基于有限元数值模拟的顶板破坏高度研究

袭俸加 张海涛 司凤霞

摘 要：针对阳泉矿区15#煤顶板破坏进行研究，可以为煤矿的安全生产提供有效信息。通过对研究区15#煤顶板样品进行力学性质试验研究，得出15#煤顶板不同岩性岩石的力学参数，再结合数值模拟计算15#煤开采顶板破坏高度及其对上覆老空积水区的影响。结果表明：15#煤上方岩层主要为K2灰岩及泥岩，其抗剪强度为1.18～1.21MPa;综合数值模拟的结果，15#煤层开采片区在平均采厚为6.8m时，覆岩层垮落带的最大高度应取为31m，导水裂隙带的最大高度取76m。

关键词：阳泉;15#煤顶板;岩石力学性质;数值模拟

中图分类号：TD327 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）04-0112-03

Study on Roof Failure Height Based on Finite Element Numerical Simulation

——A Case Study of 15#Coal in Yangquan Mining Area

XI Fengjia ZHANG Haitao SI Fengxia

（School of Resources and Civil Engineering， Suzhou University，Suzhou Anhui 234000）

Abstract： The research on roof failure of 15# coal in Yangquan mining area can provide effective information for safe production of coal mine. The mechanical properties of 15# coal roof samples in the study area were experimentally studied. The mechanical parameters of different lithologic rocks in 15# coal roof were obtained. Then the failure height of 15# coal roof and its influence on the overlying old goaf water accumulation area were calculated by numerical simulation. The results showed that the strata above 15# coal were mainly K2 limestone and mudstone， and their shear strength was between 1.18 and 1.21MPa. Comprehensive numerical simulation results showed that when the average mining thickness of 15# coal mining area was 6.8m， the maximum height of overburden caving zone should be 31m， and the maximum height of water-conducting fracture zone should be 76m.

Keywords： Yangquan;15# coal roof;rock mechanical properties;numerical simulation

阳泉矿区是国内最大的无烟煤生产基地[1，2]，主采煤层为15#、12#、3#煤层。煤层顶板稳定性研究中，顶板岩层中各类岩石的力学性质是相当重要的组成部分。基于此，本文以阳泉地区15#煤顶板岩石为研究对象，在对其进行系统的常规物理性质研究的基础上，对岩石样本进行单轴拉压、压缩变形等试验，并计算出弹性模量及泊松比等力学性质数据，再对得到的试验数据进行数理分析，以期为阳泉地区15#煤矿的开采支护等提供相关信息。

1 阳泉矿区地质概况

阳泉矿区位于山西省沁水盆地，走向长156km，倾向宽16km，面积约2 500km2[3，4]。该区含煤地层主要有山西组和太原组，所要研究的15#煤矿位于太原组，是矿区埋藏最深、厚度最大全区稳定可采煤层。15#煤层平均厚度为6.8m，由矿区含煤地层综合柱状图可知，煤矿顶板岩石主要组成成分为K2灰岩及泥岩。

2 岩石力学试验及结果

影响岩石稳定性的因素一般有力学性质及物理性质两种，本文主要研究力学性质并进行试验分析，从而为矿区15#煤顶岩层的开采稳定性分析提供数据资料。岩石的力学性质试验通常包括抗剪试验、单轴拉压试验和泊松比、弹性模量测定等[5]。最终试验得到的结果如表1所示。

3 15#煤顶板破坏高度研究

3.1 数值模型建立与参数选取

在充分收集、分析矿区现有顶板破坏资料的基础上，主要采用有限元程序模拟计算15#煤开采顶板破坏高度及其对上覆老空积水区的影响。本模型为沿工作面走向的垂直剖面，边界条件采用左、右边界铰支，底边界固定的方式，上部施加相当于上覆岩土层自重（10.6MPa）的补偿荷载;简单建立的工程地质物理模型，模型长度450m，纵向最大尺寸60m。单元划分以四节点等参元为主，单元形状以矩形为主，加以少量退化三角形单元，共划分单元3 665个，节点11 024个。同时，模拟所需的参数以表1为主。

