深部煤層開采軟-硬-軟互層組合底板應力分布與破壞特征模擬研究

王文苗，張培森，魏 杰，安羽楓

（山東科技大學 礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島 266590）

近年來，盡管國家一直在提倡煤炭去產能，但是煤炭作為我國的第一大基礎能源，生產量與需求量總體上依然呈現穩步增長趨勢，也在此趨勢下，我國煤礦淺部賦存的煤炭資源整體上接近枯竭，煤層開采水平開始不斷向深部延伸，開采強度也在不斷加大，煤層底板受“三高一擾動”影響愈發劇烈，底板原巖應力遭到嚴重破壞，并會進行重新分布直至達到新的平衡[1-5]。國內外相關專家學者[6-15]對煤層開采過程中，煤層底板受采動效應發生動態失穩過程以及變形破壞特征做了大量的研究工作，但是對流固耦合條件下，底板層次組合結構對底板采動效應的影響研究相對較少，故以恒源煤礦Ⅱ633工作面為地質背景，對Ⅱ633工作面煤層底板的沉積組合結構進行了總結，對工作面推進過程中，軟-硬-軟互層特定沉積結構底板的應力變化、位移變化以及塑性區分布規律進行深入研究，為不同沉積組合結構底板采動效應提供理論依據。

1 工程地質概況

恒源煤礦Ⅱ633工作面位于該礦Ⅱ63采區中上部，6#煤為其主采煤層。該工作面設計為綜采工作面，工作面長度100 m，工作面推進長度1 725.3 m（至停采線處），面積319 180.5 m2，煤層厚度1.7～3.5 m，平均厚度為3 m，煤層埋深為-585～-660 m，屬于深部開采，且整個工作面承受灰巖水壓影響較大，底板承壓水水壓約為4 MPa，對應突水系數為0.072～0.12 MPa/m。Ⅱ633工作面在帶壓開采過程中，煤層底板會受采動效應以及底板承壓水的耦合作用而破壞更為充分。

通過對恒源煤礦Ⅱ633工作面煤層底板鉆孔資料進行一定的組合分析，并對本工作面完整煤層底板各層巖體進行軟硬度分類、概化，確定煤層底板沉積組合結構為軟-硬-軟型底板結構，因此對Ⅱ633工作面深部開采條件下，軟-硬-軟互層沉積結構煤層底板的應力分布以及破壞特征進行了研究。

2 數值模型的建立

2.1 煤層頂底板巖性及參數確定

根據該礦關于6#煤的地質鉆探資料及Ⅱ633工作面鉆孔綜合柱狀圖，結合查找的相關資料可以得到模型各層巖性以及相關力學參數（表1）。

表1 模型各層巖性及力學參數

2.2 模型的建立

本次數值模擬計算，根據所研究方案和實際工程地質條件，確定了計算模型尺寸長×寬×高為：220 m×200 m×90.5 m。模型設計工作面的傾向長度為100 m，推進長度為120 m。6#煤層埋深取600 m，為消除邊界效應，在前后左右邊界分別留50 m保護煤柱；對模型四周邊界同時進行水平、垂直位移約束，底部為固定水壓邊界。為了模擬的真實性，模擬時除去模型中煤層上部的巖層，將未模擬到的上覆巖層所具載荷全部簡化為均布荷載的分布形式施加于模型頂部，則模型頂部所施加的均布荷載為13.5 MPa，模型底部采用固定水壓邊界模擬一灰承壓水水壓值（4 MPa）。本計算模型共劃分32 120個單元，35 742個節點。模型設計工作面沿y軸方向布置，沿x軸方向推進，每步開挖20 m，共計開挖6步，工作面總計推進120 m。工作面每推進20 m，對工作面進行充填，以此模擬采空區頂板垮落。

為了監測工作面底板的應力及位移隨工作面推進的變化規律，沿工作面推進方向，在煤層底板中間位置布設相應的應力測線以及位移測線，應力測點、位移測點布置間距均為10 m，應力測點編號依次為1#～15#；位移測點編號依次為 16#～30#。所建立的三維數值計算模型、通過CAD繪制的模型簡化立體圖以及測點布置示意圖如圖1～圖3。

圖2 模型簡化立體圖

3 模擬結果分析

3.1 底板應力變化規律

圖3 測點布置示意圖

通過模擬所得到的結果，提取每一步開挖過程中所布設的應力測點的數據，并繪制出對應的工作面推進不同距離時，煤層底板各測點的應力分布曲線圖如圖4，煤層底板垂直應力云圖如圖5（由于篇幅所限，只取工作面推進80 m和120 m時的應力云圖）。

圖4 各測點應力變化曲線

圖5 垂直應力云圖

結合圖4、圖5可以得出：在工作面推進過程中，煤層底板經歷了應力集中壓縮-底板隆起卸壓-頂板垮落、充填、壓實采空區3個階段的反復破壞過程，應力變化曲線呈類“M”形。

