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摘要：针对试验膏体充填工作面在不同充填工艺参数（充填率、充填体28d强度等参数）条件下，研究分析充填工艺参数的改变与膏体充填工作面下伏煤岩层破坏深度之间的关系，及工作面下伏煤岩体的围岩变形、应力场和塑性区分布等规律，其结果将作为优化现场工作面现场采空区膏体充填工艺参数优化设计的关键参考依据，本次模拟使用FLAC3D软件进行分析，得出主要结论为：通过数值模拟分析可知：在试验工作面沿走向方向推进过程中，在工作面上下两端头外侧3～5m处顶底板煤岩层产生垂直应力峰值区，由于试验工作面采用膏体充填采空区，工作面上下两端头顶底板煤岩层垂直应力峰值大小在推进过程中变化不大，垂直应力峰值在16MPa至17MPa之间变化，应力集中程度约为原岩应力的1.27～1.35倍，且围岩垂直应力集中的范围在推进过程中变化也不大。工作面底板塑性破坏区达到最大深度，其值约为3～5.0m。
关键词：承压含水层;底板破坏;数值模拟;塑性区
中图分类号：TD823 文献标识码：A
0引言
陈启辉，冯启言等[1-6]为了研究分析煤层厚度1.15m的薄煤层开采后工作面开采过程中下伏煤岩的破坏深度及其规律，通过ADINA数值模拟分析，得到在工作面采煤经过正断层区域时，下伏含水层突水的最危险位置在工作面经过断层带和顶板初次来压的地段，在工作面无断层地质构造影响下，下伏煤岩层呈现“马鞍型”破坏的形状，底板破坏深度峰值出现在顶板初次来压时，其值达到11m;当工作面受断层地质构造影响时，底板在初次来压时将发生拉裂破坏，其破坏深度达16m，相比较于无断层影响时增大了45%。史先志[7-13]为了研究分析煤层开采深度较大、底板含有高承压水条件下煤层开采过程中底板变形破坏及太原组灰岩裂隙型高承压含水层的突水机理，揭示了大埋深（埋深696m～765m之间）、高承压水（含水层水头压力值约为4.3MPa）条件下二2煤层开采过程中底板破坏的演化特征，并基于该演化特征构建了裂隙型太原组灰岩含水层的突水模式，得出了大埋深高地应力、高承压含水层水压共同作用下，煤层底板在采动影响下裂隙逐渐向深部扩展和高承压含水层导升裂隙逐渐向上扩展直至上下相互贯通进而导致突水的理念，并提出了底板隔水层突水临界时有效隔水层厚度表达式。彭祥超[20]基于工作面底板岩体在煤层采动应力变化和底板含水层水压的共同作用条件下，系统分析了承压水上急倾斜煤层开采诱发工作面底板岩层的破坏和突水特征，从沿煤层走向和倾向两方面出发分析底板破坏及突水受煤层角度、工作面倾斜长度及走向推进距离影响的关系;并基于承压水上急倾斜煤层开采特点，构建了承压水上急倾斜煤层开采的流固耦合三维数值模拟力学模型，通过FLAC3D软件模拟分析了沿煤层走向和倾斜方向底板岩体垂直应力、底板位移、塑性区等特征。徐智敏等[21]通过数值模拟和现场实测相结合，以新义矿为典型工程案例，对高承压水上采煤底板受采动影响而发生破坏及突水通道的发育演化规律进行分析，得出开采过程中底板岩层应力、孔隙水压力及电阻率的变化特征，并提出将其作为预报监测矿井临突的重要信息源;基于流–固耦合构建了底板采动破坏数值模拟力学模型，通过模拟得出底板破坏深度最大为23.75m，与现场实测11011试验工作面底板破坏深度约为25 m的结果相接近。
通过归纳总结现有研究成果可发现，其研究普遍基于距离承压含水层较远、高承压含水层条件下煤炭资源开采，虽然构建了诸多可以理论分析底板应力分布和破坏深度的力学模型，且所总结的底板应力分布和破坏特征在基于莫尔一库伦准则下均可合理解释和描述其规律，但对于煤矿在“三下一上”特殊条件下的采煤工程，现场实际情况往往非常特殊且复杂，尤其在近距离、高承压含水层上复杂条件下采煤极易造成底板岩层的破坏，进而导致底板隔水关键层功能的失效，从而使底板突水的安全风险性增大。据此，基于近距离、高承压含水层复杂开采条件下煤炭资源的绿色、安全高效开采仍然是亟需进行深入研究的重大课题。
