劉宗族， 楊本水， 李小慶

（安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，合肥 230022）

煤層開采后覆巖肯定會發(fā)生移動與破壞，而覆巖破壞引發(fā)的冒頂事故和工作面突水事故占了煤礦各類安全事故總量的近半數(shù)［1－3］。現(xiàn)有采用數(shù)值模擬方法分析采動覆巖破壞特征的研究成果雖然很多，也為礦井水害防治提供了科學(xué)依據(jù)［4－7］。但隨著開采強(qiáng)度與開采深度的增加、開采方法的不斷發(fā)展，對覆巖破壞規(guī)律的研究也不斷提出新要求和新內(nèi)容。而且各礦區(qū)有著不同的巖相、巖性、巖石的共生組合、巖體結(jié)構(gòu)特征及其物理力學(xué)性質(zhì)。因此，對于每個礦區(qū)應(yīng)該具體分析其采動覆巖破壞特征。本文在分析了臥龍湖煤礦覆巖地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，對覆巖應(yīng)力特征和破壞高度進(jìn)行了研究，對保證礦井安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 工程概況

臥龍湖煤礦首采主采煤層8煤，平均傾角9°，為優(yōu)質(zhì)工業(yè)用煤，礦井目前實(shí)際生產(chǎn)能力100萬噸／年。由于主采煤層上方覆蓋8層砂巖含水層，特別是其上部厚30m左右的較穩(wěn)定的K3砂巖含水層，給8煤層的安全開采構(gòu)成了極大威脅。礦井首采8101工作面通過瓦斯抽采孔，將上覆的砂巖裂隙水導(dǎo)入井下，其最大涌水量達(dá)400m3／h，實(shí)測水量變化趨勢如圖1所示。

圖1 8101工作面出水實(shí)測水量曲線

2 FLAC3d數(shù)值模擬

2．1 FLAC3d簡介

FLAC3D是由美國Itasca公司開發(fā)的有限差分軟件，并在2002年更新為現(xiàn)在常用的3．0版本。FLAC3D是采用拉格朗日連續(xù)介質(zhì)法的有限差分軟件，對模擬塑性破壞和塑性流動采用的是混合離散法，這種方法比有限元法中通常采用的離散集成法更為準(zhǔn)確合理。FLAC3D將計(jì)算區(qū)域劃分為多個多面立體單元，每個單元在邊界條件的約束下按照指定的線性或非線性應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系產(chǎn)生力學(xué)響應(yīng)。FLAC3D程序主要是應(yīng)用于巖土工程應(yīng)中的巖石力學(xué)計(jì)算軟件，程序中內(nèi)置的多達(dá)12種應(yīng)對不同材料性質(zhì)的本構(gòu)模型，可計(jì)算巖土工程中各種復(fù)雜的巖石力學(xué)情況。從過程應(yīng)用的角度來講，巖石材料的本構(gòu)關(guān)系既要符合材料特點(diǎn)，又容易獲得模型中的物理力學(xué)參數(shù)，簡單實(shí)用。為此，模型計(jì)算選取 Mohr－Coulomb屈服準(zhǔn)則，并且不考慮塑性流動及剪脹。

2．2 建立模型

根據(jù)臥龍湖礦區(qū)巖層綜合柱狀圖，建立數(shù)值計(jì)算模型，通過巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，獲得各巖層巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)

臥龍湖煤礦8101工作面所在8煤平均埋深330m，煤層呈近水平，8煤厚度為1．9m，開采深度為320m。計(jì)算模型坐標(biāo)系采用三維直角坐標(biāo)系，x軸為傾向方向，y軸為走向方向，z軸方向?yàn)橹亓Ψ较颍Ｐ腿齻€方向尺寸為:傾向長260m、走向長300、豎直方向長200m。模型上界為k3砂巖含水層底部，煤層頂板厚度為167．4m，底板巖層厚度為30．7m，模型如圖2所示。

圖2 FLAC3D計(jì)算模型

場標(biāo)高取平均值330m，在模型頂部施加大小為3．9MPa的均布荷載代替153m的上部巖層壓力，無約束；下邊界垂直位移約束；四周垂直邊界水平位移約束。邊界條件設(shè)置見圖3。

圖3 邊界條件設(shè)置

3．3 模擬結(jié)果分析

工作面推進(jìn)時覆巖的變形破壞是一個漸變過程，隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)不斷增大，覆巖應(yīng)力不斷變化發(fā)展。為掌握其發(fā)生、發(fā)展規(guī)律，對開采過程進(jìn)行分階段模擬，分別模擬由開切眼向前推進(jìn)20m，60m，100m和160m時上覆巖層的破壞形態(tài)，對比不同進(jìn)尺下的破壞形態(tài)得出覆巖的破壞特征。

3．3．1 采動覆巖應(yīng)力特征分析

圖4和圖5分別為采動覆巖推進(jìn)到各階段時走向和傾向第一主應(yīng)力云圖。從圖中可以看出:煤層開挖后的覆巖應(yīng)力分布呈現(xiàn)的分區(qū)性明顯，第一主應(yīng)力為拉應(yīng)力的范圍隨著工作面的不斷向前推進(jìn)而不斷擴(kuò)大，最大第一主應(yīng)力也在不斷增大。走向主應(yīng)力兩頭逐漸變高，中間向下凹進(jìn)去，呈馬鞍型分布；而傾向主應(yīng)力高處的拉應(yīng)力較低處要稍大一些，拉應(yīng)力呈一頭高一頭低中間凹下去的馬背形，最大主應(yīng)力也較走向要大一些。累計(jì)進(jìn)尺20m、60m、100m、160m時走向最大主應(yīng)力 分 別 為 1．10MPa、1．49MPa、1．50MPa、1．50MPa，傾向最大主應(yīng)力分別為 1．18MPa、1．77MPa、1．77MPa、1．78MPa。推進(jìn)過程中的最大主應(yīng)力出現(xiàn)在累計(jì)進(jìn)尺160m時傾向上，為1．78MPa，接近直接頂泥巖的抗拉強(qiáng)度和粘聚力之和1．91MPa，說明直接頂泥巖出現(xiàn)了裂隙但是未完全垮落。