1）應力集中壓縮階段。在工作面回采過程中，工作面前方煤壁附近的煤層底板處于集中應力區域，測點所受的壓應力大于原巖應力（測點所測壓應力為負），集中應力峰值出現的位置不斷向前推移，集中應力峰值有所增大，但變化幅度不大，最大應力集中系數為1.74；而過了集中應力峰值之后，底板所受壓應力逐漸降低，并最終穩定在原巖應力附近。

2）底板隆起卸壓階段。在工作面推進過程中，工作面后方0～20 m范圍內頂板未彎曲下沉，煤層底板由于煤層開挖以及底板承壓水水壓的耦合作用而致使底板膨脹、隆起、卸壓，應力測點處于應力降低區，所測的壓應力值減小甚至趨近于0，這是因為在此位置底板應力迅速釋放、測點所受的壓應力減小所致。

3）頂板垮落、充填、壓實采空區階段。工作面推進一段距離后，采空區頂板垮落，并且由于巖石的碎脹性，垮落的巖石逐漸壓實采空區并且對頂板產生有效的支撐，并會產生一定的應力集中，之后隨著工作面的推進，煤層底板所受壓應力逐漸恢復，最終穩定在原巖應力的0.75～0.8倍左右。

3.2 底板位移變化規律

通過模擬所得到的結果，提取每一步開挖過程中所布設的位移測點的數據，繪制出的對應的工作面推進不同距離時，煤層底板的位移分布曲線圖如圖6。

圖6 工作面底板位移變化曲線

由圖6可以得出：煤層底板各測點的位移變化曲線呈“鋸齒”狀分布（位移向下為負，向上為正），這是由于在工作面推進過程中，煤層底板受到應力集中壓縮-底板隆起卸壓-頂板垮落、充填、壓實采空區的反復破壞；在工作面推進過程中，工作面前方煤壁附近測點由于處于應力集中區域，受集中應力影響而產生較大的向下的位移，且隨著工作面的推進，最大向下位移量向前推移，但是值變化不大，基本保持在-6.5 cm左右；在采空區，由于受承壓水水壓以及煤層開挖的耦合作用，致使底板卸壓、產生底鼓，最大底鼓量基本保持在+16.4 cm；采空區頂板垮落、充填、壓實采空區后，底板應力逐漸恢復，測點重新受壓而會產生一定的向下的位移，但所測位移值依然為正，即煤層底板整體上依然處于底鼓狀態，此外工作面推進長度越長，底鼓跨距越大。

3.3 底板塑性區發育規律

根據數值模擬的結果，得出在工作面的推進過程中，底板塑性區分布規律。工作面推進不同距離時的底板塑性區云圖如圖7，沿工作面推進方向底板塑性區分布形態如圖8（由于篇幅所限，只取工作面推進80 m和120 m時的塑性區云圖）。

圖7 底板塑性區分布

圖8 沿工作面推進方向底板塑性區分布形態

結合圖7、圖8可以得出：工作面前方煤壁附近由于應力集中而多發生剪切破壞，且發育深度較深，在工作面推進前80 m時，底板塑性區發育深度逐漸增加；當工作面推進80 m時，底板塑性區發育深度為12 m，之后隨著工作面的推進，煤層底板塑性區發育深度基本保持不變，但是塑性區范圍仍在擴大。

由模擬結果可得底板塑性區破壞深度h最大值為12 m，對比由柳聰亮[14]、關英斌[15]等所得的經驗公式以及《三下采煤規程》公式，模擬結果與經驗公式對比見表2。

表2 模擬結果與經驗公式對比表

由表2結果對比可得，模擬結果與經驗公式計算結果相差不大，故模擬結果正確且可靠。

4 結論

1）工作面推進過程中，煤層底板經歷了應力集中壓縮-底板隆起卸壓-頂板垮落、充填、壓實采空區3個階段的反復破壞過程，應力變化曲線呈類“M”形。隨著工作面的推進，集中應力峰值出現的位置隨著工作面的推進而不斷向前推移，最大應力集中系數為1.74；在工作面推進過程中，由于煤層開挖和承壓水水壓的耦合作用，底板卸壓，應力得以釋放；采空區頂板垮落后，底板應力逐漸恢復到原巖應力的0.75～0.8倍左右。

2）隨著工作面的推進，煤層底板各測點的位移變化曲線呈“鋸齒”狀分布；最大向下位移量向前推移，但是值變化不大，基本保持在-6.5 cm左右；在采空區，最大底鼓量基本保持在+16.4 cm；底板應力逐漸恢復，測點重新受壓而會產生一定的向下的位移，但煤層底板整體上依然處于底鼓狀態；工作面推進長度越長，底鼓跨距越大。

3）隨著工作面的推進，在工作面前方煤壁附近煤層底板發育深度較深，工作面底板塑性區發育深度逐漸加深并最終穩定在19 m左右，且對比經驗公式計算結果可得模擬結果的準確性與可靠性，但發育范圍逐漸擴大。