杜兒坪礦8#煤層頂板兩帶高度數值模擬研究

王建鵬，張 軍，

(1.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083；2.山西焦煤集團有限責任公司杜兒坪礦，山西 太原 030026；3.華北科技學院科技管理處，河北 三河 065201)

綜采工作面上覆巖層運移規律、礦壓顯現規律及受力狀態分析，有很多專家進行過詳細的理論分析、模擬及現場實測研究，取得了一大批研究成果，對綜采工作面設備選型及回采工藝的優化提供了良好的技術支持[1-7]。但是將上覆巖層受力狀態及破壞形態的研究成果應用到裂隙帶高度分析領域的研究較少。杜兒坪礦是高瓦斯礦井，目前開采的8#煤層是主采層，但由于工作面開采過程中瓦斯超限現象頻繁發生，嚴重影響了工作面的安全正常生產。主要原因是裂隙帶高度確定不準、瓦斯高位抽采效率不高，不能有效解決瓦斯在工作面上隅角積聚的問題，本文擬通過對開采煤層上覆巖層受力狀態及破壞形態的數值模擬研究，分析確定裂隙帶發育高度，并應用現場實測手段對數值模擬分析結果進行驗證，為綜采工作面裂隙帶高度的分析計算提供了新的有效方法。

1 模型建立

1.1 模型參數設置

模擬實驗依據杜兒坪礦8#煤層68303工作面的煤巖層地質條件進行研究。主采8#煤層平均厚度4.7m，傾角2～3°，工作面長度240m，平均埋深422m。走向模型兩邊各留60cm的邊界，以消除邊界效應；模型中采高4.7cm，模型每次開挖20m。

巖石的破壞一般是由于其巖石內部剪張力作用的結果，巖體的破壞可理解為“塑性破壞”。當巖石達到屈服極限之前，可將巖石的變形視為彈性變形，達到屈服極限后則顯示為塑性破壞。屈服準則是判別某一點的應力是否進入塑性狀態的判別準則，本次模型計算，采用摩爾-庫侖屈服準則。建立計算模型如圖1所示。

1.2 相似條件的確定

根據實際賦存狀況，計算模型的邊界條件設定如下所示。

1) 上部邊界條件:設定為煤層上覆巖層的重量，即

式中：γ為上覆巖層的平均體積力，kN/m3；H為煤層的埋深，m。

8#煤層平均垂深約為400m左右，上覆巖層的平均體積力取27kN/m3，代入式(1)得

σ=γH=10.8MPa

2) 下部邊界條件:本模型的下部邊界條件為底板，簡化為位移邊界條件，在x、y方向可以運動，z方向為固定鉸支座，即v=0。

3) 兩側邊界條件:本模型的兩側邊界條件均為實體煤巖體，簡化為位移邊界條件，在z方向可以運動，其他方向為固定鉸支座，即u=w=0。

實驗室測定68303工作面頂板不同巖性的力學性質如表1所示。

圖1 數值計算模型

表1 巖石物理力學性質

2 模擬結果及分析

2.1 采場應力狀態分析

從圖2可以看出，頂板上方約40m范圍內的巖體處于應力降低區內，垂直應力在0～5MPa，小于原巖應力，表明該部分巖體應力已經釋放，處于屈服狀態，即頂板上方40m可能發生塑性破壞，該區域巖體為冒落帶和裂隙發育區域；而在采場周邊處于應力增高區域，當巖體載荷大于巖體的單軸抗壓強度時，巖體即發生屈服破壞，且巖體的破壞程度和破壞范圍隨著載荷的增大、時間的延長而增大。

圖2 采場圍巖垂直應力云圖

由圖3可以看出，當工作面推過后，采場頂板上方紅色區域內的水平應力值大于0，該區域為拉應力區，一般巖體的抗拉強度遠小于巖體的抗壓強度，且由于巖體中節理、裂隙等弱面的存在，導致巖體的抗拉強度較小，在數值模擬計算中，當巖體出現拉應力即可認為該巖體已發生塑性破壞或拉升破壞。圖中采空區上方的拉應力區域約為頂板上方40m以內，即頂板上方的冒落帶、裂隙帶發育區域為40m左右。

圖3 采場圍巖水平應力云圖

從圖4可以看出，當工作面開采后，應力重新分布，由于采空區上方頂板下沉易形成拉應力區，巖體抗拉強度較小，該區域易發生垮落；在工作面左上和右上位置可形成剪應力集中區，因此該部分的巖體易形成拉剪破壞區，拉剪破壞巖體內部可形成較多的裂隙。

圖4 采空區頂板力學分析

頂板上方70m、60m、50m、40m、30m、20m、10m處測點的垂直應力如5圖所示。由于采動作用，頂板上方50m以上測點的應力變化幅度較小，表明采動對其影響較小；頂板上方20～40m處測點的垂直應力先是增大，后是快速減小，表明頂板上方50m以下巖體受采動影響較大，說明裂隙帶發育高度小于50m。