圖4 沿走向方向的第一主應(yīng)力云圖

圖5 沿傾向方向的第一主應(yīng)力云圖

圖6和圖7分別為采動覆巖推進(jìn)到各階段時走向和傾向垂直應(yīng)力云圖。覆巖內(nèi)走向垂直應(yīng)力從采空區(qū)后方到控頂區(qū)前方頂板拉應(yīng)力呈拋物線形分布，煤壁后方和開切眼前方壓力最大；傾向垂直應(yīng)力也是在兩側(cè)煤壁后方壓應(yīng)力達(dá)到最大，但下方煤壁后方壓應(yīng)力更大一點(diǎn)。隨著工作面的向前推進(jìn)，走向和傾向的采空區(qū)上方頂板覆巖應(yīng)力都由開始的壓應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力狀態(tài)，拉應(yīng)力范圍不斷增大，說明頂板拉伸破壞區(qū)不斷增大。

圖6 沿走向方向的垂直應(yīng)力云圖

圖7 沿傾向方向的垂直應(yīng)力云圖

3．3．2 采動覆巖塑性區(qū)分布

圖8和圖9分別為采動覆巖在推進(jìn)不同距離時的走向和傾向塑性區(qū)分布圖。從圖中可以看出:覆巖塑性區(qū)主要分布在開切眼處、煤壁處和采空區(qū)頂板中部的覆巖，傾向靠較高煤壁的破壞高度更大。采空區(qū)頂板覆巖從下向上，依次為拉伸破壞區(qū)、拉伸裂隙區(qū)、剪切破壞區(qū)和未破壞區(qū)。隨著工作面的不斷推進(jìn)，走向塑性區(qū)橫向跟隨工作面向前推進(jìn)，豎直方向開始向上發(fā)展，然后達(dá)到30m左右后保持穩(wěn)定；傾向塑性區(qū)豎直方向同樣逐漸向上發(fā)展，而橫向塑性區(qū)也不斷擴(kuò)大。

圖8 沿走向方向的覆巖塑性區(qū)分布圖

圖9 沿傾向方向的覆巖塑性區(qū)分布圖

由應(yīng)力分布及塑性破壞區(qū)范圍得到導(dǎo)水裂縫帶高度在工作面推進(jìn)至20m、60m、100m和160m時，走向分別為4．8m、16．2m、25．1m、28．5m，傾向分別為5．8m、15．6m、27．3m、31．0m，導(dǎo)水裂隙帶高度最大值為工作面推進(jìn)至160m時傾向的31m，離K3砂巖含水層尚有136m。

4 結(jié) 論

通過實(shí)例分析得到如下結(jié)論:

（1）8煤層開采過程中，煤層采空區(qū)上方沿垂直方向應(yīng)力分帶較明顯。覆巖頂板中部最大及最小主應(yīng)力都是拉應(yīng)力，以拉伸破壞為主，形成拉應(yīng)力破壞區(qū)，最大拉應(yīng)力為1．78MPa，接近直接頂泥巖的抗拉強(qiáng)度和粘聚力之和1．91MPa，說明直接頂泥巖出現(xiàn)了裂隙但是未完全垮落；走向上開切眼處、煤壁處和傾向上兩側(cè)煤壁處覆巖均以剪切破壞為主。

（2）8煤層開采后覆巖分布較廣的塑性區(qū)，導(dǎo)水裂隙帶高度隨著工作面推進(jìn)而不斷增大，并在工作面最終推進(jìn)至160m時達(dá)到最大值31．0m，離K3砂巖含水層尚有136m。

1 2000－2011年全國煤礦透水事故統(tǒng)計(jì)［EB／Ol］．http:／／wenku．baidu．com／view／dbe5f66b011ca300a6c390de．html．

2 張濤，王明曉，張斌，等．2001－2008年全國煤礦安全事故報(bào)告資料統(tǒng)計(jì)分析［J］．中華預(yù)防醫(yī)學(xué)雜志，2011，45（2）:177－178．

3 宣以瓊．安徽省煤礦水害防治現(xiàn)狀與對策［J］．煤礦安全，2010，427（5）:117－119．

4 楊本水．含水層下薄基巖淺部煤層控水開采技術(shù)與應(yīng)用［Z］．安徽建筑工業(yè)學(xué)院科研報(bào)告，2011．

5 張德萬．近距離高瓦斯煤層群首采工作面頂板裂隙發(fā)育規(guī)律研究［J］．安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，20（01）:25－28．

6 曹志強(qiáng)，楊本水．恒晉煤礦圍巖穩(wěn)定的模糊分析［J］．安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，20（01）:36－40．

7 劉增輝，楊本水．利用數(shù)值模擬方法確定導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度［J］．礦業(yè)安全與環(huán)保，2006，33（05）:16－19．