承壓水上采煤底板破壞特征模擬分析方案設(shè)計(jì)

謝帥　王宇坤　魏中舉　馮紹輝　杜衛(wèi)東　肖念波

摘要：為了研究分析承壓水上采煤條件下試驗(yàn)工作面采空區(qū)采用膏體充填技術(shù)開采后，受采動(dòng)影響煤層頂板形成的上三帶和下三帶的情況，及其對(duì)煤層下部主要含水層的影響，構(gòu)建沿煤層走向和傾斜方向的數(shù)值計(jì)算模型。本次模擬主要針對(duì)試驗(yàn)膏體充填工作面在不同充填工藝參數(shù)（充填體28d強(qiáng)度、充填步距和充填率等參數(shù)）條件下，研究分析充填工藝參數(shù)的改變與膏體充填工作面下伏煤巖層破壞深度之間的關(guān)系，及工作面下伏煤巖體的圍巖變形、應(yīng)力場和塑性區(qū)分布等規(guī)律，其結(jié)果將作為優(yōu)化現(xiàn)場11607工作面現(xiàn)場采空區(qū)膏體充填工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：承壓含水層;底板破壞;數(shù)值模擬;方案設(shè)計(jì)

引言

要研究分析在工作面礦山壓力和底板含水層的水壓作用下，以及不同充填工藝參數(shù)條件下，膏體充填工作面下伏煤巖層的破壞深度、工作面下伏煤巖體的圍巖變形、應(yīng)力場和塑性區(qū)分布等規(guī)律，特別是下伏隔水層的變形破壞和應(yīng)力場變化規(guī)律，是一項(xiàng)復(fù)雜而亟待解決的現(xiàn)場工程問題。數(shù)值模擬能快捷而準(zhǔn)確地分析工作面采用膏體充填技術(shù)后底板的破壞深度、工作面下伏煤巖體的圍巖變形、應(yīng)力場和塑性區(qū)分布等規(guī)律，它是一種經(jīng)濟(jì)成本低，模擬結(jié)果具有現(xiàn)實(shí)理論指導(dǎo)意義的現(xiàn)代工程研究手段。張文泉等為分析地質(zhì)條件、覆巖含水層和離層水突涌之間的相互關(guān)聯(lián)，以陜西某礦首采區(qū)1307工作面為例，利用3DEC數(shù)值模擬工作面覆巖離層裂隙演化特征，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際條件，提出防治頂板離層突水的部分充填開采技術(shù)，再通過數(shù)值模擬對(duì)該充填技術(shù)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過數(shù)值模擬表明頂板離層突水可劃分為5種模式，將頂板離層積水分為初始積水、積水至滿及裂隙擴(kuò)展三個(gè)時(shí)期，在充填率保持不變的條件下，充填體對(duì)覆巖的支撐效果隨采寬和充填寬度的增加而增強(qiáng)，頂板隔水層兩端出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，分析得出部分充填最佳方案為采寬和充填寬度均為80m。張文泉等為了分析工作面不同進(jìn)尺、斷層角度、上下盤落差時(shí)的開采情況，通過FLAC3D軟件進(jìn)行模擬分析，獲得了斷層面在不同的各因素影響下的應(yīng)力分布和位移情況，根據(jù)斷層面應(yīng)力比敏感性指標(biāo)判別斷層的滑移失穩(wěn)，通過分析比較得出各因素對(duì)影響斷層活化的機(jī)制。宋文成等針對(duì)陽煤集團(tuán)碾溝煤礦工作面開采過程中底板奧灰?guī)r含水層存在突水危險(xiǎn)的問題，為研究工作面底板奧灰?guī)r含水層突水的可能性，通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件，模擬分析了采動(dòng)影響和承壓水壓力共同作用下下伏煤巖層的塑性破壞深度，模擬結(jié)果表明，受采動(dòng)影響底板孔隙水發(fā)生遞進(jìn)導(dǎo)升，孔隙水將從工作面端部斜下方涌入進(jìn)而發(fā)生突水，據(jù)此提出對(duì)工作面注漿加固底板的措施。于帥等針對(duì)楊村煤礦試驗(yàn)工作面底板存在突水危險(xiǎn)的問題，選擇RFPA軟件模擬分析了16上煤層開采時(shí)下伏煤巖層底板節(jié)理和裂隙的擴(kuò)展發(fā)育貫通演化的規(guī)律，在此模擬研究基礎(chǔ)之上，利用突水系數(shù)法合理評(píng)價(jià)工作面開采過程中底板的突水危險(xiǎn)性，并將底板區(qū)劃分為較危險(xiǎn)和危險(xiǎn)兩個(gè)等級(jí)的區(qū)域。付世虎為分析預(yù)制底板在施工動(dòng)載影響下的應(yīng)力分布和變形特征，利用ABAQUS有限元分析軟件進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)?zāi)M，通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗(yàn)在動(dòng)載條件下的應(yīng)力分布和變形量，得出了跨中撓度的影響因素。李巍通過離散元UDCE模擬軟件，對(duì)開采保護(hù)層中低透氣性高瓦斯煤層的卸壓問題進(jìn)行模擬分析，研究分析了上保護(hù)層開采對(duì)底板巖層造成的損傷，并分析了被保護(hù)層瓦斯運(yùn)移與底板損傷之間的相互關(guān)聯(lián)。