圖5 測點垂直應力追蹤曲線

2.2 開采不同階段頂板塑性狀態分析

由圖6可以看出，當工作面推進至140m時，頂板塑性區高度約為10m左右；當工作面推進至160m時，頂板塑性區高度約為16m左右；當工作面推進至180m時，頂板塑性區高度約為18m左右；當工作面推進至200m時，頂板塑性區高度約為20m左右；當工作面推進至220m時，頂板塑性區高度約為20m左右，且對其老頂上方巖層開始產生影響，8#煤上方含煤地層部分產生塑性屈服；當工作面推進至220m時，頂板塑性區高度約為20m左右，但頂板的破壞范圍與破壞程度有所增加。

圖6 工作面推進不同階段頂板塑性狀態

3 現場測試驗證

采用仰斜鉆孔分段注水法與測試鉆孔參數分析法對8#煤層冒落帶、裂隙帶高度進行現場測試，測試結果如下所示。

1) 鉆孔垂直深度從11.3m到13.3m，高壓水流量逐漸減小，壓力基本不變，注水60L前后的流量數值差距不大、壓力差距逐漸增大，可見在垂深為11.3m到13.3m范圍內，高壓水在注水管外流動比在管內阻力大，但流量基本相等，表明13.3m接近冒落帶的上限。

2) 鉆孔垂直深度從13.3m到16.4m，高壓水流量明顯減小、壓力逐漸增大，注水60L前后的流量數值差距明顯增大、壓力差距逐漸增大，可見在垂深為13.3m到16.4m范圍內，高壓水在注水管外流動比在管內阻力大，流量顯著降低，表明16.4m為冒落帶的上限和裂隙帶的下限(極發育階段)。

3) 鉆孔壓力參數測試的負壓及節流壓力數據表明，鉆孔垂深從20.5m到46m負壓逐漸降低。根據氣體狀態方程pv=nRT可知，當氣體狀態參數nRT變化不大時，氣體的體積大則壓力小，由此可知鉆孔垂深從20.5m到46m范圍內巖層裂隙逐漸減小，節流后壓力降低幅度與節流前的壓力成正比，所表現的實際意義與負壓相同。

4) 鉆孔氣體流量參數測試中，流量表現出逐漸降低的趨勢，表明裂隙逐漸減小，但垂深33.6m到46m降低顯著，表明垂深達到46m時已接近裂隙帶的上限。

4 結論

通過數值模擬手段對杜兒坪礦68303工作面頂板冒落帶、裂隙帶高度進行了分析研究，將數值分析與現場測試結果進行對比，得到如下結論。

1) 冒落帶內巖體主要以拉伸破壞為主，裂隙帶內巖體以剪切破壞為主，且剪應力集中區的范圍在采場周邊要大于采場中部；塑性破壞區為頂板冒落帶范圍，頂板采動垂直應力的變化幅度反映了裂隙帶的發育程度。

2) 頂板受力狀態、破壞形態及采動垂直應力變化幅度的數值分析結果表明，冒落帶高度約為20m左右，裂隙帶高度約為50m左右，比較發育的裂隙帶范圍為33.0～40.0m。

3) 現場仰斜鉆孔分段注水及鉆孔參數實測冒落帶、裂隙帶高度分別為16m、46m左右。

4) 借助數值模擬手段對綜采工作面頂板受力狀態、破壞形態及采動垂直應力變化幅度進行分析推定頂板冒落帶、裂隙帶高度是可行的、有效的。

[1]彭蘇萍,凌標燦,鄭高升,等.采場彎曲下沉帶內部巷道變形與巖層移動規律研究[J].煤炭學報,2002,27(1):21-25.

[2]劉紅元,唐春安,芮勇勤.多煤層開采時巖層垮落過程的數值模擬[J].巖石力學與工程學報 2001,20(2):190-197.

[3]柴肇云,武小玲,康天合.基于拉格朗日算法的綜放采場礦壓顯現規律研究[J].山東科技大學學報,2007,26(3):23-26.

[4]張嘉凡,石平五,邵小平.急斜近距煤層聯合開采覆巖運移規律模擬[J].采礦與安全工程學報,2009,26(2):234-238.

[5]廖學東,高明中.開采方案對地表移動影響的數值模擬[J].采礦與安全工程學報,2008,25(2):226-230.

[6]趙忠明,孟武峰.下煤層采面穿越上煤層上山的數值模擬研究[J].采礦與安全工程學報,2010,27(2):228-232.

[7]許家林,錢鳴高,馬文頂.巖層移動模擬研究中加載問題的探討[J].中國礦業大學學報：自然科學版，2001,30(3):252-255.