承压水上采煤底板破坏特征模拟分析方案设计

谢帅　王宇坤　魏中举　冯绍辉　杜卫东　肖念波

摘要：为了研究分析承压水上采煤条件下试验工作面采空区采用膏体充填技术开采后，受采动影响煤层顶板形成的上三带和下三带的情况，及其对煤层下部主要含水层的影响，构建沿煤层走向和倾斜方向的数值计算模型。本次模拟主要针对试验膏体充填工作面在不同充填工艺参数（充填体28d强度、充填步距和充填率等参数）条件下，研究分析充填工艺参数的改变与膏体充填工作面下伏煤岩层破坏深度之间的关系，及工作面下伏煤岩体的围岩变形、应力场和塑性区分布等规律，其结果将作为优化现场11607工作面现场采空区膏体充填工艺参数优化设计的关键参考依据。

关键词：承壓含水层;底板破坏;数值模拟;方案设计

引言

要研究分析在工作面矿山压力和底板含水层的水压作用下，以及不同充填工艺参数条件下，膏体充填工作面下伏煤岩层的破坏深度、工作面下伏煤岩体的围岩变形、应力场和塑性区分布等规律，特别是下伏隔水层的变形破坏和应力场变化规律，是一项复杂而亟待解决的现场工程问题。数值模拟能快捷而准确地分析工作面采用膏体充填技术后底板的破坏深度、工作面下伏煤岩体的围岩变形、应力场和塑性区分布等规律，它是一种经济成本低，模拟结果具有现实理论指导意义的现代工程研究手段。张文泉等为分析地质条件、覆岩含水层和离层水突涌之间的相互关联，以陕西某矿首采区1307工作面为例，利用3DEC数值模拟工作面覆岩离层裂隙演化特征，根据数值模拟结果并结合现场实际条件，提出防治顶板离层突水的部分充填开采技术，再通过数值模拟对该充填技术方案进行优化设计。通过数值模拟表明顶板离层突水可划分为5种模式，将顶板离层积水分为初始积水、积水至满及裂隙扩展三个时期，在充填率保持不变的条件下，充填体对覆岩的支撑效果随采宽和充填宽度的增加而增强，顶板隔水层两端出现应力集中现象，分析得出部分充填最佳方案为采宽和充填宽度均为80m。张文泉等为了分析工作面不同进尺、断层角度、上下盘落差时的开采情况，通过FLAC3D软件进行模拟分析，获得了断层面在不同的各因素影响下的应力分布和位移情况，根据断层面应力比敏感性指标判别断层的滑移失稳，通过分析比较得出各因素对影响断层活化的机制。宋文成等针对阳煤集团碾沟煤矿工作面开采过程中底板奥灰岩含水层存在突水危险的问题，为研究工作面底板奥灰岩含水层突水的可能性，通过FLAC3D数值模拟软件，模拟分析了采动影响和承压水压力共同作用下下伏煤岩层的塑性破坏深度，模拟结果表明，受采动影响底板孔隙水发生递进导升，孔隙水将从工作面端部斜下方涌入进而发生突水，据此提出对工作面注浆加固底板的措施。于帅等针对杨村煤矿试验工作面底板存在突水危险的问题，选择RFPA软件模拟分析了16上煤层开采时下伏煤岩层底板节理和裂隙的扩展发育贯通演化的规律，在此模拟研究基础之上，利用突水系数法合理评价工作面开采过程中底板的突水危险性，并将底板区划分为较危险和危险两个等级的区域。付世虎为分析预制底板在施工动载影响下的应力分布和变形特征，利用ABAQUS有限元分析软件进行现场试验模拟，通过数值模拟与现场试验在动载条件下的应力分布和变形量，得出了跨中挠度的影响因素。李巍通过离散元UDCE模拟软件，对开采保护层中低透气性高瓦斯煤层的卸压问题进行模拟分析，研究分析了上保护层开采对底板岩层造成的损伤，并分析了被保护层瓦斯运移与底板损伤之间的相互关联。

