基于FLAC3D的頂板采動破壞研究

余升紅

（安徽理工大學，安徽 淮南 232001）

基于FLAC3D的頂板采動破壞研究

余升紅

（安徽理工大學，安徽 淮南 232001）

以朱集東礦13-1#煤開采為例，根據補勘報告中的力學參數和實際邊界條件用FLAC3D進行模擬煤層在開挖過程中上下巖體的運移變形和塑形破壞特征；詳細分析這2個特征對煤層頂板的破壞規律影響。結果表明∶工作面以步距20 m開挖時，煤層開挖的過程中完整性容易受到剪切破壞，頂板裂隙快速發育，進而發展為拉伸破壞，最終發生斷裂、垮落，所以直接頂的垮落為拉伸破壞，且在局部富水性較強的區域會發生突水。

朱集東礦；FLAC3D；數值模擬

1 水文地質概況

13-1#煤層位于二疊系砂巖裂隙含水層段，二疊系砂巖裂隙含水層是該煤層開采的直接充水含水層。該含水層厚度范圍為0.95 m-31.92 m平均厚度達到8.18 m，以細砂巖為主，具垂向裂隙，據11-1孔抽水試驗資料表明13-1煤下消耗量達9.6m3/h，：水位標高3.33 m，q=0.000866 l/ s·m， k=0.0323m/d，水溫18℃，水質類型為HCO3·Cl-Ca·Na富水性弱13-1#可采煤層頂板砂巖含水層之間有泥巖、砂質泥巖、粉砂巖和煤層等隔水巖石分布，阻隔砂巖水之間的水力聯系。煤系的富水性與砂巖裂隙發育程度、裂隙開放程度和大小密切相關，由于區內砂巖裂隙發育的不均一性，導致砂巖含水性有很大差異。根據簡易水文地質觀測結果，僅有5個孔漏水，抽水資料表明區內砂巖裂隙不發育，富水性弱，為以儲存量為主。雖然砂巖水整體富水性弱，但是在某些采段水壓很大，局部富水性強，所以開采13-1#煤層時，仍然要關注頂板砂巖突水的可能.太原組灰巖在本礦井埋藏較深，主要為3#煤時底板進水直接充水含水層（組）與13-1#煤層開采無關。

2 開挖擾動模擬

由于13-1煤層起伏狀態平緩，傾角小于5°故而構造模型為水平狀態。為了模擬更為真實，煤層均厚4.12 m，現建立模型大小長×寬×高=250 m×210 m×64 m。本煤層平均埋深在-850 m，以公式（σz=γH）計算為21.25 MPa，在水平方向上施加由自重力產生的側向應力σx= λ·σy，λ為側壓系數。采用摩爾-庫倫本構模型，固定左右（x，y）邊界和底部（z=0）邊界，模型上邊界不約束，為自由邊界。模型共有單元格9600個，節點112025個。X方向2端各留60 m，y方向2端各留50 m，分5步開挖，開挖步距20 m，且每步開挖后填充，現取開挖40 m和80 m處分析，新力學參數如表1。

表1 新力學參數表

3 特征分析

3.1 塑性分析

隨著煤層的不斷開挖，煤層頂板先后出現不同程度的張性破壞和剪性破壞（如圖1）。頂板泥巖的剪切模量很小，煤層開挖的過程中完整性容易受到剪切破壞，頂板裂隙快速發育，進而發展為拉伸破壞，最終發生斷裂、垮落，所以直接頂的垮落為拉伸破壞。在采掘40 m處破壞高度在10 m左右，隨著工作面推進到80 m，塑性破壞以非連續性的方式破壞到20 m高度，破壞范圍在采掘工作面的頂部，塑性變化特征與應力特征的變化是密不可分的，煤層被開挖后，煤層的直接頂有效應力受采動影響最大，依次向上逐漸減小，當開挖40 m時，上覆巖體的應力分帶稠密，說明應力平衡初被打破，梯度變化明顯。當開挖到80 m時，上覆巖體的應力分帶稀疏，應力平衡被打破后，應力從不平衡向新平衡轉化。當這種采掘打破的原始平衡所展現出來的不可逆變形的煤層頂板塑性變化曲線呈現出橢圓形態。

3.2 位移分析

隨著煤層的不斷開挖，上覆巖體在重力作用下巖體發生垂向位移，位移形態總體為拱形，從圖2中a到b可以看出發生位移的巖體范圍逐漸擴大直至整個工作面頂部，位移變化逐漸呈現出典型的頂板“上三帶”，即冒落帶，導水裂隙帶，彎曲變形帶，愈是靠近煤層位移變化量級愈大，說明受采動影響最強烈，模擬結果一目了然，發生位移最大高度超過60 m。根據巖層的傾角和巖石的抗壓強度選擇“上三帶”最大高度經驗公式，算得H=61.44 m，導水裂隙帶發育高度在27m左右，從圖2中看出經驗公式計算結果與模擬結果基本吻合。

4 結論

（1）13-1#煤層主要受到二疊系砂巖裂隙水的威脅，雖然該含水層整體富水性弱，也要十分謹慎，以防局部富水性較強，在采掘擾動的情況下發生頂板突水。FLΑC3D得到上覆巖體的塑性變形整體上從下向上依次破壞，位移變形整體上是表現為拱形。（2）現代計算機技術的進步，使得只要提供的力學參數正確，模型正確，所使用計算方法正確可以真實的反應現實情況。如經驗公式獲得的冒落帶高度，導水裂隙帶高度和三帶總高度和FLΑC3D軟件計算結果十分接近，可以作為開采該煤層防頂板突水的理論依據。

［1］張緩緩，劉啟蒙，張丹丹.煤層底板采動變形破壞規律研究［J］.煤炭技術，2015（07）∶28-30.

［2］陳小飛，白群科.基于FLAC-（3D）的煤層回采覆巖破壞高度數值模擬研究［J］.山東煤炭科技，2014（05）∶136-138+140.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.19.170

余升紅（1990-），安徽安慶人，在讀研究生，主要從事地質構造研究。