耿民 張華兵

【摘 要】采用UDEC數(shù)值模擬軟件，根據(jù)摩爾-庫倫準(zhǔn)則，結(jié)合覆巖移動、應(yīng)力以及塑性區(qū)分布規(guī)律，分析了1116（1）工作面在回采中的冒落帶和裂隙帶的發(fā)育高度。得出冒落帶的高度為13.35m，裂隙帶高度為44.37m，此高度處在頂板砂、泥巖互層中，地表淺部風(fēng)化砂巖之下的泥巖層具有一定的隔水性，初步認(rèn)為在1116（1）工作面回采期間是安全的。

【關(guān)鍵詞】覆巖三帶；裂隙帶高度；數(shù)值模擬

一、前言

在目前確定裂隙帶發(fā)展高度，通常采用的方法有：理論計(jì)算、相似模擬和工程類比法，最近幾年采用數(shù)值計(jì)算的方法分析裂隙帶高度比較普遍。本文選用大變形UDEC軟件對1116（1）工作面綜采開采工藝條件進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，選擇符合實(shí)際的模擬過程，分析研究預(yù)測裂隙帶發(fā)展的高度，圈定出冒高、導(dǎo)高曲線及最大導(dǎo)高，以利于合理選定安全煤巖柱尺寸。

二、數(shù)值模擬

1.幾何模型

建立數(shù)學(xué)力學(xué)模型是計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的首要任務(wù)，模型建立正確與否是能否獲得符合實(shí)際計(jì)算結(jié)果的前提。1116（1）工作面巷道布置特點(diǎn)：煤層傾角3～10°，平均為5°，沿煤層走向方向開采，采高約為3m。根據(jù)理論計(jì)算和鉆孔實(shí)測，一般在工作面煤壁附近其上覆巖層移動變形量最大，而導(dǎo)水裂隙也在此發(fā)育最高。故本研究采用工作面推進(jìn)200m、400m、600m和800m來分析上覆巖層的運(yùn)動規(guī)律。模擬巖層總厚度為120m。

2.模型范圍

模型的主體范圍位于頂板覆巖。為了考慮頂板、煤層及底板三者之間變形的協(xié)調(diào)性，整個幾何模型的確定還包括一部分底板。模型的范圍：煤層頂板以上共80m作為模型的上部，煤層底板以下37m作為下邊界，自收作線和開切眼各向外擴(kuò)展100m作為模型的左、右邊界。

3.邊界條件的選擇

在模型的底界和左、右邊界，采用零位移邊界條件，具體處理如下：

1）模型的左右邊界為水平位移約束邊界，取Vx=0，Ux=0（即水平方向的速度矢量和位移均為零），即模型的左右邊界為單約束邊界。

2）模型的下邊界在水平和豎直方向均固定，即Vx=0，Ux=0，Vy=0，Uy=0，即模型的下邊界為全約束邊界。

3）模型上邊界為自由邊界，計(jì)算模型上邊界以上的覆巖自重載荷以外載荷的形式作用于上部邊界上。

4.模型巖土層力學(xué)參數(shù)的選取

模型采用淮南礦業(yè)集團(tuán)顧橋煤礦的井田地質(zhì)條件，模型中均采用莫爾-庫侖屈服準(zhǔn)則判斷巖體破壞，并且均不考慮塑性流動。

三、模擬結(jié)果分析

1.覆巖應(yīng)力分析

在采動影響下，直接頂和老頂巖層均經(jīng)歷了“變形-離層-失穩(wěn)”的過程，但老頂在各階段持續(xù)的時間要長。

煤柱附近頂?shù)装鍘r層中豎向應(yīng)力為壓應(yīng)力，而且應(yīng)力等值線密集，表明該處應(yīng)力集中系數(shù)較大；采空區(qū)上方覆巖內(nèi)出現(xiàn)一條至數(shù)條“鞍”形或“拱”形應(yīng)力等值線。最大豎向應(yīng)力為30MPa，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)2.13，峰值深入煤壁10m。

2.覆巖位移分析

在該面不同回采階段，下沉曲線的形狀在各巖層內(nèi)變化不大，位于頂板覆巖軟弱巖層和較硬巖層下沉是基本協(xié)調(diào)的。而硬巖層下部的軟弱巖層的豎向位移明顯增大，這表明硬巖層對它上部的巖層的下沉起控制作用，而與下部軟弱巖層會發(fā)生離層現(xiàn)象。

覆巖豎向移動漏斗特點(diǎn)：采動后覆巖最大的豎向位移位于采空區(qū)中部的上方，漏斗比較對稱。

開采初期，覆巖的豎向位移較小，且超前影響范圍不大，當(dāng)工作面推進(jìn)到距離增大時，超前影響范圍與豎向位移隨之增大，超前影響范圍大于150m。

3.冒落裂隙高度的確定

從塑性區(qū)分布圖可以看出，采后工作面覆巖內(nèi)塑性區(qū)分布有四個區(qū)域，除受邊界條件制約的上部、左右邊界的塑性區(qū)外，影響采后覆巖裂高的主要為工作面前后煤壁上方和采空區(qū)上方的塑性區(qū)分布；綜合比較各計(jì)算模型，覆巖內(nèi)塑性區(qū)分布的最大高度為44.37m。工作面上部拉應(yīng)力相對集中，使得塑性區(qū)范圍擴(kuò)大，其塑性區(qū)的分布同工作面下部基本一致。

通過UDEC程序模擬計(jì)算，根據(jù)塑性條件、破壞準(zhǔn)則、位移及應(yīng)力判別，可以方便地確定出冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶的高度（如表2所示）。

四、結(jié)論

針對顧橋煤礦1116（1）工作面地質(zhì)開采條件，建立計(jì)算模型，獲得了如下一些主要認(rèn)識：

1）隨工作面的逐步推進(jìn)，在采場中形成以開切眼處煤體為后拱腳，煤壁前方應(yīng)力高峰區(qū)為前拱腳的壓力拱結(jié)構(gòu)，后拱腳基本不動，前拱腳隨工作面的推進(jìn)不斷前移，拱高、拱寬存在“增大-減小-增大”的變化規(guī)律，在此拱之內(nèi)的頂板巖層經(jīng)歷了“變形-離層-失穩(wěn)”的變化過程。

2）分析比較在工作面不同回采時期的覆巖移動規(guī)律、覆巖應(yīng)力分布規(guī)律、覆巖塑性區(qū)域分布規(guī)律，并進(jìn)一步根據(jù)塑性條件、破壞準(zhǔn)則、位移及應(yīng)力判別，確定出冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶的高度。

3）模型的冒落帶高度約13.35m，導(dǎo)水裂隙帶高度44.37m。

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