1 沿煤层倾斜方向数值模拟方案设计
结合该煤矿现场试验工作面实际情况，构建沿缓倾斜煤层沿煤层倾斜方向数值模拟模型，设计模型中试验膏体充填工作面倾斜长度为120 m，煤层倾角12o，在距离模型前端50m布置开切眼，设计每日进尺2.4m，充填步距2.4m，自模型前端向后端开采推进并紧跟其后进行充填作业，假定在试验工作面中部选择任意剖面都为应变平面模型。为了充分体现本次模拟试验工作面采空区采用膏体充填技术开采后，为研究16号缓倾斜煤层试验工作面充填开采时，在采动和承压水的共同作用下沿煤层倾斜方向工作面底板破坏带深度、承压水导升裂隙高度及预测底板突水位置，结合现场条件设计数值模拟方案为：模型采用分步开挖，在模型前端y轴为50m处布置宽度为6m开切眼，并向模型后端开始开挖，每步挖进2.4m，一次采全高，再完成一次充填2.4m，共计向模型后端推进100m，机在y轴为150m处停止推进。模型上边界面为自由面，并模型上边界表面加载覆岩均布荷载12.55 MPa，在十三灰含水层施加方向向上的压力4.4 MPa，在奥灰岩含水层施加方向向上的压力4.7 MPa。模型左右前后四边界面在水平方向设置位移约束，模型底边界面在垂直方向设置位移约束。
2 数值模拟结果分析
2.1沿煤层倾斜方向底板垂直应力分析
试验工作面沿走向方向推进时，沿缓倾斜煤层倾斜方向工作面底板垂直应力云图如下图1所示。
根据图5-12沿缓倾斜煤层倾斜方向工作面底板垂直应力云图分析可得出：（1）在试验工作面沿走向方向推进过程中，在工作面上下两端头外侧3～5m处顶底板煤岩层产生垂直应力峰值区（图5-12中深蓝色区域），由于试验工作面采用膏体充填采空区，工作面上下两端头顶底板煤岩层垂直应力峰值大小在推进过程中变化不大，垂直应力峰值在16MPa至17MPa之间变化，应力集中程度约为原岩应力的1.27～1.35倍，且围岩垂直应力集中的范围在推进过程中变化也不大。（2）试验工作面沿走向方向不断推进，工作面后方采空区下方产生的卸压范围不断扩大，当开采40m后，距离工作面下方24m的十三灰含水层附近的垂直应力在15.0～16.0MPa之间，距离工作面下方53m的奥灰含水层附近的垂直应力在16.0～17.0Mpa之间，卸压范围对底板含水层开始产生影响，并随着工作面不断向前推进，工作面后方采空区下方的卸压范围对含水层的影响增大，当开采到80m时，工作面后方采空区下方的卸壓范围对含水层的影响逐渐趋于稳定。 2.2 沿煤层倾斜方向底板塑性区分析
试验工作面沿走向方向推进时，在采动矿压和承压含水层水压共同作用下沿缓倾斜煤层倾斜方向工作面底板塑性区如下图2所示。
根据图5-13沿缓倾斜煤层倾斜方向工作面底板塑性区分布分析可得：在开采试验工作面时，在采动矿压和孔隙水压对底板岩层的共同作用下，工作面底板及承压含水层上表面都产生了塑性破坏区;并且随着工作面沿走向方向推进过程中，沿工作面倾斜方向下方塑性破坏区范围不断扩大，由于试验工作面采用膏体材料对其采空区进行了充填，当开采40m后，沿工作面倾斜方向下方塑性破坏区范围趋于稳定，此时工作面底板塑性破坏区达到最大深度，其值约为3～5.0m。另外，工作面底板煤岩层塑性破坏区深度峰值出现在沿工作面倾斜方向下端头附近的下方煤岩层，此处塑性区与十三灰含水层相距较近，所以，沿工作面倾斜方向下端头附近区域为工作面底板突水风险区域。
参考文献
[1] 陈军涛，郭惟嘉，尹立明，等.深部开采底板裂隙扩展演化规律试验研究[J]. 岩石力学与工程学报，2016，35（11）：2298-2306.
