（云南煤礦安全技術中心有限公司，云南昆明 650000）

1.礦山概況

云南某礦地形西北低東南高，地形最低標高+1960m，礦權范圍內(nèi)開采標高+1810m～+1930m，無平硐開拓條件。煤系地層為層狀含隔水層相間的地層，富水性弱。地表無大的水體，地下水的補給主要是大氣降水及地表山間河流大河水、少量斷層水，水文地質(zhì)條件為較復雜類型。礦區(qū)屬于層狀巖類半堅硬―軟弱為主的層狀巖石，力學強度不均，軟硬相間，風化作用較強，節(jié)理發(fā)育，煤層直接頂?shù)装逡阅鄮r、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，巖石穩(wěn)定性差，工程地質(zhì)條件中等。由于鄰區(qū)及周邊礦山開采原因，已導致核實區(qū)局部水質(zhì)變化和局部地表變形塌裂現(xiàn)象，但無大的污染源、無熱害、地表水質(zhì)與地下水水質(zhì)較好，總體無其他環(huán)境地質(zhì)隱患，地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量中等。

礦井最大瓦斯涌出量為20.99m3/t，最大絕對瓦斯涌出量為2.041m3/min，為高瓦斯礦井。各煤層均為不自燃煤層；均具有爆炸性。但核實區(qū)及附近老窯開采實踐系統(tǒng)調(diào)查均未發(fā)現(xiàn)煤層煤塵爆炸及火區(qū)跡象。礦區(qū)范圍內(nèi)可采煤層C13、C14、C21共3層，C13煤層為最上層，平均厚1.59m，距下層C14煤層12m～10.28m；C14煤層為中層，平均厚2.63m，距下層C21煤層約25m；C21煤層為最下層，平均厚2.45m，各煤層平均傾角40°，屬傾斜中厚煤層群。礦井采用斜井開拓，走向長壁采煤法，一次采全高，單體液壓支柱配鉸接頂梁支護頂板，全部垮落法管理頂板。

由于C13、C14、C21煤層距離較近，傾角較大，可能會在開采過程中影響到下煤層的開采。因此本文以云南某礦為研究對象，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析各煤層開采過程中的底板礦壓運移規(guī)律，旨在探究開采煤層采場應力之間的相互影響，為礦山的安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)，對相似礦山條件生產(chǎn)起到借鑒意義。

2.各煤層底板破壞深度分析

根據(jù)礦山壓力與巖層控制理論，在底板中傳遞的支承壓力，超過底板巖體的極限強度時，底板巖體將發(fā)生塑性變形，塑性破壞區(qū)可分為3個區(qū)：主動應力區(qū)、過渡區(qū)和被動應力區(qū)[1-2]。圖1所示中I區(qū)為主動應力區(qū)，其中：

圖1 地基中的極限平衡區(qū)

式中：?―煤體的內(nèi)摩擦角；II區(qū)為過渡區(qū)，CH和CD曲線為對數(shù)螺旋線。

式中：r―以A、B為原點與r0成θ角處的螺線半徑；r0―BC或AC的長度；θ―r與r0的夾角。

III區(qū)為被動應力區(qū)，其中：

由于支承壓力影響而形成的破壞深度，如圖2所示，可用D表示破壞深度[3-5]。

圖2 支承壓力形成的底板破壞深度

將上述式子代入即可得：

根據(jù)云南某礦地質(zhì)報告所述，取煤的內(nèi)摩擦角為φ=32°，應力集中系數(shù)n=1.3，煤的內(nèi)聚力Cm=1.25MPa，巖石容重γ=2.5kg/m3，平均埋深H=100m。將數(shù)據(jù)代入煤層塑性區(qū)的寬度中，3個煤層塑性區(qū)的寬度分別為：L13=1.53m，L14=2.53m，L21=2.36m；再次代入到底板最大破壞深度計算公式，Dmax,13=3.75m，Dmax,14=6.2m，Dmax,21=5.79m。通過計算可知，3個煤層開采過程中對底板的破壞深度在3.75～6.2m，而3個煤層間距為10.28m和25m，因此各煤層間開采后不會造成太大影響。但以上公式為單獨考慮各煤層單獨開采時所對底板造成的影響，未考慮C13和C14開采后耦合影響對C21煤層的破壞情況，下面利用FLAC3D軟件進行分析。

3.數(shù)值模擬分析

簡化云南某礦實際情況作為模擬模型，模型尺寸為長×寬×高= 150m×100m×200m，164547個單元，161793個節(jié)點。模型上邊界按上覆巖層厚度施加均布載荷，下邊界垂直位移固定，左右兩側水平位移固定。模型采用的圍巖本構關系為摩爾―庫侖模型，如圖3所示。模型上部邊界至地表范圍內(nèi)圍巖以均布載荷的形式加在上部邊界，載荷大小為P=2500kg·m-3×10m·s-2×100m=2.5MPa。模擬工作面長度為120m，兩側留邊界煤柱各15m[6]。

圖3 各煤層塑性區(qū)分布

C13煤層頂板為含菱鐵條帶粉砂質(zhì)泥巖，單軸干抗壓強度28.72MPa～50.7MPa，軟化系數(shù)0.72。C14煤層頂板為含高嶺石粉砂質(zhì)泥巖，單軸干抗壓強度17.9MPa～20.7MPa，軟化系數(shù)0.57。C14煤層底板泥巖，單軸干抗壓強度1.39MPa～15.7MPa，軟化系數(shù)0.55。C13、C21煤層頂?shù)装鍨榉凵百|(zhì)泥巖，單軸干抗壓強度17.9MPa～20.7MPa，軟化系數(shù)0.65。該地層具軟弱相間工程地質(zhì)特征，坑道易產(chǎn)生“膨脹或底鼓”等不良工程地質(zhì)問題[7]。煤巖體力學參數(shù)如表1所示。

表1 煤巖體力學參數(shù)

通過塑性區(qū)分布可知，C13煤層開采后塑性區(qū)最大深度為3.42m，C14煤層開采后塑性區(qū)最大深度為6.58m，C21煤層開采后塑性區(qū)最大深度為7.83m，因此開采C13煤層的時不太可能破壞底板的C14煤層，但應在開采過程中應給予一定的保護措施，防止C14煤層被破壞。而C13和C14開采后對于C21耦合影響較小，因C21煤層相對C14煤層垂距較遠，不會對C21煤層產(chǎn)生破壞。

4.結論

本文以云南某礦為研究對象，利用理論分析和數(shù)值模擬分析了C13、C14、C213層煤開采后的底板破壞深度，其破壞深度在3.75m～6.2m，而3個煤層間距為10.28m和25m，因此各煤層間開采后不會造成太大影響，可保證煤礦的安全高效生產(chǎn)，為相似條件的礦山起到引導借鑒的意義。