徐旭東，南瑩浩，邵小朋

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院,北京 東燕郊 065201)

傾斜煤層淺部開(kāi)采裂隙帶發(fā)育高度數(shù)值模擬研究

徐旭東，南瑩浩，邵小朋

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院,北京 東燕郊 065201)

為保證傾斜煤層安全開(kāi)采的需求，以許廠煤礦330采區(qū)3336工作面為研究地質(zhì)單元，在以往的工作面實(shí)際情況和研究成果的基礎(chǔ)上，以傾斜煤層圍巖力學(xué)為研究角度，利用FLAC3D建立三維開(kāi)采模型，通過(guò)數(shù)值模擬研究了開(kāi)挖距離、采高對(duì)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的影響，結(jié)果表明：隨開(kāi)挖距離和采高的增加，覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度也增加，但開(kāi)挖距離對(duì)覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度起主導(dǎo)作用。當(dāng)開(kāi)挖距離為200 m時(shí)，頂板破壞深度達(dá)到最大值43 m。

傾斜煤層；許廠煤礦；數(shù)值模擬；裂隙帶；破壞深度

Abstract: In order to guarantee the safe exploitation of inclined coal seam, taking the 3336 working face of No. 330 mining area of Xuchang Coal Mine as research geological unit ,on the basis of the actual situation and research results in the past,taking the surrounding rock mechanics of inclined coal seam as the research angle,using FLAC3D to build 3D mining model,the influence of excavation distance and mining height is studied on the development of fractured zone through numerical simulation .The results show that with the increase of excavation distance and mining height, the height of water induced fracture zone increases, but the excavation distance plays a dominant role in the height of fracture zone of overlying rock. When the excavation distance is 200m, the roof failure depth reaches the maximum of 43 m.

Keywords:inclined seam; Xuchang Coal Mine; numerical simulation; fracture zone；failure depth

0 引言

對(duì)于我國(guó)水下采煤的專題研究，主要通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式、相似模擬試驗(yàn)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試以及數(shù)值模擬等方法確定導(dǎo)水裂隙帶高度[1-2]。通過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得出了適用于分層綜采及普采的覆巖“兩帶”高度計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式。但在淺部?jī)A斜煤層對(duì)“兩帶”高度發(fā)育的影響方面，目前研究的還較少?！皟蓭А苯?jīng)驗(yàn)公式已經(jīng)不能滿足許廠煤礦330采區(qū)傾斜煤層安全開(kāi)采需求。在其他學(xué)者的研究成果上，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，綜合運(yùn)用包括水文地質(zhì)學(xué)、巖石力學(xué)、地質(zhì)學(xué)、采礦學(xué)等方法和理論，對(duì)3煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)行研究分析及數(shù)值模擬，對(duì)于煤礦安全生產(chǎn)具有不可小覷的指導(dǎo)意義[3-5]。

1 井田概況

許廠煤礦地處濟(jì)寧城區(qū)東北部，礦井平面面積約56.587 km2。濟(jì)寧煤田許廠煤礦地層區(qū)屬華北地層區(qū)——魯西地層分區(qū)，區(qū)域上主要發(fā)育早古生代、中生代、新生代地層，含煤巖系為古生代石炭——二疊紀(jì)月門(mén)溝群山西組、太原組。井田內(nèi)地層自下而上依次發(fā)育奧陶紀(jì)馬家溝群，石炭——二疊紀(jì)月門(mén)溝群本溪組、太原組和山西組，二疊紀(jì)石盒子群，侏羅紀(jì)淄博群三臺(tái)組及第四系。研究區(qū)3336工作面位于330東翼采區(qū)，所采煤層為3下煤，影響掘進(jìn)的含水層主要為3下煤層頂板砂巖含水層、第四系孔隙含水層，粉細(xì)砂巖和粉砂巖為煤層頂?shù)装宓闹饕獛r性。

2 模型的建立及邊界條件

2.1 巖石物理力學(xué)性質(zhì)

根據(jù)許廠礦現(xiàn)有的鉆孔資料和巖土測(cè)試數(shù)據(jù)，如表1所示，本次模擬的輸入?yún)?shù)，需要選取包括體積模量、切變模量、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力、密度等各煤巖層的巖石物理力學(xué)性質(zhì)，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

表1 巖石物理力學(xué)性質(zhì)

2.2 邊界條件

根據(jù)3336工作面的實(shí)際情況，確定該模型的邊界約束條件：

(1) 上部邊界條件：通常情況下，數(shù)值計(jì)算時(shí)，將煤層上覆巖層的重量設(shè)定為上部邊界條件

即：

σ=γH

式中：γ—上覆巖層的平均體積力，kN/m3；

H—煤層的埋深，m。

單位體積上覆巖層重力取27 kN/m3，3#煤層垂直深度平均值約為200 m，代入式得：

σ=γH=5.4 MPa

(2) 下部邊界條件：本模型的底板作為下部邊界條件，簡(jiǎn)化成為位移邊界條件，z方向簡(jiǎn)化為固定鉸支座，在x、y方向視為可以運(yùn)動(dòng)，即v=0。

(3) 兩側(cè)邊界條件：本模型中的實(shí)體煤巖體作為兩側(cè)邊界條件，簡(jiǎn)化成為位移邊界條件，其他方向簡(jiǎn)化為固定鉸支座，在z方向視為可以運(yùn)動(dòng)，即u=w=0。