目前在巖土工程學(xué)術(shù)科研中得到國內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛使用，數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)成為一種現(xiàn)代工程研究不可或缺的重要手段。巖土工程領(lǐng)域的數(shù)值模擬計(jì)算中各種模擬軟件種類繁多，主要包括確定性分析和非確定性分析兩大類，其中確定性分析又分為連續(xù)介質(zhì)和非連續(xù)介質(zhì)分析。連續(xù)介質(zhì)數(shù)值模擬分析方法主要包括有限單元法（FEM）、有限差分法（FDM）、邊界單元法等;非連續(xù)介質(zhì)分析方法主要包括離散元法（DEM）、顆粒離散元法、關(guān)鍵塊理論及不連續(xù)變形分析法（DDA）等。以離散元法為原理的數(shù)值模擬軟件且應(yīng)用較廣泛的有UDEC、3DEC等，以顆粒離散元法為原理的數(shù)值模擬軟件且應(yīng)用較廣泛的主要為PFC，以有限差分法為原理的數(shù)值模擬軟件且應(yīng)用較廣泛的有FLAC2D、FLAC3D等，以通用有限單元法為原理的數(shù)值模擬軟件且應(yīng)用較廣泛的有ABAQUS、ANSYS等。研究學(xué)者可以根據(jù)自己要研究分析的對(duì)象和研究目的，選擇相應(yīng)的數(shù)值模擬軟件在工程實(shí)踐中進(jìn)行輔助研究。

