监测距底板6.5m、13.5m、23.8m、25.1m及45.1m 处底板应力及变形变化情况。

2 模拟结果及对比分析

保护层泥岩开采过程中，顶板无论采取哪种处理方式，受采动影响底板初始应力平衡均被打破，且在垂直方向的应力及位移也发生变化，破坏了底板的完整性，极易形成导水通道。本次研究从塑性区发育、底板监测点垂直位移、垂直应力及最小主应力变化4方面对比分析了两种顶板处理方式对底板破坏的差异及对底板突水的影响。

2.1 塑性区发育对比分析

依据模拟结果，得到了两种顶板处理方式下塑性区发育图（图3、图4）。

图2 底板监测点布置分布图

图3 顶板垮落填充处理塑性区发育

图4 顶板未垮落填充处理塑性区发育

据图3、图4可知，无论顶板采取垮落填充处理，还是未垮落填充处理，顶底板塑性区的最终发育高度均相差不大，但顶板垮落填充处理塑性区发育范围均被限制在相应的开挖步之内，没有出现塑性区的整体“贯通”，相对而言其对底板的破坏程度较顶板未垮落填充处理的弱些；顶板未垮落填充处理下的塑性区随着开挖的进行不断贯通发育，对底板形成连续的破坏，且没有垮落填充物的支撑作用，对底板的破坏相对较大。

2.2 垂直位移变化对比分析

保护层泥岩开采后，底板形成“下三带”分布趋势，受采动影响底板垂直位移发生变化，底板产生底鼓，因此开展两种顶板处理方式下底板垂直位移变化对比分析对底板防治水有重要意义。依据数值模拟各监测点垂直位移监测数据，绘制了两种顶板处理方式下底板垂直位移变化图（图5、图6）。

据图5、图6可知，两种顶板处理方式下底板垂直位移的变化趋势大致相同，随着工作面的推进，垂直位移均呈现先增大，再缓慢减小，最后趋于稳定。初始开挖时，由于工作面前方出现应力集中，垂直位移向下发展。随着工作面的推进，采空区底板应力得到释放，垂直位移向上发展，底板出现底鼓，并且最大底鼓量为51.23mm。顶板垮落填充处理下最终底鼓量较顶板未垮落填充处理最终底鼓量大约减小11.4%，主要是由于顶板垮落填充处理后，填充物对底板起到压实作用，促使底板岩层再次被压实，底鼓量变小。

2.3 垂直应力变化对比分析

根据模拟实验计划，模拟了工作面回采过程中各监测点底板垂直应力及应力云图变化情况（图7、图8），探究了各开挖步下底板垂直应力的变化规律，应力负值表示压应力。

图5 顶板垮落填充处理垂直位移变化

图6 顶板未垮落填充处理垂直位移变化

图7 顶板垮落填充处理垂直应力变化

图8 顶板未垮落填充处理垂直应力变化

图9 顶板垮落填充处理最小主应力变化

图10 顶板未垮落填充处理最小主应力变化

据图7可知，随着工作面的回采的进行，采空区底板的垂直应力呈现释放现象，应力释放后的垂直应力值约为初始值的24.75%。垂直应力值开始减小后增大，继而趋于稳定，呈现修正的“二次曲线”形。工作面两端出现应力集中，鉴于顶板垮落填充处理，底板受垮落填充物压实作用，底板的岩层重新被压实，减弱了对底板的破坏。

据图8可知，随着工作面的回采的进行，底板的垂直应力也出现释放现象，应力释放后的垂直应力值约为初始值的20.32%，底板趋于平衡的垂直应力值较顶板垮落填充处理垂直应力值小，主要由于相邻开挖步没有出现应力集中，达到新的平衡后，垂直应力值稍小些，表明顶板垮落填充处理底板的平衡垂直应力较大，底板岩层重新压实，提高了底板岩层的完整性，增强了底板抗水压的性能。

2.4 最小应力变化对比分析

在工作面回采过程中，最小主应力对底板的破坏具有较大影响，因此，对比两种顶板处理方式下各监测点底板最小主应力的变化情况，对研究底板完整性及抗水压性能有重要意义。依据数值模拟最小主应力监测数据绘制了两种顶板处理方式下底板最小主应力变化图（图9、图10）。

据图9、图10可知，两种顶板处理方式下底板最小主应力变化相差不大，随着工作面回采的进行，最小主应力均是先变小，最后趋于平稳，只是顶板垮落填充处理下底板最小主应力变化明显些，主要是由于顶板垮落填充后出现压实作用，且相邻开挖步出现应力集中。

3 结论

借助FLAC3D数值模拟软件模拟了顶板垮落填充处理与未垮落填充处理下底板应力场及位移场变化规律，从塑性区发育、垂直位移、垂直应力及最小主应力4方面对比分析了两种顶板处理方式对底板突水的影响，得出如下结论：

1）两种顶板处理方式下顶底板塑性区的发育趋势大致相同，但顶板垮落填充处理对底板的破坏程度较顶板未垮落填充处理的弱些。

2）两种顶板处理方式下底板垂直位移呈现先增大，再缓慢减小，最后趋于稳定，但顶板垮落填充处理对底板的破坏没有顶板未垮落填充处理的明显。

3）两种顶板处理方式下底板垂直应力值开始减小后增大，继而趋于稳定，呈现修正的“二次曲线”形。顶板垮落填充处理底板岩层被压实，底板抗水压性能比顶板垮落未填充有所增强。

4）两种顶板处理方式下底板最小主应力值没有明显差异。

[1] 王凯, 位爱竹, 陈彦飞, 俞启香. 煤层底板突水的突变理论预测方法及其应用[J]. 中国安全科学学报,2004,01:14-17+3.

[2] 张金才, 张玉卓, 刘天泉. 岩体渗流与煤层底板突水[M]. 北京: 地质出版社,1997:76～88.

[3] 王连国, 宋扬. 底板突水的非线性特征及预测[M].北京: 煤炭工业出版社,2001:1～5;126～136.

[4] 杨映涛, 李抗抗. 用物理相似模拟技术研究煤层底板突水机理[J]. 煤田地质与勘探, 1997,25(增):33-36.

[5] 冯启言, 杨天鸿, 于庆磊, 唐春安, 冷雪峰. 基于渗流-损伤耦合分析的煤层底板突水过程的数值模拟[J]. 安全与环境学报,2006,03:1-4.

[6] 孟召平, 高延法, 卢爱红. 矿井突水危险性评价理论与方法[M]. 北京:科学出版社,2011.

Numerical Simulation Study of Floor Water Inrush under Two Kinds of Roof Conditions

ZHANG Yang BAO Jun-fan LIU Hao HU Yu-feng

(No.3 Institute of Geological &Mineral Resources Survey, Henan Bureau of Geology and Mineral Resources, Xinyang, Henan 464000)

This paper has a discussion on the differences of roof caving filling and not caving filling in floor water prevention effects. A working face numerical simulation model is established based on the analysis of geological and mining conditions and related maps. Some floor water inrush control measures are put forward based on contribution of two kinds of roof treatments to floor water inrush.

roof caving; numerical simulation; calculating model; water inrush control measures

2018-04-23

张洋(1988-），男，河南信阳人，助理工程师，研究方向：地质矿产勘查与综合研究

P641.4

A

1006-0995（2019）01-0093-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2019.01.022