張小波

（同煤集團(tuán)挖金灣虎龍溝煤業(yè)有限公司，山西大同，037000）

關(guān)鍵字：底板突水；破壞規(guī)律；數(shù)值模擬

0 引言

在煤炭消耗比增大的情況下，地質(zhì)條件簡單和較簡單的資源逐步開采殆盡[1,2]。開采逐步向復(fù)雜構(gòu)造轉(zhuǎn)進(jìn)。在開采向復(fù)雜地形轉(zhuǎn)進(jìn)過程中會遇到諸多困難和安全問題，如煤層走向復(fù)雜、工作面傾角大，底板突水等。礦井底板突水對于煤炭資源開采影響比較嚴(yán)重，特別是奧陶系灰?guī)r含水層突水，是目前比較常見的底板突水現(xiàn)象，其具有水壓高、水量大等特點[3]。不僅對礦山資源開采影響較大，而且也造成水資源的極大浪費。根據(jù)某機(jī)構(gòu)詳細(xì)數(shù)據(jù)顯示，到目前已經(jīng)探明的我國受底板突水影響的煤炭資源儲量高達(dá)250億t，如放棄開采會導(dǎo)致煤炭資源嚴(yán)重浪費，如進(jìn)行開采就會遇到底板水害危險，提高煤炭資源采出率，帶壓開采是主要途徑之一。但在帶壓開采下受承壓水向上的壓力底板會發(fā)生破壞。因此，本文以數(shù)值分析的方法來對帶壓開采下底板破壞規(guī)律進(jìn)行研究[4-5]。

表1巖土體物理力學(xué)指標(biāo)

1 工程概況

挖金灣虎龍溝煤礦類屬于山西省大同煤礦集團(tuán)挖金灣虎龍溝煤業(yè)有限公司。該礦位于大同市西南約37 km，朔州市懷仁縣鵝毛口鎮(zhèn)西約1.2 km處，距大秦鐵路線配套工程-南窯集運站11 km，其間均有公路相通，交通條件十分便利。礦井位于大同煤田西南，南為柴溝煤礦，東與塔山井田相鄰，煤礦井田面積12.21 km2，可采煤層為石炭系5#、8#煤層，目前正在開采5#煤層，礦井保有儲量16 608萬噸，可采儲量為9 345.5萬噸，設(shè)計產(chǎn)能為120萬t/a，服務(wù)年限55年，目前礦山開采煤層所遇斷層為F4斷層，也是相對隔水邊界斷層，奧陶系灰?guī)r含水層距現(xiàn)行開采煤層平均厚度為22.6 m，現(xiàn)在奧灰水向東南方向流動，補(bǔ)水強(qiáng)度較大，當(dāng)遇到底板厚度較小時就容易發(fā)生突水現(xiàn)象。

2 數(shù)值模型建立及結(jié)果分析

2.1 數(shù)值模型建立及數(shù)據(jù)設(shè)置

根據(jù)礦上實際地質(zhì)資料和巖石物理力學(xué)參數(shù)（見表一）建立模型，模型的長、寬、高分別為280 m、250 m、149.95 m，其中：5#煤層厚度為13 m，工作面長度為250 m，采掘長度為180 m，開采方法為一次采全高放頂煤開采，開采工作面推進(jìn)方向為從右向左依次推進(jìn)。由于煤層開采下模型會發(fā)生邊界效應(yīng)，因此，在模型的四周各留50 m的保護(hù)煤柱，而在模型底部和兩側(cè)都設(shè)置位移約束條件。模擬時采用加載荷的手段施加力到模型的頂部，大小為5.8 MPa；整個模型物理場的下部都是含水層，壓力為1.5 MPa，因本論文只研究在礦壓和水壓的作用下底板的破壞規(guī)律，因底板水壓實現(xiàn)比較困難，故本文采用向模型底部施加向上的壓力來代替底板承壓水的壓力。本次模型共劃分46 200個單元，50 518個節(jié)點，采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型。具體模型見圖1所示。

圖1數(shù)值模型圖

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 垂直應(yīng)力分析

根據(jù)已建立的挖金灣虎龍溝煤礦81511回采工作面5#煤層開采模型，進(jìn)行模擬計算，在開采推力、上覆巖層重力、及底板承壓水向上擠壓的作用下模型計算達(dá)到初始平衡后，得到圖2（a、b、c、d）分析圖。

圖2工作面不同采掘長度垂直應(yīng)力分布圖

圖2中（a）（b）（c）（d）為工作面向前推進(jìn)30 m、60 m、120 m、180 m的應(yīng)力分布圖，從圖中可以看出在開采工作面向前推進(jìn)下，工作面底板裸露面積也在不斷擴(kuò)大，受上部煤層開采后的影響，底板下方承壓水的壓力在不斷向上加大，從而使得底板壓力也在不斷加大，且逐步發(fā)生破壞現(xiàn)象，在底板發(fā)生破壞下，底板應(yīng)力發(fā)生釋放，從而使得垂直方向的應(yīng)力逐漸呈層狀分布，且應(yīng)力分布由開采工作面表面逐步向底板下方減弱，形成應(yīng)力真空和衰減區(qū)域，而對應(yīng)應(yīng)力真空和衰減的底板巖石受向上的承壓力作用，也會不斷形成破壞。在工作面繼續(xù)向前推進(jìn)下，衰減區(qū)域會逐步加大，底板下方承壓水向上的壓力會逐步加大，如遇導(dǎo)水裂隙和走向比較淺的巖層會發(fā)生承壓水向上噴發(fā)，對工作面的安全生產(chǎn)會造成影響。