1數(shù)值模擬軟件概述

本文采用的連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日差分法（Fast Lagrangian Analysis of Continua，簡寫為 FLAC）是近年來逐步成熟完善起來的一種新型數(shù)值分析方法，它是用顯式拉格朗日差分法來進(jìn)行的數(shù)值模擬，由美國 Itasca 咨詢公司于 1986 年研制推出。程序建立在拉格朗日算法基礎(chǔ)上，是目前公認(rèn)的世界上優(yōu)秀的巖土力學(xué)數(shù)值計(jì)算軟件包之一。它能較好地模擬地質(zhì)材料在達(dá)到強(qiáng)度極限或屈服極限時(shí)發(fā)生的破壞或塑性流動(dòng)的力學(xué)行為，分析漸進(jìn)破壞和失穩(wěn)，特別適用于模擬大變形。FLAC 設(shè)有多種本構(gòu)模型，另外，程序還設(shè)有界面單元，可以模擬斷層、節(jié)理和摩擦邊界的滑動(dòng)、張開和閉合行為。支護(hù)結(jié)構(gòu)如砌襯、錨桿、支架等與圍巖的相互作用也可以在 FLAC 中進(jìn)行模擬。FLAC 采用顯式算法來獲得模型全部運(yùn)動(dòng)方程的時(shí)間步長解，從而可以追蹤材料的漸進(jìn)破壞和垮落，這對(duì)研究開采的時(shí)間效應(yīng)和空間效應(yīng)是非常重要的。此外，程序允許輸入多種材料類型，亦可在計(jì)算過程中改變某個(gè)局部的材料參數(shù)，增強(qiáng)了程序使用的靈活性，用來提供采動(dòng)區(qū)域的垮落過程和開采中的充填過程。FLAC 具有強(qiáng)大的后處理功能，用戶可以直接在屏幕上繪制或以文件形式創(chuàng)建和輸出打印多種形式的圖形。使用者還可根據(jù)需要，將若干個(gè)變量合并在同一幅圖形中進(jìn)行研究分析。與其它數(shù)值軟件如 ANSYS、ADINA 相比，F(xiàn)LAC 的特點(diǎn)是計(jì)算分析巖土工程中的物理不穩(wěn)定問題，因而適用于巖土工程中幾何和物理高度非線性問題的穩(wěn)定性分析，如采場的采動(dòng)影響規(guī)律、地下巷道的大變形問題及圍巖應(yīng)力場問題、礦體滑坡、煤礦開采沉陷預(yù)測、水利樞紐巖體穩(wěn)定性分析等?，F(xiàn)在已經(jīng)逐步發(fā)展到應(yīng)用于地質(zhì)力學(xué)問題的研究。在國外該軟件主要用于以下幾方面的研究，如工程地質(zhì)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、大陸動(dòng)力學(xué)、成礦學(xué);國內(nèi)主要用于工程地質(zhì)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、大陸動(dòng)力學(xué)等的研究。

三維數(shù)值模擬軟件 FLAC應(yīng)用有限差分方法建立了單元應(yīng)力應(yīng)變和結(jié)點(diǎn)位移等計(jì)算方程，使其能夠在使用較小內(nèi)存、保證較高精度和保持較快運(yùn)算速度的條件下建立大規(guī)模的復(fù)雜數(shù)值模型。因此在包括采礦工程在內(nèi)的大型巖土工程中獲得了較為廣泛的應(yīng)用。它采用拉格朗日算法，考慮變形對(duì)結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的影響，因此適合于建立大變形非線性模型，這也是其能在采礦工程中得到廣泛應(yīng)用的一大優(yōu)勢。其在采礦工程中更具有優(yōu)勢的一個(gè)特點(diǎn)是它以運(yùn)動(dòng)方程為基本差分方程。這樣，它能夠模擬材料和結(jié)構(gòu)逐漸穩(wěn)定，進(jìn)而發(fā)生塑性破壞，最后又逐漸穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)過程，這基本接近了采礦工程中巖體受采動(dòng)影響發(fā)生的破壞穩(wěn)定情況。

2數(shù)值模擬模型構(gòu)建及模擬方案設(shè)計(jì)