[2] 华心祝，楊朋.深井大断面沿空留巷底板变形动态演化特征研究[J]. 中国矿业大学学报，2018，47（3）：494-501.
[3] 王连国，韩猛，王占盛，等.采场底板应力分布与破坏规律研究[J]. 采矿与安全工程学报，2013，30（3）：317-322.
[4] 刘伟韬，穆殿瑞，杨利，等.倾斜煤层底板破坏深度计算方法及主控因素敏感性分析[J]. 煤炭学报，2017，42（4）：849-859.
[5] 王作棠，周华强，谢耀社.矿山岩体力学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2010.
[6] 邹友峰，邓喀中，马伟民.矿山开采沉陷工程[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.
[7] 武龙飞.朱村矿承压水上膏体充填开采底板破坏规律研究[D].徐州：中国矿业大学，2008.
[8] 高延法，李白英.受奥灰承压水威胁煤层采场底板变形破坏规律研究[J].煤炭学报，1 992（2）：7-9.
[9] 周金才，刘天泉.煤层底板突水影响因素的分析与研究[J].煤矿开采，1993（12）：35-38.
[10] 刘天泉.“三下一上”采煤技术的现状及其展望[J].煤炭科学技术，1995（1）：5-7.
[11] 冯启言，陈启辉.煤层开采底板破坏深度的动态模拟[J].矿山压力与顶板管理，1998（3）：71-73.
[12] 史先志.大埋深高承压水上采煤底板破坏演化及水害防治研究[D].徐州：中国矿业大学，2020.
彭祥超.承压含水层上开采急倾斜煤层底板突水规律研究[D].青岛：山东科技大学，2018.
[13] 徐智敏，孙亚军，巩思园，朱宗奎.高承压水上采煤底板突水通道形成的监测与数值模拟[J].岩石力学与工程学报，2012，8（31）：1698-1704.
作者简介：
肖念波（1999.12-）男，土家族，贵州省德江县人，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：202110977017）
关键词：承压含水层;底板破坏;数值模拟;塑性区
中图分类号：TD823 文献标识码：A
0引言
陈启辉，冯启言等[1-6]为了研究分析煤层厚度1.15m的薄煤层开采后工作面开采过程中下伏煤岩的破坏深度及其规律，通过ADINA数值模拟分析，得到在工作面采煤经过正断层区域时，下伏含水层突水的最危险位置在工作面经过断层带和顶板初次来压的地段，在工作面无断层地质构造影响下，下伏煤岩层呈现“马鞍型”破坏的形状，底板破坏深度峰值出现在顶板初次来压时，其值达到11m;当工作面受断层地质构造影响时，底板在初次来压时将发生拉裂破坏，其破坏深度达16m，相比较于无断层影响时增大了45%。史先志[7-13]为了研究分析煤层开采深度较大、底板含有高承压水条件下煤层开采过程中底板变形破坏及太原组灰岩裂隙型高承压含水层的突水机理，揭示了大埋深（埋深696m～765m之间）、高承压水（含水层水头压力值约为4.3MPa）条件下二2煤层开采过程中底板破坏的演化特征，并基于该演化特征构建了裂隙型太原组灰岩含水层的突水模式，得出了大埋深高地应力、高承压含水层水压共同作用下，煤层底板在采动影响下裂隙逐渐向深部扩展和高承压含水层导升裂隙逐渐向上扩展直至上下相互贯通进而导致突水的理念，并提出了底板隔水层突水临界时有效隔水层厚度表达式。