2.3 模型建立

FLAC3D模擬計(jì)算采用摩爾—庫(kù)倫本構(gòu)模型,運(yùn)用動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行求解，保證其模擬物理上的運(yùn)動(dòng)過(guò)程沒(méi)有數(shù)值障礙[6-7]。以3336工作面為原型，如圖1，長(zhǎng)(x方向)寬(y方向)高(z方向)分別為300 m、300 m、180 m，施加上覆巖層自重應(yīng)力在模型頂部，3煤層采高為3 m。

與巖石的抗壓強(qiáng)度相比，其抗拉與抗剪強(qiáng)度要低很多，因此巖石內(nèi)部剪張力作用是巖石破壞的主要原因，“塑性破壞”可被認(rèn)為是巖體破壞的主要形式。研究中，把彈性變形和塑性變形的分界點(diǎn)作為巖石的屈服極限，巖石在達(dá)到屈服極限之前，巖體變形為彈性變形，屈服極限之后，巖體變形為塑性變形。通常采用屈服準(zhǔn)則判斷某點(diǎn)的應(yīng)力是否進(jìn)入塑性狀態(tài)，本次模型采用摩爾—庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則進(jìn)行數(shù)值模擬。建立計(jì)算模型如圖1所示：

圖1 三維計(jì)算模型

2.4 模擬計(jì)算過(guò)程

本次模擬的計(jì)算過(guò)程如下：

(1) 對(duì)3#煤層進(jìn)行開(kāi)挖時(shí)，按照每20 m為開(kāi)挖的步距，沿煤層的走向進(jìn)行一次性開(kāi)采；

(2) 為保護(hù)煤柱，兩側(cè)應(yīng)留設(shè)50 m的邊界，以消除邊界的影響；

(3) 承受的水平壓力為垂向應(yīng)力乘以側(cè)壓系數(shù)0.75。

2.5 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

在數(shù)值模擬的計(jì)算中，對(duì)3煤層進(jìn)行開(kāi)挖時(shí)，按照每20 m為開(kāi)挖的步距，模擬出分步開(kāi)挖后煤巖層塑性破壞區(qū)分布圖，如圖2所示。

圖2 工作面推進(jìn)不同距離時(shí)塑性區(qū)變化圖

由于煤層的開(kāi)采導(dǎo)致采空區(qū)頂板受到自重及上覆巖層重力的作用，巖層向下位移和彎曲，巖層受拉應(yīng)力作用，當(dāng)拉應(yīng)力大于其極限強(qiáng)度時(shí)，直接頂首先發(fā)生斷裂，然后破碎，最終發(fā)生冒落的過(guò)程。

由于煤層的開(kāi)采導(dǎo)致采空區(qū)周?chē)鷰r石發(fā)生位移和變形，該過(guò)程較復(fù)雜，對(duì)于煤層上覆巖層，從煤層的直接頂巖開(kāi)始，其移動(dòng)過(guò)程由上而下依次發(fā)生冒落、斷裂、離層、裂隙等。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,可得煤層在開(kāi)挖的各個(gè)階段的裂隙帶高度，如表2所示

表2 煤層在開(kāi)挖各個(gè)階段的頂板破壞深度

從表2可以看出，3煤頂板的破壞深度隨著開(kāi)挖距離的不斷增加而增加，但當(dāng)開(kāi)挖距離達(dá)到150 m后，頂板破壞深度基本不變，變化不大，當(dāng)開(kāi)挖距離為200 m時(shí)，頂板破壞深度到達(dá)最大值43 m。因此可推測(cè)頂板最大破壞深度在43 m。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)許廠煤礦3336工作面采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬3煤層開(kāi)采時(shí)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育情況，并根據(jù)模擬結(jié)果，得出如下結(jié)論：

(1) 工作面開(kāi)挖距離150 m是導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，是一個(gè)從發(fā)育充分、快速向發(fā)育緩慢、循序漸進(jìn)的分界點(diǎn)；當(dāng)工作面開(kāi)挖距離為200 m時(shí)得到最大的頂板破壞深度43 m，由此可推斷出該深度為最大破壞深度。

(2) 裂隙帶呈現(xiàn)“馬鞍型”，表現(xiàn)為中間較低、兩邊較高的形態(tài)，導(dǎo)水裂隙帶起始邊界位于煤壁附近；從裂隙帶的分布區(qū)域來(lái)看，采場(chǎng)周邊為裂隙帶高度發(fā)育的較大區(qū)域，且該區(qū)域受到拉伸破壞的影響導(dǎo)致更易產(chǎn)生導(dǎo)水裂隙，因此采場(chǎng)邊界的突水風(fēng)險(xiǎn)性應(yīng)值得重視。

(3) 僅從工作面的長(zhǎng)度以及采高兩個(gè)角度研究對(duì)首采面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的影響程度，其他可能的影響因素，還有待進(jìn)一步研究，如區(qū)段煤柱寬度、大面積開(kāi)采、開(kāi)采時(shí)間、采空面積、埋深等。

(4) 采用數(shù)值模擬不僅可很大程度上減少實(shí)際測(cè)量所需的人力物力財(cái)力，且能給予煤礦企業(yè)實(shí)際開(kāi)采以指導(dǎo)，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)有著不可小覷的意義。

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Numericalsimulationstudyondevelopmentheightoffracturezoneinshallowcoalseam

XU Xu-dong,NAN Ying-hao,SHAO Xiao-peng

(CollegeofSafetyEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,065201,China)

TD741

A

1672-7169(2017)03-0009-05

2017-04-17

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助(3142017036)

徐旭東(1993-)，男，江蘇南京人，華北科技學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向:礦井水害防治。E-mail：1256057641@qq.com