2.1沿煤層走向方向數(shù)值模擬構(gòu)建

結(jié)合該煤礦現(xiàn)場11607工作面綜合柱狀圖和煤層下伏煤巖L10-2、L10-4、11607-2和15-2號(hào)四個(gè)地質(zhì)鉆孔實(shí)際情況，為提高數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確度和安全保障性，使模擬結(jié)果更貼切開采實(shí)際，本次數(shù)值模擬確定以11607工作面下部最脆弱的隔水層地點(diǎn)為數(shù)值模擬原型地點(diǎn)，11607-2號(hào)地質(zhì)鉆孔顯示該處11607工作面下部十三灰隔水層厚度僅為24m左右，本次沿煤層走向方向數(shù)值模擬模型構(gòu)建如下圖1所示，相關(guān)模擬參數(shù)設(shè)計(jì)如下：（1）設(shè)計(jì)模型高度為114.6m，長寬均為為200m，模擬16號(hào)煤層采高2 m，16號(hào)開采煤層與模型最上部邊界距離39.6 m，與模型下底部邊界距離75m，為了充分體現(xiàn)本次模擬11607工作面采空區(qū)采用膏體充填技術(shù)開采后，受采動(dòng)影響煤層頂板形成的垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶，及底板形成的破壞帶、完整巖層帶、承壓水導(dǎo)高帶對(duì)煤層下部主要含水層的影響，所以設(shè)計(jì)模型中開采煤層與下部奧灰上界距離為53 m，與下部十三灰上界距離24 m，所設(shè)計(jì)的模型上下邊界范圍滿足模擬需求。（2）設(shè)計(jì)模型中11607膏體充填工作面傾斜長度為120 m，煤層埋深為541.6 m，在距離模型左端50m布置開切眼，自模型左端向右開采推進(jìn)，假定在11607工作面中部選擇任意剖面都為應(yīng)變平面模型。（3）設(shè)計(jì)模型左右兩邊界之間寬度為200 m，為降低模擬邊界的影響，在模型左端50m布置開切眼，自模型左端向右開采推進(jìn)距離為100 m，工作面左右兩端各留設(shè)50m的邊界煤柱。

2.2沿煤層傾斜方向數(shù)值模擬構(gòu)建

同理，結(jié)合該煤礦現(xiàn)場11607工作面實(shí)際情況，構(gòu)建沿煤層傾斜方向的三維流固耦合數(shù)值模擬模型如下圖2所示，相關(guān)模擬參數(shù)設(shè)計(jì)如下：（1）設(shè)計(jì)模型高度為114.6m，長寬均為200m，模擬16號(hào)煤層采高2m，16號(hào)開采煤層與模型最上部邊界層間距39.6 m，與模型下底部邊界距離75m，為了充分體現(xiàn)本次模擬11607工作面采空區(qū)采用膏體充填技術(shù)開采后，為研究16號(hào)緩傾斜煤層11607工作面充填開采時(shí)，在采動(dòng)和承壓水的共同作用下沿煤層傾斜方向工作面底板破壞帶深度、承壓水導(dǎo)升裂隙高度及預(yù)測底板突水位置，所以設(shè)計(jì)模型中開采煤層與下部奧灰上表面距離為53 m，與下部十三灰上界距離24 m，所設(shè)計(jì)的模型上下邊界范圍滿足模擬需求。（2）設(shè)計(jì)模型中11607膏體充填工作面傾斜長度為120 m，在距離模型前端50m布置開切眼，自模型前端向后端開采推進(jìn)，假定在11607工作面中部選擇任意剖面都為應(yīng)變平面模型。（3）設(shè)計(jì)模型前后、左右兩邊界之間寬度為200 m，為降低模擬邊界的影響，在距離模型前端50m布置開切眼，自模型前端向后端開采推進(jìn)距離為100 m，工作面前后兩端各留設(shè)50m的邊界煤柱。

3結(jié)論

為了研究分析某煤礦11607工作面采空區(qū)采用膏體充填技術(shù)開采后，受采動(dòng)影響煤層頂板形成的上三帶和下三帶的情況，及其對(duì)煤層下部主要含水層的影響，構(gòu)建沿煤層走向和傾斜方向的數(shù)值計(jì)算模型，本次模擬主要針對(duì)11607膏體充填工作面在不同充填工藝參數(shù)（充填體28d強(qiáng)度、充填步距和充填率等參數(shù)）條件下，研究分析充填工藝參數(shù)的改變與膏體充填工作面下伏煤巖層破壞深度之間的關(guān)系，及工作面下伏煤巖體的圍巖變形、應(yīng)力場和塑性區(qū)分布等規(guī)律，其結(jié)果將作為優(yōu)化現(xiàn)場11607工作面現(xiàn)場采空區(qū)膏體充填工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參考依據(jù)。

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作者簡介：謝帥（2000.03）男，漢族，畢節(jié)市赫章縣人，在讀本科學(xué)生，主要從事采礦工程專業(yè)方面的學(xué)習(xí)和研究。

國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：202110977017）。