余升红

（安徽理工大学，安徽 淮南 232001）

基于FLAC3D的顶板采动破坏研究

余升红

（安徽理工大学，安徽 淮南 232001）

以朱集东矿13-1#煤开采为例，根据补勘报告中的力学参数和实际边界条件用FLAC3D进行模拟煤层在开挖过程中上下岩体的运移变形和塑形破坏特征；详细分析这2个特征对煤层顶板的破坏规律影响。结果表明∶工作面以步距20 m开挖时，煤层开挖的过程中完整性容易受到剪切破坏，顶板裂隙快速发育，进而发展为拉伸破坏，最终发生断裂、垮落，所以直接顶的垮落为拉伸破坏，且在局部富水性较强的区域会发生突水。

朱集东矿；FLAC3D；数值模拟

1 水文地质概况

13-1#煤层位于二叠系砂岩裂隙含水层段，二叠系砂岩裂隙含水层是该煤层开采的直接充水含水层。该含水层厚度范围为0.95 m-31.92 m平均厚度达到8.18 m，以细砂岩为主，具垂向裂隙，据11-1孔抽水试验资料表明13-1煤下消耗量达9.6m3/h，：水位标高3.33 m，q=0.000866 l/ s·m， k=0.0323m/d，水温18℃，水质类型为HCO3·Cl-Ca·Na富水性弱13-1#可采煤层顶板砂岩含水层之间有泥岩、砂质泥岩、粉砂岩和煤层等隔水岩石分布，阻隔砂岩水之间的水力联系。煤系的富水性与砂岩裂隙发育程度、裂隙开放程度和大小密切相关，由于区内砂岩裂隙发育的不均一性，导致砂岩含水性有很大差异。根据简易水文地质观测结果，仅有5个孔漏水，抽水资料表明区内砂岩裂隙不发育，富水性弱，为以储存量为主。虽然砂岩水整体富水性弱，但是在某些采段水压很大，局部富水性强，所以开采13-1#煤层时，仍然要关注顶板砂岩突水的可能.太原组灰岩在本矿井埋藏较深，主要为3#煤时底板进水直接充水含水层（组）与13-1#煤层开采无关。

2 开挖扰动模拟

由于13-1煤层起伏状态平缓，倾角小于5°故而构造模型为水平状态。为了模拟更为真实，煤层均厚4.12 m，现建立模型大小长×宽×高=250 m×210 m×64 m。本煤层平均埋深在-850 m，以公式（σz=γH）计算为21.25 MPa，在水平方向上施加由自重力产生的侧向应力σx= λ·σy，λ为侧压系数。采用摩尔-库伦本构模型，固定左右（x，y）边界和底部（z=0）边界，模型上边界不约束，为自由边界。模型共有单元格9600个，节点112025个。X方向2端各留60 m，y方向2端各留50 m，分5步开挖，开挖步距20 m，且每步开挖后填充，现取开挖40 m和80 m处分析，新力学参数如表1。

表1 新力学参数表

3 特征分析

3.1 塑性分析

随着煤层的不断开挖，煤层顶板先后出现不同程度的张性破坏和剪性破坏（如图1）。顶板泥岩的剪切模量很小，煤层开挖的过程中完整性容易受到剪切破坏，顶板裂隙快速发育，进而发展为拉伸破坏，最终发生断裂、垮落，所以直接顶的垮落为拉伸破坏。在采掘40 m处破坏高度在10 m左右，随着工作面推进到80 m，塑性破坏以非连续性的方式破坏到20 m高度，破坏范围在采掘工作面的顶部，塑性变化特征与应力特征的变化是密不可分的，煤层被开挖后，煤层的直接顶有效应力受采动影响最大，依次向上逐渐减小，当开挖40 m时，上覆岩体的应力分带稠密，说明应力平衡初被打破，梯度变化明显。当开挖到80 m时，上覆岩体的应力分带稀疏，应力平衡被打破后，应力从不平衡向新平衡转化。当这种采掘打破的原始平衡所展现出来的不可逆变形的煤层顶板塑性变化曲线呈现出椭圆形态。

3.2 位移分析

随着煤层的不断开挖，上覆岩体在重力作用下岩体发生垂向位移，位移形态总体为拱形，从图2中a到b可以看出发生位移的岩体范围逐渐扩大直至整个工作面顶部，位移变化逐渐呈现出典型的顶板“上三带”，即冒落带，导水裂隙带，弯曲变形带，愈是靠近煤层位移变化量级愈大，说明受采动影响最强烈，模拟结果一目了然，发生位移最大高度超过60 m。根据岩层的倾角和岩石的抗压强度选择“上三带”最大高度经验公式，算得H=61.44 m，导水裂隙带发育高度在27m左右，从图2中看出经验公式计算结果与模拟结果基本吻合。

4 结论

（1）13-1#煤层主要受到二叠系砂岩裂隙水的威胁，虽然该含水层整体富水性弱，也要十分谨慎，以防局部富水性较强，在采掘扰动的情况下发生顶板突水。FLΑC3D得到上覆岩体的塑性变形整体上从下向上依次破坏，位移变形整体上是表现为拱形。（2）现代计算机技术的进步，使得只要提供的力学参数正确，模型正确，所使用计算方法正确可以真实的反应现实情况。如经验公式获得的冒落带高度，导水裂隙带高度和三带总高度和FLΑC3D软件计算结果十分接近，可以作为开采该煤层防顶板突水的理论依据。

［1］张缓缓，刘启蒙，张丹丹.煤层底板采动变形破坏规律研究［J］.煤炭技术，2015（07）∶28-30.

［2］陈小飞，白群科.基于FLAC-（3D）的煤层回采覆岩破坏高度数值模拟研究［J］.山东煤炭科技，2014（05）∶136-138+140.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.19.170

余升红（1990-），安徽安庆人，在读研究生，主要从事地质构造研究。