從上圖2（b）可以看出，雖然在工作面向前推進(jìn)下，應(yīng)力釋放區(qū)域也在不斷在擴(kuò)大，但當(dāng)開采工作面推進(jìn)到60 m時，位于采空區(qū)中部出現(xiàn)正的垂直應(yīng)力，主要是因為集中應(yīng)力使下方底板形成壓縮破壞，壓縮破壞后底板巖石的體積變大。即隨著開采工作面不斷向前推進(jìn)，位于底板巖石會不斷發(fā)生破壞，形成新的破壞巖石堆，相對于沒有開采的區(qū)域而言，開采過后的采空區(qū)底板在向上的承壓水?dāng)D壓下更易發(fā)生破壞和碎裂，即形成膨脹。由圖2（d）在開采工作面向前推進(jìn)至180 m時，底板裸露范圍持續(xù)擴(kuò)大，底板受下方承壓水向上的壓力逐步由之前的0.6 MPa增大到1.5 MPa，如繼續(xù)向前推進(jìn)極有可能會發(fā)生大面的承壓水向上噴發(fā)現(xiàn)象發(fā)生，因此終止開采。

2.2.2 垂直位移分析

根據(jù)已建立的挖金灣虎龍溝煤礦81511回采工作面5#煤層開采模型，對模型進(jìn)行計算，在水平推力和底板承壓水向上擠壓力下模型計算達(dá)到初始平衡后，得到圖3（a、b、c、d）分析。

圖3為工作面不同采掘長度下垂直位移分布圖，從上圖可以看出在開采作面推進(jìn)至30 m時，在工作面推力及底板下方承壓水向上的推力作用下，位于采空區(qū)正上方的覆巖和正下放的底板逐漸發(fā)生了破壞，其中位于采空區(qū)上部的覆巖逐步發(fā)生向采空區(qū)下方的沉降，采空區(qū)下方的底板受承壓水的擠壓力逐步發(fā)生向采空區(qū)方向的隆起。隨著工作面繼續(xù)向前推進(jìn)到60 m時，由于采空區(qū)的范圍逐步擴(kuò)大，上覆巖層向下沉降現(xiàn)象明顯持續(xù)加大，而底板向上隆起現(xiàn)象也更加明顯。隨著采掘工作面繼續(xù)向前推進(jìn)至120 m時，采空區(qū)上部的覆巖沉降現(xiàn)象明顯繼續(xù)加大，而底板在向上推力的作用下破壞區(qū)域也在持續(xù)加大，破壞區(qū)域基本形成了片區(qū)，整體發(fā)生向上抬起的破壞狀況，隨著工作面繼續(xù)向前推進(jìn)到180 m時，在采掘推力和地板下方承壓水的擠壓下，底板破壞現(xiàn)象繼續(xù)發(fā)展，此時底板向上最大的抬起值為0.14 m，若繼續(xù)向前開采，極有可能會發(fā)生底板大面積破壞，致使下方承壓水向上噴出，影響工作面安全開采。因此，開采終止。

2.2.3底板塑性破壞區(qū)域分析

根據(jù)已建立的挖金灣虎龍溝煤礦81511回采工作面5#煤層開采模型，對模型進(jìn)行計算，在采掘推力和底板承壓水?dāng)D壓下模型計算達(dá)到初始平衡后，得到圖4（a、b、c、d）塑性破壞分布圖。

由圖4不同采掘長度下塑性破壞區(qū)分布圖可知，在工作面開始回采后，采掘工作面四周的原巖應(yīng)力發(fā)生破壞，煤層底板發(fā)生拉伸破壞，破壞深度的范圍及深度均隨工作面推進(jìn)逐漸增大，在采掘工作面推進(jìn)到30 m時，底板含水層位置發(fā)生塑性破壞，但破壞程度和區(qū)域范圍不大。隨著采掘工作面不斷向前推進(jìn)，塑性破壞的深度及范圍也在不斷擴(kuò)大，從而會使承壓水逐步向上移動，發(fā)生滲流現(xiàn)象。在工作面推進(jìn)到120 m時，最大破壞深度達(dá)到11 m左右，隨著工作面繼續(xù)向前推進(jìn)至180 m時，底板破壞深度將逐步穩(wěn)定不再發(fā)生變化，形成區(qū)域平穩(wěn)現(xiàn)象。

3 結(jié)論

（1）在采掘工作面向前推進(jìn)下，隨著能量的釋放，底板在下方承壓的擠壓力下逐步由之前的0.6 MPa增大到1.5 MPa，底板破壞也在不斷加大，主要破壞形式為向上的隆起現(xiàn)象。

（2）在采掘工作面向前推進(jìn)下，隨著采空區(qū)范圍的不斷擴(kuò)大，在采掘推力和地板下方承壓水的擠壓下，底板破壞逐步形成了片區(qū)，直到工作面推進(jìn)到180 m時，底板向上最大的抬起值為0.14 m。

（3）在采掘工作面向前推進(jìn)下，塑性破壞的深度及范圍也在不斷擴(kuò)大，從而會使承壓水逐步向上移動，發(fā)生滲流現(xiàn)象，當(dāng)工作面繼續(xù)向前推進(jìn)至180 m時，底板破壞深度將逐步穩(wěn)定不在發(fā)生變化，最大破壞深度達(dá)到11 m左右。

圖4不同采掘長度下塑性破壞區(qū)分布圖