三元福达煤矿15号煤层上覆岩层破坏规律的模拟分析

郝振宁

(山西三元福达煤业有限公司，山西 武乡 046300)

煤层开采后，上部岩层在自重的作用下，引起上覆岩层的变形、移动与破坏，并渐次向上发展，在顶板中自下而上形成垮落带、裂隙带和弯曲下沉带。因此可基于采动覆岩破坏、断裂机理，通过分析采空区顶板断裂、离层、下沉、裂隙分布及延伸特性，为确定开采上限、瓦斯高位钻孔终孔层位、采煤工艺及参数等工作提供帮助。

1 工程背景

山西三元福达煤业有限公司位于山西省武乡县，是一个兼并重组矿井。矿井设计可采储量2 631.8万t，服务年限为17 a.三元福达煤矿目前主采15号煤层，本煤层为全井田稳定可采煤层，位于太原组底部，煤层厚度3.70～4.97 m，平均4.49 m，含1～4层泥岩及炭质泥岩夹矸，埋藏深度220～400 m，煤层倾角2～14°，平均普氏硬度系数0.96.煤层直接顶多为泥岩、砂质泥岩，普氏硬度系数2.8～3.7，基本顶为粉砂岩、细砂岩，普氏硬度系数6.9～10.1.

15号煤层为黑色、灰黑色，强玻璃光泽-金刚光泽，具节理，发育阶梯状、棱角状断口，有一定韧性，中条带状、线理状结构，块状或层状构造，裂隙不发育。

煤样“应力-应变”曲线图、煤样强度曲线图如图1和图2所示。15号煤层试样物理性质、力学性质及抗剪切强度如表1、表2和表3所示。

图1 煤样应力-应变曲线图

图2 煤样强度曲线图

表1 15号煤层试样物理性质

表2 15号煤层试样的力学性质

表3 煤样抗剪切强度测试结果

2 FLAC3D简介

FLAC3D是FLAC软件在三维层面的补充和拓展，进一步实现了更贴近现场，更深层次的应力分析，对于求解地下采场、深基坑、隧道、边坡等的应力分析有了进一步的突破，可以通过具体的模拟参数确定相应的操作指令，得到对应的数据模型，方便数据模拟，同时FLAC3D软件提供多样化的材料力学模型，可以切实反映出现场力学变化行为，通过动力、静力、渗流、蠕变、温度等5种计算模式，实现多模式化整合分析，高效模拟出工作面现场断层、陷落柱、不连续地质面等地质现象及锚杆(索)、木桩、钢架梁等支护方式。

3 模拟模型建立及分析

根据15号煤层试样物理性质、力学性质及抗剪切强度建立相应FLAC3D模型，通过分析上覆岩层破坏形成的塑性区可以揭示工作面开采后顶板岩层破坏规律，如图3、图4、图5和图6所示，为塑性区形成及发展过程，反映了不同推进距离覆岩塑性区的发育情况。

图3 工作面推进10 m沿走向和倾向塑性区分布

图4 工作面推进30 m沿走向和倾向塑性区分布

图5 工作面推进50 m沿走向和倾向塑性区分布

图6 工作面推进60 m沿走向和倾向塑性区分布

通过分析图3至图6，在15号煤层工作回采的开始阶段，直接顶上方存在部分拉伸破坏，程度较轻，再往上的破坏形式以剪切破坏和剪拉组合破坏为主，塑性区高度达18.5 m；随着工作面的推进，拉伸破坏的区域呈扩大趋势，直接顶往上部分的剪切破坏和剪拉破坏的区域也呈现扩大趋势，随着回采进行至30 m的时候，顶板拉伸破坏高度为12 m，倾向塑性区的分布高度为46 m，顶板拉伸及剪切裂隙大范围发育，工作面顶板断裂及垮落，从而产生初次来压，工作面回采至50 m和60 m时，塑性区的高度分别为64.5 m和67 m，塑性区在垂直方向上发展趋于稳定。

4 结 语

1) 三元福达煤矿15号煤层工作面在回采期间的沿走向和倾向塑性区分布呈现横向类似对称，在发展趋于稳定时，形成两端高、中间低的模型对称分布，破坏范围在采空区中央分布范围要低于边界分布范围，破坏最高点位于开采边界内，主要因边界煤柱的存在，覆岩岩体位于拉压应力区，使其上部破坏范围较大一些。

2) 三元福达煤矿15号煤层工作面剪切破坏主要分布在塑性区的上方，伴随着工作面回采推进，其分布范围呈现抛物线形发育，说明工作面回采初期以剪切破坏为主，随工作面推进，裂隙逐步发育，进而发展为以拉伸破坏和剪拉破坏分布为主。

3) 三元福达煤矿15号煤层工作面塑性区的分布在垂直方向上具有明显的分区特征，自煤层顶板由下而上，依次为拉破坏区域、剪拉破坏区域、剪切破坏区和未破坏区域。拉破坏区域对应于垮落带(0～12 m).由于弯曲下沉带底部岩层产生塑性变形，局部发生剪切破坏，因此裂隙带包括剪拉破坏区域和部分剪切破坏区，裂隙带高度为48.5～64.5 m，平均56.5 m.