煤層底板注漿前后采動效應數值模擬對比分析*

韓云春 ，劉朝偉，李寧，徐興東，李志兵 ，吳基文，翟曉榮

(1.深部煤炭開采與環境保護國家重點實驗室，安徽 淮南市 232001；2.平安煤炭開采工程技術研究院有限公司，安徽 淮南市 232001；3.青海能源魚卡有限責任公司，青海 德令哈市 817000；4.安徽理工大學，安徽 淮南市 232063)

0 引言

隨著煤炭開采深度的增加，采掘活動受高承壓水的威脅越來越嚴重，煤層底板突水成為制約我國煤炭資源的安全高效開采的重要因素[1?5]。研究高承壓水環境下的煤層底板采動效應，對保護煤礦安全和提升煤礦經濟效益都有十分重要的意義[6?8]。對承壓水體上的煤層底板進行注漿改造是防止煤層底板突水的常用手段，但是，在煤層底板注漿效果方面，目前的研究大都是針對未注漿的底板進行開展。對于煤層底板注漿改造的實際效果、注漿改造底板與原始底板的變形破壞特征的差異性，尚缺乏具體的定量研究[9?12]。因此，本文通過數值分析的方法，對比分析注漿前、后工作面底板變形破壞特征，揭示煤層底板注漿效果。

1 底板注漿前后采動效應數值模擬

1.1 計算模型的建立

本次研究采用FLAC3D數值模擬軟件，建立注漿前、后2種不同強度煤層底板的地質模型。2種地質模型的長x為550m、寬y為290m，高z為93m，如圖1所示。采煤工作面的走向長為440m、傾向長為220m，采煤工作面位于地質模型內部，采空區兩側各留設35m的煤柱，開切眼距模型邊界留設50m煤柱。

圖1 地質模型

1.2 模擬計算方案

為了保證煤層底板破壞深度的充分發展，本次考察2種模型的采煤工作面推進距離為90m時的底板破壞情況。

對模型進行網格劃分，并對不同巖層賦參。根據地質模型所處于的空間位置施加邊界荷載，上邊界按上覆巖體自重賦予應力，下邊界按承壓水壓力賦值，水平應力根據巖體泊松比計算[13?14]。

2 模擬結果分析

2.1 底板破壞深度

經數值模擬計算得出2種模型底板屈服破壞圖（見圖2），由圖2可知，模型Ⅰ（注漿前底板）、模型Ⅱ（注漿后底板）的最大底板破壞深度分別為13.05m和8.7m，當注漿后，底板強度增加，底板破壞深度顯著減小。

2.2 采動底板應力變化規律

以地質模型y坐標140m處為走向剖面，在該剖面上距離切眼80m處的位置，從煤層直接底開始向下每隔5m布置一個應力監控點，共布置9個監控點來監測開挖90m時的應力和位移變化情況，監測線位置如圖3所示。

圖2 2種模型底板屈服破壞

圖3 監測線位置

通過監測發現，當工作面從開切眼開始回采90m時，2種模型煤層底板的z方向應力分布具有差異性，由于煤層底板注漿，其巖體強度增加，使得同一深度處的z方向應力較未注漿底板的z方向應力有所增加，至煤層底板30m深度處，未注漿底板與注漿底板的z方向應力才趨于相同。在煤層直接底（距底板深度為0m）的位置差異最大，此處模型Ⅰ和模型Ⅱz方向應力分別為3.74 MPa和4.49 MPa，相差0.75 MPa（見表1）。

表1 2種模型Z方向應力隨距底板深度變化

如圖4所示，注漿底板相比于未注漿底板，其7.5～10 MPa的應力區（底板黃色區域）范圍有所收縮，原巖應力（底板綠色區域）有所擴大，說明注漿對煤層底板應力解除具有限制作用，起到了底板加固改造的效果。

圖4 2種模型z方向應力分布

2.3 采動底板變形規律

監測發現，當工作面從開切眼開始回采90m時，2種模型的位移隨煤層底板深度的變化表現出明顯的差異性，總體上，未注漿底板變形量大于注漿底板的位移量。距底板深度40m開始，2種模型的位移量相近，且變形量都開始接近于0（見圖5）。由圖6可知，相比于未注漿底板5～9.34 cm的較大變形區（底板紅色區域），注漿底板的變形區明顯收縮，采動影響下的注漿底板整體變形比未注漿底板小。

圖5 2種模型位移隨底板深度變化曲線

圖6 2種模型z方向位移分布

3 結論

通過數值分析，研究了注漿前底板和注漿后底板2種不同模型的采動效應，結果表明：

（1）煤層底板注漿后相比于注漿前，底板采動破壞深度減小，z方向應力增大，底板的位移量減小；

（2）采煤工作面底板注漿對巖體結構和強度的改造具有顯著效果，對煤層底板采動效應具有明顯的控制作用。