三元福達煤礦15號煤層上覆巖層破壞規律的模擬分析

郝振寧

(山西三元福達煤業有限公司，山西 武鄉 046300)

煤層開采后，上部巖層在自重的作用下，引起上覆巖層的變形、移動與破壞，并漸次向上發展，在頂板中自下而上形成垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。因此可基于采動覆巖破壞、斷裂機理，通過分析采空區頂板斷裂、離層、下沉、裂隙分布及延伸特性，為確定開采上限、瓦斯高位鉆孔終孔層位、采煤工藝及參數等工作提供幫助。

1 工程背景

山西三元福達煤業有限公司位于山西省武鄉縣，是一個兼并重組礦井。礦井設計可采儲量2 631.8萬t，服務年限為17 a.三元福達煤礦目前主采15號煤層，本煤層為全井田穩定可采煤層，位于太原組底部，煤層厚度3.70～4.97 m，平均4.49 m，含1～4層泥巖及炭質泥巖夾矸，埋藏深度220～400 m，煤層傾角2～14°，平均普氏硬度系數0.96.煤層直接頂多為泥巖、砂質泥巖，普氏硬度系數2.8～3.7，基本頂為粉砂巖、細砂巖，普氏硬度系數6.9～10.1.

15號煤層為黑色、灰黑色，強玻璃光澤-金剛光澤，具節理，發育階梯狀、棱角狀斷口，有一定韌性，中條帶狀、線理狀結構，塊狀或層狀構造，裂隙不發育。

煤樣“應力-應變”曲線圖、煤樣強度曲線圖如圖1和圖2所示。15號煤層試樣物理性質、力學性質及抗剪切強度如表1、表2和表3所示。

圖1 煤樣應力-應變曲線圖

圖2 煤樣強度曲線圖

表1 15號煤層試樣物理性質

表2 15號煤層試樣的力學性質

表3 煤樣抗剪切強度測試結果

2 FLAC3D簡介

FLAC3D是FLAC軟件在三維層面的補充和拓展，進一步實現了更貼近現場，更深層次的應力分析，對于求解地下采場、深基坑、隧道、邊坡等的應力分析有了進一步的突破，可以通過具體的模擬參數確定相應的操作指令，得到對應的數據模型，方便數據模擬，同時FLAC3D軟件提供多樣化的材料力學模型，可以切實反映出現場力學變化行為，通過動力、靜力、滲流、蠕變、溫度等5種計算模式，實現多模式化整合分析，高效模擬出工作面現場斷層、陷落柱、不連續地質面等地質現象及錨桿(索)、木樁、鋼架梁等支護方式。

3 模擬模型建立及分析

根據15號煤層試樣物理性質、力學性質及抗剪切強度建立相應FLAC3D模型，通過分析上覆巖層破壞形成的塑性區可以揭示工作面開采后頂板巖層破壞規律，如圖3、圖4、圖5和圖6所示，為塑性區形成及發展過程，反映了不同推進距離覆巖塑性區的發育情況。

圖3 工作面推進10 m沿走向和傾向塑性區分布

圖4 工作面推進30 m沿走向和傾向塑性區分布

圖5 工作面推進50 m沿走向和傾向塑性區分布

圖6 工作面推進60 m沿走向和傾向塑性區分布

通過分析圖3至圖6，在15號煤層工作回采的開始階段，直接頂上方存在部分拉伸破壞，程度較輕，再往上的破壞形式以剪切破壞和剪拉組合破壞為主，塑性區高度達18.5 m；隨著工作面的推進，拉伸破壞的區域呈擴大趨勢，直接頂往上部分的剪切破壞和剪拉破壞的區域也呈現擴大趨勢，隨著回采進行至30 m的時候，頂板拉伸破壞高度為12 m，傾向塑性區的分布高度為46 m，頂板拉伸及剪切裂隙大范圍發育，工作面頂板斷裂及垮落，從而產生初次來壓，工作面回采至50 m和60 m時，塑性區的高度分別為64.5 m和67 m，塑性區在垂直方向上發展趨于穩定。

4 結 語

1) 三元福達煤礦15號煤層工作面在回采期間的沿走向和傾向塑性區分布呈現橫向類似對稱，在發展趨于穩定時，形成兩端高、中間低的模型對稱分布，破壞范圍在采空區中央分布范圍要低于邊界分布范圍，破壞最高點位于開采邊界內，主要因邊界煤柱的存在，覆巖巖體位于拉壓應力區，使其上部破壞范圍較大一些。

2) 三元福達煤礦15號煤層工作面剪切破壞主要分布在塑性區的上方，伴隨著工作面回采推進，其分布范圍呈現拋物線形發育，說明工作面回采初期以剪切破壞為主，隨工作面推進，裂隙逐步發育，進而發展為以拉伸破壞和剪拉破壞分布為主。

3) 三元福達煤礦15號煤層工作面塑性區的分布在垂直方向上具有明顯的分區特征，自煤層頂板由下而上，依次為拉破壞區域、剪拉破壞區域、剪切破壞區和未破壞區域。拉破壞區域對應于垮落帶(0～12 m).由于彎曲下沉帶底部巖層產生塑性變形，局部發生剪切破壞，因此裂隙帶包括剪拉破壞區域和部分剪切破壞區，裂隙帶高度為48.5～64.5 m，平均56.5 m.