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摘要：在我国许多地区煤矿都受承压水的威胁，矿区范围内陷落柱和断裂构造大量发育，加上奥陶系灰岩水压高、富水性强、隔水层薄、水源补给区域较大，导致近年来华北地区煤矿多发重特大突水事故，对于承压水上采煤底板的破坏深度和破坏规律的研究显得十分必要。本文结合试验煤矿膏体充填开采工作面的具体情况，运用经验公式、理论推导、FLAC3D数值模拟以及现场钻孔注水实验对煤层底板破坏规律以及破坏深度进行研究。根据塑性力学理论，求得了煤层底板的理论最大破坏深度计算公式；运用FLAC3D数值模拟软件，研究了充填体强度这个因素对煤层开采过程中垂直应力、塑性破坏区的影响，分析了它们的变化规律；利用钻孔注水实验对膏体充填开采工作面底板破坏深度进行探测，得到了实际工作面底板破坏深度。

关键词：承压水；煤层开采；底板破坏；数值模拟

0引言

伴随着煤层开采深度和强度的增加，自然灾害如煤层底板突水发生的可能性在增加，这对矿井的安全造成严重的威胁。采用新近发展起来的绿色采矿技术—膏体充填采矿法，能够满足这方面的要求。国内研究者对于充填开采法防治承压水上采煤底板的破坏进行了大量理论研究和实践应用，但对于高承压水、复杂开采地质条件下安全采煤的研究仍需进一步开展，因此正确评价和分析膏体充填开采下工作面下底板的变形破坏和应力场分布规律，采取有效的措施，确保矿井安全生产成为膏体充填带压开采的关键。采用膏体充填技术进行承压水上采煤，不仅关系关系到煤炭资源的充分开采，也关系到煤矿企业的生产安全和经济效益。在我国市场经济条件下，受水威胁的煤矿企业能否实现安全高效生产及可持续发展，对于膏体充填开采下工作面下底板破坏深度及破坏规律的研究显得十分必要和迫切。通过膏体充填开采研究分析底板的变形破坏和应力场分布规律，对于煤矿底板防治水研究理论的深化，以及煤矿企业的安全高效开采和可持续发展，都具有显著的现实意义。

1工程概况

试验矿井主要可采煤层为3上、16和17煤层，3下煤层局部可采；矿井采用立井分水平开拓，当前生产水平为-410 m水平，开采3上和3下煤层；-580 m水平正在开拓之中，新水平的首采工作面将要投产，开采16、17煤层，16煤层平均厚度为1.5 m，17煤层平均厚度为1.2 m。目前，矿井可采储量仅有3670万t，按照300万t/年的生产能力计算，矿井剩余服务年限为只有12年。另外，该煤矿村庄下压煤问题十分突出，井田范围内地面村庄稠密，共有78个自然村，可采储量中村庄下压煤量高达80 %，达到7900余万t，其中3上煤层村庄下压煤量5000多万t，占全部村庄压煤量的63 %。由于地面村庄稠密，多数情况村庄保护煤柱之间已经相互重叠连成一体，加上地处济宁市区城乡结合部的优越地理位置条件，压煤村庄总体上没有搬迁的可能，实际上如此密集的村庄也无处可迁。因此，根据矿上总体意见，固体废物膏体充填不迁村采煤技术是试验矿可持续发展的重要技术之一，并且已采用3上煤层的2300采区作为固体废物膏体充填不迁村技术试验区域。2300采区主采煤层为早二叠系山西组的3上煤，该煤层黑色，亮煤为主，夹镜煤条带，条带状结构，层状构造。煤层厚度在2.2～3.34m之间，平均2.73m，煤层结构简单，倾角一般3～12°，平均为4°，煤层底板标高-411.2～-368。采区煤层直接顶以中粒砂岩为主，老顶以粉砂岩为主，直接底以粉砂岩为主，老底以细粒砂岩为主，具体情况如表1所示。顶板岩石抗压强度：粉砂岩为33.1 ～ 64.5 MPa，平均48.5 Pa；中砂岩为60.1 ～ 114.9 MPa，平均79.6 MPa；泥岩为44.8 ～ 55.5 MPa，平均50.2 MPa。一般条件下工作面直接顶垮落步距15 m左右，老顶初次来压步距23 m左右，周期来压步距10 m左右，来压不明显，总体上3上煤层顶板可归为Ⅱ～Ⅲ 类中等稳定～稳定顶板。