目前在岩土工程学术科研中得到国内外研究学者的广泛使用，数值模拟技术已经成为一种现代工程研究不可或缺的重要手段。岩土工程领域的数值模拟计算中各种模拟软件种类繁多，主要包括确定性分析和非确定性分析两大类，其中确定性分析又分为连续介质和非连续介质分析。连续介质数值模拟分析方法主要包括有限单元法（FEM）、有限差分法（FDM）、边界单元法等;非连续介质分析方法主要包括离散元法（DEM）、颗粒离散元法、关键块理论及不连续变形分析法（DDA）等。以离散元法为原理的数值模拟软件且应用较广泛的有UDEC、3DEC等，以颗粒离散元法为原理的数值模拟软件且应用较广泛的主要为PFC，以有限差分法为原理的数值模拟软件且应用较广泛的有FLAC2D、FLAC3D等，以通用有限单元法为原理的数值模拟软件且应用较广泛的有ABAQUS、ANSYS等。研究学者可以根据自己要研究分析的对象和研究目的，选择相应的数值模拟软件在工程实践中进行辅助研究。

1数值模拟软件概述

本文采用的连续介质快速拉格朗日差分法（Fast Lagrangian Analysis of Continua，简写为 FLAC）是近年来逐步成熟完善起来的一种新型数值分析方法，它是用显式拉格朗日差分法来进行的数值模拟，由美国 Itasca 咨询公司于 1986 年研制推出。程序建立在拉格朗日算法基础上，是目前公认的世界上优秀的岩土力学数值计算软件包之一。它能较好地模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏或塑性流动的力学行为，分析渐进破坏和失稳，特别适用于模拟大变形。FLAC 设有多种本构模型，另外，程序还设有界面单元，可以模拟断层、节理和摩擦边界的滑动、张开和闭合行为。支护结构如砌衬、锚杆、支架等与围岩的相互作用也可以在 FLAC 中进行模拟。FLAC 采用显式算法来获得模型全部运动方程的时间步长解，从而可以追踪材料的渐进破坏和垮落，这对研究开采的时间效应和空间效应是非常重要的。此外，程序允许输入多种材料类型，亦可在计算过程中改变某个局部的材料参数，增强了程序使用的灵活性，用来提供采动区域的垮落过程和开采中的充填过程。FLAC 具有强大的后处理功能，用户可以直接在屏幕上绘制或以文件形式创建和输出打印多种形式的图形。使用者还可根据需要，将若干个变量合并在同一幅图形中进行研究分析。与其它数值软件如 ANSYS、ADINA 相比，FLAC 的特点是计算分析岩土工程中的物理不稳定问题，因而适用于岩土工程中几何和物理高度非线性问题的稳定性分析，如采场的采动影响规律、地下巷道的大变形问题及围岩应力场问题、矿体滑坡、煤矿开采沉陷预测、水利枢纽岩体稳定性分析等。现在已经逐步发展到应用于地质力学问题的研究。在国外该软件主要用于以下几方面的研究，如工程地质、构造地质学、大陆动力学、成矿学;国内主要用于工程地质、构造地质学、大陆动力学等的研究。

三维数值模拟软件 FLAC应用有限差分方法建立了单元应力应变和结点位移等计算方程，使其能够在使用较小内存、保证较高精度和保持较快运算速度的条件下建立大规模的复杂数值模型。因此在包括采矿工程在内的大型岩土工程中获得了较为广泛的应用。它采用拉格朗日算法，考虑变形对结点坐标的影响，因此适合于建立大变形非线性模型，这也是其能在采矿工程中得到广泛应用的一大优势。其在采矿工程中更具有优势的一个特点是它以运动方程为基本差分方程。这样，它能够模拟材料和结构逐渐稳定，进而发生塑性破坏，最后又逐渐稳定的动态过程，这基本接近了采矿工程中岩体受采动影响发生的破坏稳定情况。

