基于FLAC3D煤层底板采动破坏规律的数值模拟

靳利军，王欣欣*，张艳朋，王德勋

（1.山西大同大学煤炭工程学院，山西大同 037000；2.山西省地质勘查局二一七地质队有限公司，山西大同 037000）

我国重大矿井灾害[1]案例中，灰岩类岩溶水水害事故率为92.3%，降低灰岩型岩溶类突水水害事故率是矿井水害[2]工作的重点。华北型煤田[3]的基底多为奥灰陶纪碳酸盐岩，岩溶普遍发育特征多为含水性强、水头压力大。在矿山开采的过程中，经常伴有奥灰承压带突水水害的威胁[4]。随着矿区浅部煤层开采殆尽，矿井掘进深度逐步向下延伸，开采强度与技术要求不断提高，奥灰承压水害愈发频繁，仅在华北地区面临承压水害[5]的矿井就有230 多个，导致三分之一的煤炭开采受到影响。带压开采[6]相关课题中往往重视对底板破坏深度以及范围的分析，依据传统理论公式分析底板破坏深度与工作面宽为线性关系，但是结合现场观测结果表明破坏深度存在极限值，不会随着工作面推进而不断增大。因此，为了研究煤层底板扰动规律，以大同盆地塔山煤矿8号煤层为工程背景，运用三维有限差分计算机软件（FLAC3D）[7]对不同工作面宽度建立数值模型，通过分析底板塑性破坏分布范围，以期得出在该矿水文地质条件下煤层底板破坏分布规律，从而为避免承压水害以及带压开采评价提供依据。

1 研究方法

1.1 理论计算方法

依据对河北邯郸、峰峰、山东肥城等共计12个矿区以及22 个工作面现场观测的结果分析得出：底板采动破坏层的破坏深度与工作面宽度相关度最高。参照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》[8]中相关公式计算塔山4#、2#、3-5#、8#煤层底板采动后破坏深度值。仅使用工作面斜长做参数，底板采动破坏带深度h为：

h=0.7007+0.1079L

式中：L为壁式工作面斜长，m。

考虑采场深度、倾角以及工作面斜长时，则有：

h=0.0085H+0.1665α+0.1079L-4.3579

式中：H为煤层深度，m；α为煤层倾角，（°）。

可见，随着开采活动进行，工作面宽度逐步拓宽，底板采动破坏深度也随之增加。

1.2 数值模拟方法

FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua)是一款用于模拟土质、岩石等其他材料的混合力场发生下塑性流动及破坏的仿真计算软件。采用连续介质理论分析和显式有限差分方法分别进行理论分析，能够较为精确地模拟地质材料在达到最大屈服应力及最大极限破坏强度后产生塑形流动或破坏。

2 矿井地质条件及建模

2.1 矿井地质条件

塔山井田分布于大同煤田盆地中东部，总体呈现丘陵地形，井田地势分布呈现为西南方向高，向东北方向逐渐走低。矿区大部分地表被黄土泥岩覆盖，部分沟谷、山脊地区伴有少部分基岩出露。现矿区主要开采煤层为8#煤层，煤层伪顶板岩层由泥岩、碳质泥岩构成，厚度0.05～0.73 m。直接顶板由粉砂岩、泥岩、砂质泥岩、高岭岩以及高岭质泥岩构成。其间，分布有少量粗粒砂岩，厚度1.91～ 11.37 m，岩层结构较复杂。老顶由粗粒砂岩和细粒砂岩为主要成份构成，厚7.38～ 29.5 m。8#煤层平均厚度约为45.49 m，属于厚煤层，距奥灰顶约32.08～ 71.34 m，其主要岩性由砂岩、粉砂岩以及细粒砂岩构成，底部由山西式褐铁矿与部分杂色铝土质泥岩组成，其中粉砂岩、泥岩岩层厚度为14.77～ 55.43 m，占8#煤层底板厚度的46.04%～77.69%。本次模拟考虑到塔山煤矿8#煤层为最底部煤层，隔水层厚度最薄，距离奥灰含水层最近，8#煤层开采采动底板破坏深度最有可能波及底板奥灰含水层。因此，模拟以8号煤层工作面底板作为研究对象。