2 数值模拟软件概述

本文采用的连续介质快速拉格朗日差分法（Fast Lagrangian Analysis of Continua，简写为 FLAC）是近年来逐步成熟完善起来的一种新型数值分析方法，它是用显式拉格朗日差分法来进行的数值模拟，由美国 Itasca 咨询公司于 1986 年研制推出。程序建立在拉格朗日算法基础上，是目前公认的世界上优秀的岩土力学数值计算软件包之一。它能较好地模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏或塑性流动的力学行为，分析渐进破坏和失稳，特别适用于模拟大变形。FLAC 设有多种本构模型，另外，程序还设有界面单元，可以模拟断层、节理和摩擦边界的滑动、张开和闭合行为。支护结构如砌衬、锚杆、支架等与围岩的相互作用也可以在 FLAC 中进行模拟。FLAC 采用显式算法来获得模型全部运动方程的时间步长解，从而可以追踪材料的渐进破坏和垮落，这对研究开采的时间效应和空间效应是非常重要的。此外，程序允许输入多种材料类型，亦可在计算过程中改变某个局部的材料参数，增强了程序使用的灵活性，用来提供采动区域的垮落过程和开采中的充填过程。FLAC 具有强大的后处理功能，用户可以直接在屏幕上绘制或以文件形式创建和输出打印多种形式的图形。使用者还可根据需要，将若干个变量合并在同一幅图形中进行研究分析。与其它数值软件如 ANSYS、ADINA 相比，FLAC 的特点是计算分析岩土工程中的物理不稳定问题，因而适用于岩土工程中几何和物理高度非线性问题的稳定性分析，如采场的采动影响规律、地下巷道的大变形问题及围岩应力场问题、矿体滑坡、煤矿开采沉陷预测、水利枢纽岩体稳定性分析等。现在已经逐步发展到应用于地质力学问题的研究。在国外该软件主要用于以下几方面的研究，如工程地质、构造地质学、大陆动力学、成矿学；国内主要用于工程地质、构造地质学、大陆动力学等的研究。三维数值模拟软件 FLAC3D应用有限差分方法建立了单元应力应变和结点位移等计算方程，使其能够在使用较小内存、保证较高精度和保持较快运算速度的条件下建立大规模的复杂数值模型。因此在包括采矿工程在内的大型岩土工程中获得了较为广泛的应用。它采用拉格朗日算法，考虑变形对结点坐标的影响，因此适合于建立大变形非线性模型，这也是其能在采矿工程中得到广泛应用的一大优势。其在采矿工程中更具有优势的一个特点是它以运动方程为基本差分方程。这样，它能够模拟材料和结构逐渐稳定，进而发生塑性破坏，最后又逐渐稳定的动态过程，这基本接近了采矿工程中岩体受采动影响发生的破坏稳定情况。

3 数值模型的建立

为满足模拟结果的精确性和接近实地条件的要求，以膏体充填开采工作面实际条件为原型，建立Flac3D三维数值模拟模型，基于减小边界效应和简化计算的综合考虑，设置模型长度200m，宽度184m，高度70m。模型中采煤工作面斜长140m，采高2m。计算模型边界条件确定如下：（1）模型前后和左右边界施加水平约束，边界水平初始位移为零。（2）模型底部边界水平、垂直初始位移均为零。（3）模型顶部为施加上覆岩重的均布载荷。模型底端应施加等效载荷，即下覆岩层的反力，其值为上覆岩层的自重应力。开采初期应计算平衡，使其在垂直方向上形成应力梯度，达到原始地应力场。前后左右各侧面在水平方向上施加由自重应力产生的侧向应力。数值模拟的优势在于其速度快和条件的可选择性，为了弄清充填体强度、充填步距以及充填率对充填开采底板破坏的影响程度，拟采用如下方案进行模拟：设定充填率为1、充填体步距为2.4m时，分析不同充填体强度（1MPa、2MPa、3MPa、5Mpa）下工作面围岩应力和变形分布情况，研究充填体强度对底板破坏深度的影响。

4 模型物理力学参数的选取

模型中煤岩体的物理力学参数以实验室煤岩样力学测试试验为准，煤岩体物理力学参数见表1。

5 数值模拟结果分析

设定工作面推进100m，充填率为100%，分析不同充填体强度（1MPa、2MPa、3MPa、5MPa）条件下塑性区和巷道围岩应力分布情况情况，模拟结果如图4-6所示（工作面中间沿工作面推进方向做剖面）。

由图1、图2及表1可以看出：（1）随着充填体强度的增加，采场围岩垂直应力大于14MPa的区域逐渐缩小，当充填体强度增加至5MPa时，范围降低70%～80%；垂直应力最大值从20MPa逐渐降低到16MPa，较充填体1MPa时降幅约为20%。（2）充填体强度增加的过程中，底板已贯通的塑性区并未有明显变化，工作面底板破坏深度为3m左右。

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作者简介：张林（1999.05），男，汉族，贵州省织金县人，在读本科学生，主要从事采矿工程专业方面的学习和研究。

国家级大学生创新创业训练计划项目（项目编号：202310977026 ）