基于有限元數值模擬的頂板破壞高度研究

襲俸加 張海濤 司鳳霞

摘 要：針對陽泉礦區(qū)15#煤頂板破壞進行研究，可以為煤礦的安全生產提供有效信息。通過對研究區(qū)15#煤頂板樣品進行力學性質試驗研究，得出15#煤頂板不同巖性巖石的力學參數，再結合數值模擬計算15#煤開采頂板破壞高度及其對上覆老空積水區(qū)的影響。結果表明：15#煤上方巖層主要為K2灰?guī)r及泥巖，其抗剪強度為1.18～1.21MPa;綜合數值模擬的結果，15#煤層開采片區(qū)在平均采厚為6.8m時，覆巖層垮落帶的最大高度應取為31m，導水裂隙帶的最大高度取76m。

關鍵詞：陽泉;15#煤頂板;巖石力學性質;數值模擬

中圖分類號：TD327 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）04-0112-03

Study on Roof Failure Height Based on Finite Element Numerical Simulation

——A Case Study of 15#Coal in Yangquan Mining Area

XI Fengjia ZHANG Haitao SI Fengxia

（School of Resources and Civil Engineering， Suzhou University，Suzhou Anhui 234000）

Abstract： The research on roof failure of 15# coal in Yangquan mining area can provide effective information for safe production of coal mine. The mechanical properties of 15# coal roof samples in the study area were experimentally studied. The mechanical parameters of different lithologic rocks in 15# coal roof were obtained. Then the failure height of 15# coal roof and its influence on the overlying old goaf water accumulation area were calculated by numerical simulation. The results showed that the strata above 15# coal were mainly K2 limestone and mudstone， and their shear strength was between 1.18 and 1.21MPa. Comprehensive numerical simulation results showed that when the average mining thickness of 15# coal mining area was 6.8m， the maximum height of overburden caving zone should be 31m， and the maximum height of water-conducting fracture zone should be 76m.

Keywords： Yangquan;15# coal roof;rock mechanical properties;numerical simulation

陽泉礦區(qū)是國內最大的無煙煤生產基地[1，2]，主采煤層為15#、12#、3#煤層。煤層頂板穩(wěn)定性研究中，頂板巖層中各類巖石的力學性質是相當重要的組成部分。基于此，本文以陽泉地區(qū)15#煤頂板巖石為研究對象，在對其進行系統(tǒng)的常規(guī)物理性質研究的基礎上，對巖石樣本進行單軸拉壓、壓縮變形等試驗，并計算出彈性模量及泊松比等力學性質數據，再對得到的試驗數據進行數理分析，以期為陽泉地區(qū)15#煤礦的開采支護等提供相關信息。

1 陽泉礦區(qū)地質概況

陽泉礦區(qū)位于山西省沁水盆地，走向長156km，傾向寬16km，面積約2 500km2[3，4]。該區(qū)含煤地層主要有山西組和太原組，所要研究的15#煤礦位于太原組，是礦區(qū)埋藏最深、厚度最大全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。15#煤層平均厚度為6.8m，由礦區(qū)含煤地層綜合柱狀圖可知，煤礦頂板巖石主要組成成分為K2灰?guī)r及泥巖。

2 巖石力學試驗及結果

影響巖石穩(wěn)定性的因素一般有力學性質及物理性質兩種，本文主要研究力學性質并進行試驗分析，從而為礦區(qū)15#煤頂巖層的開采穩(wěn)定性分析提供數據資料。巖石的力學性質試驗通常包括抗剪試驗、單軸拉壓試驗和泊松比、彈性模量測定等[5]。最終試驗得到的結果如表1所示。

3 15#煤頂板破壞高度研究

3.1 數值模型建立與參數選取

在充分收集、分析礦區(qū)現(xiàn)有頂板破壞資料的基礎上，主要采用有限元程序模擬計算15#煤開采頂板破壞高度及其對上覆老空積水區(qū)的影響。本模型為沿工作面走向的垂直剖面，邊界條件采用左、右邊界鉸支，底邊界固定的方式，上部施加相當于上覆巖土層自重（10.6MPa）的補償荷載;簡單建立的工程地質物理模型，模型長度450m，縱向最大尺寸60m。單元劃分以四節(jié)點等參元為主，單元形狀以矩形為主，加以少量退化三角形單元，共劃分單元3 665個，節(jié)點11 024個。同時，模擬所需的參數以表1為主。