2数值模拟模型构建及模拟方案设计

2.1沿煤层走向方向数值模拟构建

结合该煤矿现场11607工作面综合柱状图和煤层下伏煤岩L10-2、L10-4、11607-2和15-2号四个地质钻孔实际情况，为提高数值模拟结果的准确度和安全保障性，使模拟结果更贴切开采实际，本次数值模拟确定以11607工作面下部最脆弱的隔水层地点为数值模拟原型地点，11607-2号地质钻孔显示该处11607工作面下部十三灰隔水层厚度仅为24m左右，本次沿煤层走向方向数值模拟模型构建如下图1所示，相关模拟参数设计如下：（1）设计模型高度为114.6m，长宽均为为200m，模拟16号煤层采高2 m，16号开采煤层与模型最上部边界距离39.6 m，与模型下底部边界距离75m，为了充分体现本次模拟11607工作面采空区采用膏体充填技术开采后，受采动影响煤层顶板形成的垮落带、裂隙带、弯曲下沉带，及底板形成的破坏带、完整岩层带、承压水导高带对煤层下部主要含水层的影响，所以设计模型中开采煤层与下部奥灰上界距离为53 m，與下部十三灰上界距离24 m，所设计的模型上下边界范围满足模拟需求。（2）设计模型中11607膏体充填工作面倾斜长度为120 m，煤层埋深为541.6 m，在距离模型左端50m布置开切眼，自模型左端向右开采推进，假定在11607工作面中部选择任意剖面都为应变平面模型。（3）设计模型左右两边界之间宽度为200 m，为降低模拟边界的影响，在模型左端50m布置开切眼，自模型左端向右开采推进距离为100 m，工作面左右两端各留设50m的边界煤柱。

2.2沿煤层倾斜方向数值模拟构建

同理，结合该煤矿现场11607工作面实际情况，构建沿煤层倾斜方向的三维流固耦合数值模拟模型如下图2所示，相关模拟参数设计如下：（1）设计模型高度为114.6m，长宽均为200m，模拟16号煤层采高2m，16号开采煤层与模型最上部边界层间距39.6 m，与模型下底部边界距离75m，为了充分体现本次模拟11607工作面采空区采用膏体充填技术开采后，为研究16号缓倾斜煤层11607工作面充填开采时，在采动和承压水的共同作用下沿煤层倾斜方向工作面底板破坏带深度、承压水导升裂隙高度及预测底板突水位置，所以设计模型中开采煤层与下部奥灰上表面距离为53 m，与下部十三灰上界距离24 m，所设计的模型上下边界范围满足模拟需求。（2）设计模型中11607膏体充填工作面倾斜长度为120 m，在距离模型前端50m布置开切眼，自模型前端向后端开采推进，假定在11607工作面中部选择任意剖面都为应变平面模型。（3）设计模型前后、左右两边界之间宽度为200 m，为降低模拟边界的影响，在距离模型前端50m布置开切眼，自模型前端向后端开采推进距离为100 m，工作面前后两端各留设50m的边界煤柱。

3结论

为了研究分析某煤矿11607工作面采空区采用膏体充填技术开采后，受采动影响煤层顶板形成的上三带和下三带的情况，及其对煤层下部主要含水层的影响，构建沿煤层走向和倾斜方向的数值计算模型，本次模拟主要针对11607膏体充填工作面在不同充填工艺参数（充填体28d强度、充填步距和充填率等参数）条件下，研究分析充填工艺参数的改变与膏体充填工作面下伏煤岩层破坏深度之间的关系，及工作面下伏煤岩体的围岩变形、应力场和塑性区分布等规律，其结果将作为优化现场11607工作面现场采空区膏体充填工艺参数优化设计的关键参考依据。

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作者简介：谢帅（2000.03）男，汉族，毕节市赫章县人，在读本科学生，主要从事采矿工程专业方面的学习和研究。

国家级大学生创新创业训练计划项目（项目编号：202110977017）。