彭祥超[20]基于工作面底板岩体在煤层采动应力变化和底板含水层水压的共同作用条件下，系统分析了承压水上急倾斜煤层开采诱发工作面底板岩层的破坏和突水特征，从沿煤层走向和倾向两方面出发分析底板破坏及突水受煤层角度、工作面倾斜长度及走向推进距离影响的关系;并基于承压水上急倾斜煤层开采特点，构建了承压水上急倾斜煤层开采的流固耦合三维数值模拟力学模型，通过FLAC3D软件模拟分析了沿煤层走向和倾斜方向底板岩体垂直应力、底板位移、塑性区等特征。徐智敏等[21]通过数值模拟和现场实测相结合，以新义矿为典型工程案例，对高承压水上采煤底板受采动影响而发生破坏及突水通道的发育演化规律进行分析，得出开采过程中底板岩层应力、孔隙水压力及电阻率的变化特征，并提出将其作为预报监测矿井临突的重要信息源;基于流–固耦合构建了底板采动破坏数值模拟力学模型，通过模拟得出底板破坏深度最大为23.75m，与现场实测11011试验工作面底板破坏深度约为25 m的结果相接近。
通过归纳总结现有研究成果可发现，其研究普遍基于距离承压含水层较远、高承压含水层条件下煤炭资源开采，虽然构建了诸多可以理论分析底板应力分布和破坏深度的力学模型，且所总结的底板应力分布和破坏特征在基于莫尔一库伦准则下均可合理解释和描述其规律，但对于煤矿在“三下一上”特殊条件下的采煤工程，现场实际情况往往非常特殊且复杂，尤其在近距离、高承压含水层上复杂条件下采煤极易造成底板岩层的破坏，进而导致底板隔水关键层功能的失效，从而使底板突水的安全风险性增大。据此，基于近距离、高承压含水层复杂开采条件下煤炭资源的绿色、安全高效开采仍然是亟需进行深入研究的重大课题。
1 沿煤层倾斜方向数值模拟方案设计
结合该煤矿现场试验工作面实际情况，构建沿缓倾斜煤层沿煤层倾斜方向数值模拟模型，设计模型中试验膏体充填工作面倾斜长度为120 m，煤层倾角12o，在距离模型前端50m布置开切眼，设计每日进尺2.4m，充填步距2.4m，自模型前端向后端开采推进并紧跟其后进行充填作业，假定在试验工作面中部选择任意剖面都为应变平面模型。为了充分体现本次模拟试验工作面采空区采用膏体充填技术开采后，为研究16号缓倾斜煤层试验工作面充填开采时，在采动和承压水的共同作用下沿煤层倾斜方向工作面底板破坏带深度、承压水导升裂隙高度及预测底板突水位置，结合现场条件设计数值模拟方案为：模型采用分步开挖，在模型前端y轴为50m处布置宽度为6m开切眼，并向模型后端开始开挖，每步挖进2.4m，一次采全高，再完成一次充填2.4m，共计向模型后端推进100m，机在y轴为150m处停止推进。模型上边界面为自由面，并模型上边界表面加载覆岩均布荷载12.55 MPa，在十三灰含水层施加方向向上的压力4.4 MPa，在奥灰岩含水层施加方向向上的压力4.7 MPa。模型左右前后四边界面在水平方向设置位移约束，模型底边界面在垂直方向设置位移约束。
2 数值模拟结果分析
2.1沿煤层倾斜方向底板垂直应力分析
试验工作面沿走向方向推进时，沿缓倾斜煤层倾斜方向工作面底板垂直应力云图如下图1所示。
根据图5-12沿缓倾斜煤层倾斜方向工作面底板垂直应力云图分析可得出：（1）在试验工作面沿走向方向推进过程中，在工作面上下两端头外侧3～5m处顶底板煤岩层产生垂直应力峰值区（图5-12中深蓝色区域），由于试验工作面采用膏体充填采空区，工作面上下两端头顶底板煤岩层垂直应力峰值大小在推进过程中变化不大，垂直应力峰值在16MPa至17MPa之间变化，应力集中程度约为原岩应力的1.27～1.35倍，且围岩垂直应力集中的范围在推进过程中变化也不大。（2）试验工作面沿走向方向不断推进，工作面后方采空区下方产生的卸压范围不断扩大，当开采40m后，距离工作面下方24m的十三灰含水层附近的垂直应力在15.0～16.0MPa之间，距离工作面下方53m的奥灰含水层附近的垂直应力在16.0～17.0Mpa之间，卸压范围对底板含水层开始产生影响，并随着工作面不断向前推进，工作面后方采空区下方的卸压范围对含水层的影响增大，当开采到80m时，工作面后方采空区下方的卸壓范围对含水层的影响逐渐趋于稳定。 2.2 沿煤层倾斜方向底板塑性区分析
