孫振洋

（中國煤炭地質(zhì)總局 水文地質(zhì)局，河北 邯鄲 056004）

0 引 言

煤層的開采必將引起上覆巖層的移動與破斷，采空區(qū)上覆巖層可劃分出3個不同性質(zhì)的破壞和變形影響帶，由下至上依次分為冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶和彎曲帶，通稱“上三帶”[1-3]。從巖層破壞程度來講，冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶稱為破壞影響帶，彎曲帶稱為非破壞影響帶。其中破壞影響帶直接溝通上覆含水層或采空區(qū)積水。因此，進(jìn)行覆巖“兩帶”高度的專項勘查，對煤礦防治水意義重大[4]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對工作面采空區(qū)覆巖“兩帶”高度進(jìn)行了大量研究，主要采用理論分析、經(jīng)驗公式、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測等方法[5]。許家林等提出了一種基于關(guān)鍵層位置預(yù)計覆巖“兩帶”高度的方法[6-7]；郝長勝運用UDEC數(shù)值模擬軟件對煤層群開采覆巖導(dǎo)水裂隙發(fā)育規(guī)律進(jìn)行研究[8]；Zhang等以巖層完成性指數(shù)、巖層強(qiáng)度與采動影響指數(shù)作為影響因素，提出對應(yīng)的覆巖破壞高度計算公式[9-10]。上述研究為高強(qiáng)度開采覆巖“兩帶”高度的計算提供了重要理論指導(dǎo)。

1 井田概況

鷹駿三號井田位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市鄂托克前旗境內(nèi)，井田面積63.80 km2，設(shè)計生產(chǎn)能力600萬t/a，服務(wù)年限81.4 a。

結(jié)合井下采掘現(xiàn)狀及進(jìn)度規(guī)劃，選取11采區(qū)11201工作面為2號煤覆巖“兩帶”高度探測研究首個工作區(qū)，工作面平均走向長度1 519 m，寬度300 m，面積0.456 km2。2號煤層走向南北，傾向東，傾角5°～11°，平均8°，整體產(chǎn)狀平緩，近似水平。井田內(nèi)煤層厚度1.27～9.20 m，平均厚度5.84 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，不含夾矸。11201井下四鄰關(guān)系位置如圖1所示。

圖1 1 1 201井下四鄰關(guān)系位置示意Fig.1 Underground surrounding relationship position of No.11201 face

2 三維數(shù)值模擬方案及模型邊界條件

2.1 數(shù)值模擬方案

根據(jù)11201工作面的實際情況，確定此次三維數(shù)值模擬設(shè)計開采長度1 500 m，工作面寬度300 m，工作面采用分步開采，每步開采50 m，共完成開挖30步，實際開挖長度1 519 m。

2.2 模型邊界條件和初始參數(shù)

整個模型在前后、左右及下部均設(shè)定為固定邊界，沒有水平位移，即Sx=0，Sy=0。模型頂部采用自由邊界條件。由于此次模擬的煤層埋深較大，模型不能把煤層上部所有巖層全部呈現(xiàn)。因此，對模型頂部至地表的巖體自重應(yīng)力利用載荷來代替，即在模型上邊界施加垂直方向的均布荷載P=γh，其中γ為上覆巖體容重，h為模型頂層至地表的距離。垂向上頂部邊界施加上覆巖層重力7.67 MPa。

模型巖性分布與實際地質(zhì)鉆孔柱狀圖由淺至深一致。初始參數(shù)要根據(jù)地層的實際屬性進(jìn)行賦值。巖石物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 11201工作面巖石物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Rock physical and mechanical parameters of No.11201 face

3 11201工作面覆巖兩帶高度數(shù)值模擬

此次采用FLAC3D數(shù)值模擬技術(shù)對煤層開采過程中頂板的應(yīng)力分布、巖體的變形、移動和破壞狀態(tài)情況進(jìn)行分析，得到頂板自由跨落條件下不同開采階段（工作面推進(jìn)50、100、200、500、1 000、1 500 m時）頂板的應(yīng)力分布、位移變化及塑性區(qū)分布情況。通過對模擬結(jié)果的分析，得出在開采過程中工作面頂板導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度。

3.1 不同推進(jìn)階段應(yīng)力分布規(guī)律

不同推進(jìn)階段垂直應(yīng)力分布如圖2所示。從圖2可以得出，在工作面推進(jìn)過程中，煤層采空區(qū)上部巖層應(yīng)力發(fā)生變化，工作面兩端始終處于應(yīng)力集中狀態(tài)，隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)卸壓部分不斷擴(kuò)大。垂直應(yīng)力場整體變化趨勢使煤層頂板范圍不同深度位置上垂直應(yīng)力大小不一，隨著埋深的增加應(yīng)力逐漸變小。

圖2 不同推進(jìn)階段垂直應(yīng)力分布云圖Fig.2 Vertical stress distribution nephogram of different propulsion stages

同一開采階段，垂向上遠(yuǎn)離煤層采空區(qū)上方應(yīng)力在逐漸增加，影響范圍在逐漸減?。徊煌_采階段，相同垂向深度上應(yīng)力影響范圍隨著推進(jìn)距離的增加在逐漸擴(kuò)大。應(yīng)力集中區(qū)主要出現(xiàn)在工作面煤壁前方。最大應(yīng)力出現(xiàn)在推進(jìn)1 500 m時，工作面前方附近7 m范圍內(nèi)，應(yīng)力大小為20.08 MPa。