3.2 參數化模擬及結果分析

3.2.1 采場上覆巖層移動規(guī)律。此次數值模型主要討論開采15#煤層平均厚度6.8m，推進120m（走向）時巖體內應力、變形和位移情況。當達到一定的采空時，在拉應力以及剪應力的共同作用下，煤層頂板發(fā)生由下向上逐步傳遞的開裂、塌陷變形。數值模擬結果顯示，當開采120m、采厚為6.8m時，頂板巖層的下沉值最大為5.68m，隨著采厚的加大，這種差異慢慢減弱。水平方向的位移趨勢是對著采空區(qū)中心方向移動，采空區(qū)水平位移最大處在采空區(qū)兩側方向的地表。對于開采120m、采厚6.8m時，頂板巖層最大水平移動值為1.49m。

3.2.2 采場上覆巖層應力變化特征。接下來，專門研究推進120m、采厚6.8m煤頂板上方巖層內的最大剪應力、主應力及有效應力分布特征，如圖1所示。通過分析可知，在采空區(qū)的外側上沿存在最大剪應力為7.04MPa，采空區(qū)的外側下沿存在最小剪應力為2.1MPa。有效應力與剪應力基本相同，所不同的是有效應力最大為13.37MPa，最小為2.7MPa。開采之后的最大主應力大約在采空區(qū)外側兩邊向上45°。最大壓應力為2.24MPa，最大拉應力為5.38MPa;開采之后的最小主應力大約在采空區(qū)外側的兩邊，最大壓應力19.47MPa，最大拉應力0.28MPa。

通過礦區(qū)覆巖結構特征的分析，并結合具體工作面的地質采礦條件，經數值模擬分析確定工作面15#煤層在采厚6.8m時導水裂縫帶高為73m。

綜合數值模擬分析結果可知，陽泉礦區(qū)15#煤層在采厚為6.8m時，覆巖層垮落帶的最大高度不得超過31m，導水裂隙帶的最大高度不得超過76m。分析鉆孔綜合柱狀圖可知，導水裂隙帶達到最大高度時會到達8#煤層頂板，導通8#煤層至15#煤頂板間的各砂巖與灰?guī)r含水層。若先行開采15#煤，會對8#煤與12#煤開采造成影響;如果先行開采8#煤與12#煤后再開采15#煤，也可能造成15#煤工作面涌水量增大，建議詳查后再進行設計;對于3#煤層尚無構成威脅。

而在開采過程中預測15#煤開采涌水量仍然是必要的，若預測水量不大，設計與完善工作面防排水系統(tǒng)即可滿足安全生產需要;當預測水量過大時，應該先對頂板水采取提前疏放的措施，防止發(fā)生涌水造成工程事故。

4 結論

在系統(tǒng)地對陽泉地區(qū)15#煤頂板不同巖性巖石進行相關力學性質試驗的基礎上，進行參數化模擬計算，取得了如下結果。

①陽泉地區(qū)15#煤開采區(qū)域其頂板巖石主要由K2灰?guī)r及泥巖組成。

②頂板巖石抗剪強度為1.18～1.21MPa，抗拉強度為0.28～0.46MPa，泊松比為0.24～0.35，彈性模量為0.28～0.36。

③綜合數值模擬與經驗公式分析的結果，15#煤層開采片區(qū)在平均采厚為6.8m時，覆巖垮落帶高度的最大值應取31m，導水裂隙帶高度的最大值取76m，而開采涌水量需要另行計算。

參考文獻：

[1]徐振永.沁水盆地晚古生代煤系層序地層及巖相古地理研究[J].煤田地質與勘探，2007 （4）：122-125.

[2]李增學，余繼峰.華北陸表海盆地海侵事件聚煤作用研究[J].煤田地質與勘探，2002 （3）：1-5.

[3]熊德國，趙忠明，蘇承東，等.煤系地層巖石力學性質影響的試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2011（5）：998-1006.

[4]侯蘭杰.砂巖組構與巖石力學性質關系的研究[J].綿陽經濟技術高等專科學校學報，2002（1）：1-5.

[5]朱國維，丁雯，武彩霞.華北煤田底板礦井水分布及突水機理淺析[J].中國煤炭，2008（2）：9-11.