根据国内研究经验，影响煤层底板采动破坏的主要因素为工作面宽、埋藏深度、底板岩性，而工作面埋藏深度和岩层性质是定值，所以此次模拟主要考虑模拟不同工作面宽度情况下，8#煤层开采底板破坏特征。由于8#煤层尚无工作面布置，参照其他煤层工作面斜长作为8#煤层的计算工作面斜长，分别取工作面宽度为150、180、210、240、270 m 情况下煤层底板岩性塑性破坏区作为分析对象。

2.2 模型建立及相关参数

依据矿井水文地质资料建立地质模型，初始化各单元参数，首先保证各节点、单元的初始化平衡，赋予各层材料属性后，进行开挖计算。塔山煤矿8#煤层倾角小，工作面设计采用长臂布置。为了计算方便，对模型进行部分简化，模型上部覆盖岩层采用施加应力方法替代，模型长1 100 m、宽220 m（工作面斜长）、高576 m，8#煤层厚度6.3 m。通过分步开挖来模拟工作面受到采动的影响。每天开挖6 m，开挖后计算160 步，继续开挖。根据矿区资料，此时已达到充分采动状态，取已达到充分采动平衡状态下的塑性区破坏深度作为模型底板采动破坏值。在数值模拟过程中，各地层岩石力学参数，见表1；沿x、沿y四个方向边界施加位移限制（如图1），使模型边界水平方向不发生位移；沿z负半轴方向保持固定边界；沿z正半轴方向维持自由边界；顶部界面上施加应力以替代部分松散层自重载荷。

图1 数值模型示意图

表1 数值模型岩石力学参数

3 数值模拟及结果分析

3.1 应力分析

随着工作面推进，上被覆盖岩层发生塌落，模型整体的复合应力场被打破，应力重新平衡分布导致采场围岩周围的复合应力在工作面推进方向和两侧分别形成了不同的集散压力带。由于底板围岩强度有限，造成底板发生新的破坏。通过分析每次开挖后得出应力分布图，得出应力分布规律。通过模拟得到煤层工作面应力分布云图，随着煤炭开采生产活动进行，应力集中主要分布在工作面采空区两侧，垂直应力沿工作面推进方向呈现左右对称分布，并且在采空区上部和下部形成应力拱（如图2）。水平应力如图3，沿工作面推进方向呈对称状态，向工作面两端上下分别延伸。

图2 垂直应力分布

图3 水平应力分布

3.2 底板破坏特征分析

煤层底板走向破坏呈对称分布，应力集中分布在工作面两端，通过煤体传达至煤层底板，巷道顶底板和两侧围岩受到挤压产生变形，并向巷道内部及下部方向发生破坏，对开采活动构成威胁。

随着工作面不断推进，煤层底板在剪应力与张应力等多种混合应力叠加作用下发生破坏，当煤层工作面推进至150 m 时，底板两侧破坏开始下延（如图4）。当工作面开采活动推进至180 m时，煤层底板破坏深度保持稳定，不再随着工作面宽度增加而变化，此时，煤层底板达到最大破坏深度25 m，最终趋于稳定（如图5）。当工作面推进至210 m 以后，由于工作面采宽的增加，上覆岩层在大面积混合应力作用下破坏程度增加，部分区域发生离层、跨落，对采空区的破坏作用更加强烈，破坏范围随着工作面推进而继续扩大（如图6）。

图4 工作面推进150 m破坏分布

图5 工作面推进180 m破坏分布

图6 工作面推进210 m破坏分布

当工作面宽度推进至240 m 时，虽然采宽明显增加，但是破坏深度基本稳定在25 m，并未随着工作面推进继续增加（如图7）。当工作面宽度推进至270 m时，破坏深度基本保持稳定，破坏范围继续增大（如图8）。

图7 工作面推进240 m破坏分布

图8 工作面推进270 m破坏分布

4 结论

（1）随着开采活动进行，应力主要集中在工作面两端，煤层工作面顶部以及底部均有应力拱产生。

（2）FLAC3D数值模拟的结果表明，煤层开采工作面存在一个极限宽度。当工作面宽度小于该极限宽度时，符合理论公式的预测，此时，工作面宽度和底板破坏深度保持线性关系。当工作面开采宽度超出临界宽度时，煤层底板开采破坏深度基本稳定，破坏范围持续增大。

（3）在塔山煤矿矿井水文地质条件下，工作面极限宽度为210 m，底板采动破坏最大深度保持在25 m，与现场观测结果基本一致。