3.2 參数化模拟及结果分析

3.2.1 采场上覆岩层移动规律。此次数值模型主要讨论开采15#煤层平均厚度6.8m，推进120m（走向）时岩体内应力、变形和位移情况。当达到一定的采空时，在拉应力以及剪应力的共同作用下，煤层顶板发生由下向上逐步传递的开裂、塌陷变形。数值模拟结果显示，当开采120m、采厚为6.8m时，顶板岩层的下沉值最大为5.68m，随着采厚的加大，这种差异慢慢减弱。水平方向的位移趋势是对着采空区中心方向移动，采空区水平位移最大处在采空区两侧方向的地表。对于开采120m、采厚6.8m时，顶板岩层最大水平移动值为1.49m。

3.2.2 采场上覆岩层应力变化特征。接下来，专门研究推进120m、采厚6.8m煤顶板上方岩层内的最大剪应力、主应力及有效应力分布特征，如图1所示。通过分析可知，在采空区的外侧上沿存在最大剪应力为7.04MPa，采空区的外侧下沿存在最小剪应力为2.1MPa。有效应力与剪应力基本相同，所不同的是有效应力最大为13.37MPa，最小为2.7MPa。开采之后的最大主应力大约在采空区外侧两边向上45°。最大压应力为2.24MPa，最大拉应力为5.38MPa;开采之后的最小主应力大约在采空区外侧的两边，最大压应力19.47MPa，最大拉应力0.28MPa。

通过矿区覆岩结构特征的分析，并结合具体工作面的地质采矿条件，经数值模拟分析确定工作面15#煤层在采厚6.8m时导水裂缝带高为73m。

综合数值模拟分析结果可知，阳泉矿区15#煤层在采厚为6.8m时，覆岩层垮落带的最大高度不得超过31m，导水裂隙带的最大高度不得超过76m。分析钻孔综合柱状图可知，导水裂隙带达到最大高度时会到达8#煤层顶板，导通8#煤层至15#煤顶板间的各砂岩与灰岩含水层。若先行开采15#煤，会对8#煤与12#煤开采造成影响;如果先行开采8#煤与12#煤后再开采15#煤，也可能造成15#煤工作面涌水量增大，建议详查后再进行设计;对于3#煤层尚无构成威胁。

而在开采过程中预测15#煤开采涌水量仍然是必要的，若预测水量不大，设计与完善工作面防排水系统即可满足安全生产需要;当预测水量过大时，应该先对顶板水采取提前疏放的措施，防止发生涌水造成工程事故。

4 结论

在系统地对阳泉地区15#煤顶板不同岩性岩石进行相关力学性质试验的基础上，进行参数化模拟计算，取得了如下结果。

①阳泉地区15#煤开采区域其顶板岩石主要由K2灰岩及泥岩组成。

②顶板岩石抗剪强度为1.18～1.21MPa，抗拉强度为0.28～0.46MPa，泊松比为0.24～0.35，弹性模量为0.28～0.36。

③综合数值模拟与经验公式分析的结果，15#煤层开采片区在平均采厚为6.8m时，覆岩垮落带高度的最大值应取31m，导水裂隙带高度的最大值取76m，而开采涌水量需要另行计算。

参考文献：

[1]徐振永.沁水盆地晚古生代煤系层序地层及岩相古地理研究[J].煤田地质与勘探，2007 （4）：122-125.

[2]李增学，余继峰.华北陆表海盆地海侵事件聚煤作用研究[J].煤田地质与勘探，2002 （3）：1-5.

[3]熊德国，赵忠明，苏承东，等.煤系地层岩石力学性质影响的试验研究[J].岩石力学与工程学报，2011（5）：998-1006.

[4]侯蘭杰.砂岩组构与岩石力学性质关系的研究[J].绵阳经济技术高等专科学校学报，2002（1）：1-5.

[5]朱国维，丁雯，武彩霞.华北煤田底板矿井水分布及突水机理浅析[J].中国煤炭，2008（2）：9-11.