建筑物下开采煤层顶板变形破坏特征数值模拟

温兴林，王如猛

（1.山东科技大学矿业与安全工程学院，山东青岛 266590;2.山东科技大学矿山灾害预防控制教育部重点实验室，山东青岛 266590;3.山东滨化滨阳燃化有限公司，山东滨州 251800）

近些年来，我国的煤炭资源产量逐年增加，煤炭的开采规模和强度也逐渐增大。根据国家能源统计公布的数据显示，2017 年在国家能源消费结构中煤炭资源占到60%，虽然我国在大力发展清洁能源（如风能、太阳能等），但是由于我国煤炭消费结构的基数大，短时间内我国以煤炭为主的能源消费结构不会发生改变[1−3]。随着浅部煤层的开采殆尽，面临着向深部和三下开采的问题。我国三下（建筑物、铁路和水体）压煤总量约143 亿t，建筑物下压煤占到88.7亿t，其中村庄下压煤占到总量的60%[4−6]。为了高效开采煤炭资源时，保证地表建筑物安全，实现煤炭资源的高效利用[7]，就需要对建筑物下开采煤层顶板变形破坏特征进行数值模拟研究分析，从而实现煤矿安全生产。

1 研究区概况

葛亭煤矿位于济宁市西北部，矿区地势平坦，东北高西南低的趋势，地面平均标高+38 m，地层以下分别为第四系、二迭系山西组、石炭太原组和本溪组。其中，太原组内含1、2上、2下、3上和3下共5 个煤层，以3下为主采煤层。3下煤层埋深460 m，煤层平均厚度7 m，煤层倾角4°～ 16°，平均8°，顶板以砂岩和粉砂岩为主，厚度在18～32 m左右。

2 建立数值模拟模型

2.1 模拟边界条件和参数的确定

葛亭煤矿的地质条件和钻孔岩石力学参数，见表1[8]。

表1 岩层岩石物理力学参数表

运用有限元数值模拟软件FLAC3D对葛亭煤矿2306 采区建筑物下条带开采工作面进行煤层顶板破坏规律研究分析。模型采用摩尔−库伦模型，尺寸大小200 m×150 m×300 m，工作面长240 m，模型从左到右开挖，每次推进20 m，为消除边界影响模型边界两侧各留50 m 煤柱，模型共计23 400 个单元，28 600个网络节点。数值模拟模型，见图1。

2.2 数值模拟方案的确定

根据葛亭煤矿的地质条件及开采计划，模拟开采推进过程中下工作面煤层顶板垂直方向应力场、塑性破坏区和位移场的变化规律。

3 采动过程中数值模拟结果及分析

3.1 应力场和塑性破坏变化特征

根据图2 可以看出，随着工作面开采的推进，工作面顶底板开始出现卸压区，在其自身重力的影响下，采空区两侧的煤柱上出现应力集中，采空区两侧的煤柱应力集中系数不断增大；随着工作面推进距离的不断增加，顶底板卸压区的范围不断增大。

图2 采动过程中顶底板垂直方向形应力场变化

随着工作面开采的推进，使工作面顶底板原有的应力平衡遭到破坏，进而使顶底板产生塑性破坏，随着工作面开采的推进，顶板围岩卸压高度随着逐渐增大，并且呈现拱形，上覆岩层最大应力由推进距离20 m 时的18.6 MPa，下降到推进距离240 m 时的18 MPa。随着工作面开采的结束，工作面顶底板的应力重新得到分布。顶板岩层最大应力值变化情况，见图3。

图3 推进过程中顶板岩层最大应力值变化情况

通过图2 和图3 可以看出，随着工作面开采的推进，煤层顶板岩层的最大应力值也逐渐增大，由推进距离20 m 时的12.1 MPa，到煤层工作面得到充分开采时达到的20.7 MPa，此后，随着工作面的开采，煤层顶板上覆岩层的最大垂直应力值没有较大变化，保持相对稳定的状态。

随着工作面开采的推进，工作面顶板岩层经历了靠近采空区压缩、膨胀和远离采空区恢复3个阶段过程，并且随着工作面开采的推进会重复出现上述过程。沿着工作面开采的推进方向，因采动影响产生的垂直方向应力，可以按照岩石所在位置的不同，将其划分为不同的应力变化区：顶板应力增高区、顶板应力减压区和顶板应力恢复区。

通过图4 和图5 可以看出，工作面最先出现塑性破坏的地方位于采空区两侧的煤柱上、顶底板以及切眼附近，并且随着工作面开采的推进，顶板的塑性破坏深度逐渐向高处扩展延伸增加，但是增加幅度呈现逐渐减小的趋势，逐渐达到稳定。其中，煤层顶板的最大破坏深度主要分布在切眼和停采线上方附近，且工作面顶底板的塑性破坏以剪切和拉伸破坏为主。

图4 采动过程中顶底板塑性破坏变化

图5 工作面开采推进过程中顶板塑性破坏变化

矿山压力和开采推进距离（工作面斜长）对煤层顶板的塑性破坏发育具有重要的影响作用，而矿山压力主要通过煤层的埋深来影响。当煤层上方存在含水层时，应注意工作面开采形成的裂隙发育高度，做好顶板突水的预防工作面，防治发生顶板突水事故。

3.2 采动过程中位移场变化特征分析

通过图6 可以看出，随着工作面开采的推进，顶板上覆岩层的沉降值逐渐增大，并且随着距煤层顶板的距离增大而逐渐逐渐减小。顶板的沉降值的大小不仅与煤层顶板岩石的岩性有关，还与煤层的埋深有关。

图6 工作面开采推进过程中垂直位移值变化情况

4 结论

（1）数值模拟的结果显示，随着工作面开采的推进，工作面煤层顶板围岩垂直方向的应力影响范围和最大垂直应力逐渐增大，并且，随着距采空区煤层顶板垂直距离的增大呈现减小和缓和的趋势，主要集中在切眼和停采线附近。

（2）随着工作面开采的推进，煤层顶板的塑性破坏区分布范围和最大深部逐渐增大，工作面顶板岩层经历了靠近采空区压缩、膨胀和远离采空区恢复3个阶段过程，工作面最先出现塑性破坏的地方位于采空区两侧的煤柱上、顶底板以及切眼附近，并且随着工作面开采的推进，顶板的塑性破坏深度逐渐向高处扩展延伸增加。

（3）随着工作面开采的推进，顶板岩层因开采和自身重力的影响，顶板的主要运动方式以垂直应力为主，从而以垂直方向的位移值相对较大；随着工作面开采的推进顶板上覆岩层的沉降值逐渐增大，并且随着距煤层顶板的距离增大而逐渐逐渐减小。顶板的沉降值的大小不光与煤层顶板岩石的岩性有关，还与煤层的埋深有关。

（4）数值模拟可以看出，工作面煤层顶板围岩垂直应力、塑性破坏区和位移值变化与煤层顶板围岩的组合、岩性、埋深、采高、工作面斜长（推进距离）、开采方式有关。