云南某礦近距離下行開采礦壓規律分析

（云南煤礦安全技術中心有限公司，云南昆明 650000）

1.礦山概況

云南某礦地形西北低東南高，地形最低標高+1960m，礦權范圍內開采標高+1810m～+1930m，無平硐開拓條件。煤系地層為層狀含隔水層相間的地層，富水性弱。地表無大的水體，地下水的補給主要是大氣降水及地表山間河流大河水、少量斷層水，水文地質條件為較復雜類型。礦區屬于層狀巖類半堅硬―軟弱為主的層狀巖石，力學強度不均，軟硬相間，風化作用較強，節理發育，煤層直接頂底板以泥巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖為主，巖石穩定性差，工程地質條件中等。由于鄰區及周邊礦山開采原因，已導致核實區局部水質變化和局部地表變形塌裂現象，但無大的污染源、無熱害、地表水質與地下水水質較好，總體無其他環境地質隱患，地質環境質量中等。

礦井最大瓦斯涌出量為20.99m3/t，最大絕對瓦斯涌出量為2.041m3/min，為高瓦斯礦井。各煤層均為不自燃煤層；均具有爆炸性。但核實區及附近老窯開采實踐系統調查均未發現煤層煤塵爆炸及火區跡象。礦區范圍內可采煤層C13、C14、C21共3層，C13煤層為最上層，平均厚1.59m，距下層C14煤層12m～10.28m；C14煤層為中層，平均厚2.63m，距下層C21煤層約25m；C21煤層為最下層，平均厚2.45m，各煤層平均傾角40°，屬傾斜中厚煤層群。礦井采用斜井開拓，走向長壁采煤法，一次采全高，單體液壓支柱配鉸接頂梁支護頂板，全部垮落法管理頂板。

由于C13、C14、C21煤層距離較近，傾角較大，可能會在開采過程中影響到下煤層的開采。因此本文以云南某礦為研究對象，利用FLAC3D數值模擬軟件分析各煤層開采過程中的底板礦壓運移規律，旨在探究開采煤層采場應力之間的相互影響，為礦山的安全生產提供理論依據，對相似礦山條件生產起到借鑒意義。

2.各煤層底板破壞深度分析

根據礦山壓力與巖層控制理論，在底板中傳遞的支承壓力，超過底板巖體的極限強度時，底板巖體將發生塑性變形，塑性破壞區可分為3個區：主動應力區、過渡區和被動應力區[1-2]。圖1所示中I區為主動應力區，其中：

圖1 地基中的極限平衡區

式中：?―煤體的內摩擦角；II區為過渡區，CH和CD曲線為對數螺旋線。

式中：r―以A、B為原點與r0成θ角處的螺線半徑；r0―BC或AC的長度；θ―r與r0的夾角。

III區為被動應力區，其中：

由于支承壓力影響而形成的破壞深度，如圖2所示，可用D表示破壞深度[3-5]。

圖2 支承壓力形成的底板破壞深度

將上述式子代入即可得：

根據云南某礦地質報告所述，取煤的內摩擦角為φ=32°，應力集中系數n=1.3，煤的內聚力Cm=1.25MPa，巖石容重γ=2.5kg/m3，平均埋深H=100m。將數據代入煤層塑性區的寬度中，3個煤層塑性區的寬度分別為：L13=1.53m，L14=2.53m，L21=2.36m；再次代入到底板最大破壞深度計算公式，Dmax,13=3.75m，Dmax,14=6.2m，Dmax,21=5.79m。通過計算可知，3個煤層開采過程中對底板的破壞深度在3.75～6.2m，而3個煤層間距為10.28m和25m，因此各煤層間開采后不會造成太大影響。但以上公式為單獨考慮各煤層單獨開采時所對底板造成的影響，未考慮C13和C14開采后耦合影響對C21煤層的破壞情況，下面利用FLAC3D軟件進行分析。

3.數值模擬分析

簡化云南某礦實際情況作為模擬模型，模型尺寸為長×寬×高= 150m×100m×200m，164547個單元，161793個節點。模型上邊界按上覆巖層厚度施加均布載荷，下邊界垂直位移固定，左右兩側水平位移固定。模型采用的圍巖本構關系為摩爾―庫侖模型，如圖3所示。模型上部邊界至地表范圍內圍巖以均布載荷的形式加在上部邊界，載荷大小為P=2500kg·m-3×10m·s-2×100m=2.5MPa。模擬工作面長度為120m，兩側留邊界煤柱各15m[6]。

圖3 各煤層塑性區分布

C13煤層頂板為含菱鐵條帶粉砂質泥巖，單軸干抗壓強度28.72MPa～50.7MPa，軟化系數0.72。C14煤層頂板為含高嶺石粉砂質泥巖，單軸干抗壓強度17.9MPa～20.7MPa，軟化系數0.57。C14煤層底板泥巖，單軸干抗壓強度1.39MPa～15.7MPa，軟化系數0.55。C13、C21煤層頂底板為粉砂質泥巖，單軸干抗壓強度17.9MPa～20.7MPa，軟化系數0.65。該地層具軟弱相間工程地質特征，坑道易產生“膨脹或底鼓”等不良工程地質問題[7]。煤巖體力學參數如表1所示。

表1 煤巖體力學參數

通過塑性區分布可知，C13煤層開采后塑性區最大深度為3.42m，C14煤層開采后塑性區最大深度為6.58m，C21煤層開采后塑性區最大深度為7.83m，因此開采C13煤層的時不太可能破壞底板的C14煤層，但應在開采過程中應給予一定的保護措施，防止C14煤層被破壞。而C13和C14開采后對于C21耦合影響較小，因C21煤層相對C14煤層垂距較遠，不會對C21煤層產生破壞。

4.結論

本文以云南某礦為研究對象，利用理論分析和數值模擬分析了C13、C14、C213層煤開采后的底板破壞深度，其破壞深度在3.75m～6.2m，而3個煤層間距為10.28m和25m，因此各煤層間開采后不會造成太大影響，可保證煤礦的安全高效生產，為相似條件的礦山起到引導借鑒的意義。