试验工作面沿走向方向推进时，在采动矿压和承压含水层水压共同作用下沿缓倾斜煤层倾斜方向工作面底板塑性区如下图2所示。
根据图5-13沿缓倾斜煤层倾斜方向工作面底板塑性区分布分析可得：在开采试验工作面时，在采动矿压和孔隙水压对底板岩层的共同作用下，工作面底板及承压含水层上表面都产生了塑性破坏区;并且随着工作面沿走向方向推进过程中，沿工作面倾斜方向下方塑性破坏区范围不断扩大，由于试验工作面采用膏体材料对其采空区进行了充填，当开采40m后，沿工作面倾斜方向下方塑性破坏区范围趋于稳定，此时工作面底板塑性破坏区达到最大深度，其值约为3～5.0m。另外，工作面底板煤岩层塑性破坏区深度峰值出现在沿工作面倾斜方向下端头附近的下方煤岩层，此处塑性区与十三灰含水层相距较近，所以，沿工作面倾斜方向下端头附近区域为工作面底板突水风险区域。
参考文献
[1] 陈军涛，郭惟嘉，尹立明，等.深部开采底板裂隙扩展演化规律试验研究[J]. 岩石力学与工程学报，2016，35（11）：2298-2306.
[2] 华心祝，楊朋.深井大断面沿空留巷底板变形动态演化特征研究[J]. 中国矿业大学学报，2018，47（3）：494-501.
[3] 王连国，韩猛，王占盛，等.采场底板应力分布与破坏规律研究[J]. 采矿与安全工程学报，2013，30（3）：317-322.
[4] 刘伟韬，穆殿瑞，杨利，等.倾斜煤层底板破坏深度计算方法及主控因素敏感性分析[J]. 煤炭学报，2017，42（4）：849-859.
[5] 王作棠，周华强，谢耀社.矿山岩体力学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2010.
[6] 邹友峰，邓喀中，马伟民.矿山开采沉陷工程[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.
[7] 武龙飞.朱村矿承压水上膏体充填开采底板破坏规律研究[D].徐州：中国矿业大学，2008.
[8] 高延法，李白英.受奥灰承压水威胁煤层采场底板变形破坏规律研究[J].煤炭学报，1 992（2）：7-9.
[9] 周金才，刘天泉.煤层底板突水影响因素的分析与研究[J].煤矿开采，1993（12）：35-38.
[10] 刘天泉.“三下一上”采煤技术的现状及其展望[J].煤炭科学技术，1995（1）：5-7.
[11] 冯启言，陈启辉.煤层开采底板破坏深度的动态模拟[J].矿山压力与顶板管理，1998（3）：71-73.
[12] 史先志.大埋深高承压水上采煤底板破坏演化及水害防治研究[D].徐州：中国矿业大学，2020.
彭祥超.承压含水层上开采急倾斜煤层底板突水规律研究[D].青岛：山东科技大学，2018.
[13] 徐智敏，孙亚军，巩思园，朱宗奎.高承压水上采煤底板突水通道形成的监测与数值模拟[J].岩石力学与工程学报，2012，8（31）：1698-1704.
作者简介：
肖念波（1999.12-）男，土家族，贵州省德江县人，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：202110977017）