承压水上采煤底板应力分布规律及塑性区分析

程涛 魏中举 谢小平 彭祖锋 覃继圆

摘 要：针对近距离高承压水上安全高效采煤的问题，运用理论分析的方法，构建了采场围岩力学数值模拟模型，对近距离高承压水群条件下膏體充填开采采场围岩的受力情况和应力分布规律进行了理论分析，并结合矿山压力、岩体力学和弹塑性理论对膏体充填工作面围岩应力分布与传播规律进行研究，对膏体充填体参与作用下的底板岩体应力分布特征、膏体充填开采底板破坏规律进行理论分析，并理论计算底板岩体理论破坏深度及范围。

关键词：承压水;底板突水;支承压力;力学模型

1 工程概况

某井田内地势平坦，地面标高平均为+39.5 m，东西走向长约9.0 km，南北倾斜宽7.2 km，面积约65.0 km2。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。该煤矿不仅面临建筑物下采煤的难题，同时矿井煤层开采还受到底板承压水突水的威胁，通过研究确定采用膏体充填采空区的绿色采矿技术，该技术不仅可以控制地表的下沉变形，也可以控制煤层下伏煤岩层破坏的深度，而且能够提高资源的采出率，是一举多得的技术措施。

2 煤层底板支承压力分布规律

对于长壁开采工作面，Whittaker通过现场实测并结合理论研究成果得出，煤层开采后工作面周围的应力分布，即沿采空区边缘产生支承压力。长壁工作面前方煤壁内的支承压力叫前支承压力，前支承压力区宽度范围为20～25m，从煤壁到支承压力峰值距离为0～15m。工作面两端沿上下顺槽煤壁的压力为侧支承压力，侧方支承压力的范围为15～20m。在采空区内形成后支承压力，侧支承压力和前支承压力在上下顺槽与回采空间交叉点会合，并叠加成尖峰支承压力，该处应力集中系数相对较大。从图X1X1和X2X2剖面图中可以看出，煤层采动后不仅在工作面周围煤壁上产生高于原始应力的支承压力，而且在工作面范围内，垂直压力大大低于覆盖层的岩石地应力γH，直接顶底板处于卸压状态。由XY剖面可以看出后支承压力在在距工作面0.3～0.4H处近似等于直接顶和部分已冒落的基本顶，随着工作面不断推进，其后支撑压力逐渐被其后已冒落的矸石最终支撑住顶板，并且支撑时的这一点的最大压力与覆盖层载荷相等，即恢复到原始应力状态。

3构建底板支承压力分布的力学模型

采场附近煤层底板层面上的支承压力往往超过其煤体极限强度，随着煤体破坏的发展，煤壁附近的压力峰值将向煤体深处转移，其支承压力峰值距离煤壁的远近取决于煤体弹塑性变形。采场附近煤体上的支承压力往往超过煤体极限强度，特别是煤层深埋、采高大及软弱煤层，在煤壁附近形成非弹性区（塑性区或破碎区）。如图1所示

4 煤层底板塑性区分析

作用在煤层底板上一定范围内的岩体，当其上的支撑压力达到或者超过其临界值时，煤层底板下方一定范围的岩体就会发生塑性变形，形成塑性区：当支撑压力达到导致部分岩体完全破坏时最大载荷pm时，支承压力作用区域周围的岩体塑性区将连成一片，导致采空区内底板隆起，处于塑性变形的岩体向采空区内发生移动变形，形成一个连续的滑移面。此时，煤层底板岩体受到的采动破坏是最严重的。实际生产过程工作面底板发生底鼓的现象与底板塑性区的形成有直接关系。工作面开采以后，形成一个对顶板无作用力的采空区，采空区上方岩层的载荷通过岩梁传递给采空区周围的煤壁形成支承压力。随着工作面推进，采空区空间逐渐增加，形成的支承压力对底板的作用越来越大，迫使底板岩层发生塑性变形。底板塑性区中，主动应力区处于压缩状态，将支承压力作用传递给过度区，当压力传递给被动区后由于被动区上部为采空区，无载荷作用，因此被动区岩层会发生向上鼓起的变形，形成底鼓显现。

5 煤层底板破坏规律分析

充填开采能减小底板破坏深度，而充填开采中关键是充填体的构筑，下面通过研究充填体的作用机理，解释充填开采底板破坏深度减小的原因，进而分析充填开采中影响底板破坏的因素。关于充填体的作用机理，一般有三种说法：

（1）支护作用

1）表面支护作用。通过对采场边界关键块体的位移施加运动约束，充填体可以防止在低应力条件下近采场在空间上的逐渐破坏。2）局部支护作用。由临近的采矿活动引起的采场帮壁岩体的准连续性刚体位移，使得充填体发挥被动抗体的作用。作用在充填体与岩体交界面上的支护压力允许在采场周边产生很高的局部应力梯度。并且已经证明，小的表面载荷对摩擦型介质中的屈服区范围可能产生重大影响。3）总体支护作用。如果充填体受到适当的约束，它在矿山结构可以起到一种总体支护构件的作用。也就是说，在岩体和充填体之间交界面上采矿所诱导的位移将引起充填体的变形，而这类变形又导致了整个围岩应力状态的降低。

（2）充填体与系统的共同作用

充填体的三种作用：1）应力转移和吸收作用。充填体进入采空区，最初是不受力的，以后随着充填体强度的提高，具备了吸收应力和转移应力的能力。成为系统支撑结构的一部分，参与地层的自组织系统和活动。2）应力隔离作用。充填体可以起到屏障的作用，对水平应力和垂直应力进行隔离。从而改善围岩的应力环境，维护采场和上覆岩层的稳定。3）系统的共同作用。充填体充入采空区后，由于充填体、围岩、地应力、开挖等共同作用，特别是开挖系统的自组织功能，使围岩变形得到控制，围岩能量耗散速度得到减缓，采场结构和围岩破坏的发展得到控制，特别是无阻挡的自由破坏塌落得到控制。

（3）充填体的综合作用机理

1）充填体力学作用机理

充填体可以改变采场围岩的应力状态，使其单轴或双轴应力状态变为双轴或三轴应力状态，使围岩的强度得到很大提高，从而增强了围岩的自支撑能力。因此，充填体不仅起到支撑作用，更重要的是提高了围岩的强度和承载能力。

2）充填体结构作用机理

岩体中的断层、节理裂隙等地质构造将岩体切割成一系列结构体。特别是煤矿采空区的冒落带、裂隙带。这些不连续结构体的组成方式决定了结构体的稳定状况。当地下开挖，破坏了岩体原始的结构体系，使其本来能够维持平衡和承受载荷的几何不变体系变成了几何可变体系。

3）充填体的让压作用

由于充填体变形比原岩体的变形大得多，所以，充填体能够在维护围岩系统结构体系的情况下，缓慢让压，使围岩地压能够得到一定的释放，从能量的角度来看，是限制能量释放的速度。同时，充填体施压于围岩，对围岩起到柔性支护的作用。

参考文献：

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[2] 贾林刚.充填开采不同充填率覆岩破坏特征相似模拟研究[J].煤炭科学技术，2019，47（9）：197—202.

[3] 张俊，姚多喜.煤层底板变形破坏的相似材料模拟研究综述[J].唐山学院学报，2019，32（11）：47—52.

作者简介：

程涛（2000.08-）男，汉族，贵州省遵义市人，在读本科学生，主要从事采矿工程专业方面的学习和研究

基金项目：六盘水师范学院大学生创新创业训练计划项目（项目编号： 2020cxcy46）

（六盘水师范学院矿业与土木工程学院  贵州  六盘水  553004）