3.2 不同推進(jìn)階段頂板位移情況

不同推進(jìn)階段垂直位移如圖3所示。從圖3中可以看出，隨著工作面向前推進(jìn)，煤層直接頂板產(chǎn)生下沉、離層及周期性垮落現(xiàn)象，基本頂板產(chǎn)生周期性斷裂，煤層頂板巖層位移（下沉量）會慢慢增加，并在采空區(qū)中間位置達(dá)到最大值，以采空區(qū)的中部為對稱線，巖層位移量向兩側(cè)逐漸變小；垂向上距離采空區(qū)越近的巖層，受到影響較大，下沉量多，對遠(yuǎn)處頂板覆巖的影響較小，但整體位移影響范圍在逐漸擴(kuò)大。開采推進(jìn)1 500 m時，頂板巖層出現(xiàn)最大位移，為2.5 m。

圖3 不同推進(jìn)階段垂直位移云圖Fig.3 Vertical displacement nephogram of different propulsion stages

3.3 不同推進(jìn)階段頂板破壞規(guī)律

不同推進(jìn)階段頂板塑性破壞如圖4所示。由圖4中可以看出，開采過程中頂板巖層的破壞以剪切破壞為主，靠近采空區(qū)上方附近有拉張破壞，其總體的破壞形態(tài)為采空區(qū)兩頭最大，中間稍小，破壞形態(tài)呈馬鞍形。

圖4 不同推進(jìn)階段頂板塑性破壞圖Fig.4 Roof plastic failure diagram of different propulsion stages

此外，頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度隨著工作面推進(jìn)在逐漸增加，開采至一定距離后趨于穩(wěn)定。頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律具體是，工作面推進(jìn)50 m時，頂板導(dǎo)水裂隙帶高度為22.97 m（破壞至頂板細(xì)砂巖1處）左右；工作面推進(jìn)100 m時，導(dǎo)水裂隙帶高度為32.05 m（破壞至頂板細(xì)砂巖1處）；推進(jìn)200 m時，高度為44.03 m（破壞至頂板粗砂巖處）；推進(jìn)500 m時，導(dǎo)水裂隙帶高度為71.08m（破壞至頂板砂質(zhì)泥巖2處），相較于前一階段的開采，采動影響范圍明顯擴(kuò)大；推進(jìn)800 m時，導(dǎo)水裂隙帶增加到90.03 m（破壞至頂板粉砂巖1處）；推進(jìn)1 000 m時，導(dǎo)水裂隙帶增加到123.03 m（破壞至頂板砂質(zhì)礫巖處）；此后，工作面繼續(xù)推進(jìn)至1 500 m的過程中，頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度無明顯變化。達(dá)到123.03 m后，頂板塑變范圍呈不連續(xù)，但采動影響范圍明顯擴(kuò)大。

4 經(jīng)驗公式計算

2號煤開采方法為一次采全高綜采采煤方法，此次導(dǎo)水裂隙帶經(jīng)驗公式法采用中國礦業(yè)大學(xué)（北京）和唐山煤科院分別總結(jié)提出的“兩帶”高度計算公式[11-12]。根據(jù)煤層頂板覆巖巖性及抗壓強(qiáng)度選擇公式如下，計算覆巖兩帶高度值平均為131.05 m，詳見表2。

表2 2號煤層覆巖兩帶高度一覽Table 2 The two zones height list of the overlying strata of No.2 coal seam

中國礦業(yè)大學(xué)（北京）“兩帶”高度計算：

冒落帶：

5 結(jié) 論

通過采用FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件，對鷹駿三號井田11201工作面開采過程中頂板破壞特征、采動位移與應(yīng)力場演化過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，主要得到以下結(jié)論。

（1）隨著工作面逐步推進(jìn)，采場應(yīng)力不斷重新分布，經(jīng)歷“變形—離層—失穩(wěn)—平衡”的變化過程。開采完畢后，煤層頂板破壞形態(tài)為馬鞍形，頂?shù)装逅苄云茐恼w呈蝴蝶狀。2煤開采過程中，其上覆巖層變形與破壞特征明顯，在垂向上應(yīng)力、位移分帶性強(qiáng)，可輔助判斷導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。

（2）分析比較工作面在不同開采階段煤層頂板覆巖的位移規(guī)律、應(yīng)力分布規(guī)律和塑性區(qū)分布特征，進(jìn)一步根據(jù)塑性區(qū)條件、破壞準(zhǔn)則、位移和應(yīng)力判別，確定煤層頂板在開采過程中，導(dǎo)水裂隙帶高度為123.03 m左右，與經(jīng)驗公式計算結(jié)果基本一致。對帶壓開采煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶高度的確定具有一定的參考價值。

（3）鑒于該礦區(qū)含煤地層為軟巖地層，煤層頂?shù)装骞こ痰刭|(zhì)條件復(fù)雜，采用FLAC3D數(shù)值模擬分析，得出“兩帶”發(fā)育高度，有待于現(xiàn)場驗證。

續(xù)表