劉莊煤礦東一采區(qū)13-1煤層導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度預(yù)計與數(shù)值模擬

王敬威,王靜利,吳詩勇,陳貴祥,張代波,張 壹

（1.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院,安徽 淮南232001; 2.艾亭中心學(xué)校,安徽 阜陽236014）

1 引言

經(jīng)濟發(fā)展對煤炭資源需求越來越大, 無水體和建筑物影響的煤炭資源愈趨匱乏, 開采水體下（包括含水層下）、建筑物下的煤炭資源勢在必行[1]。以往為保障生產(chǎn)安全, 留設(shè)了大尺寸的防水煤（巖）柱, 使我國煤炭資源造成極了大浪費費。目前越來越多的煤炭科學(xué)者正在研究如何在保障安全的前提下, 盡量提高開采上限, 以解決能源浪費問題。而判斷導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度正是開采上線和保水開挖工作是否能順利地實施關(guān)鍵[2]。目前，確定導(dǎo)水裂隙帶高度的方法主要有經(jīng)驗公式計算、相似材料模擬、現(xiàn)場測試以及數(shù)值模擬等方法[3-5]。 本文將采用拉格朗日差分方法預(yù)測劉莊礦東一采區(qū)3-1煤層導(dǎo)水裂隙高度，為礦井突水預(yù)測、制訂礦井水害防治決策和安全開采提供重要理論參考。

2 地質(zhì)概況

劉莊煤礦東一采區(qū)位于劉莊井田中部，礦井開拓一水平之上。采區(qū)東西長為864～942米，南北長為2382～2524米，面積約為2.02平方公里。工作面開采13-1煤層，煤層穩(wěn)定小構(gòu)造發(fā)育程度一般，煤層有增厚變薄等現(xiàn)象，受地質(zhì)構(gòu)造及沉積環(huán)境影響，煤層最薄0.2m，最厚達4.5m。斷面右傾3～5°，煤層剖面傾角11～13°。工作面較簡單，直接頂、直接底均為泥巖。工作面走向長1786m，工作面長度248m，工作面采高3000～4300m。

3 導(dǎo)水裂隙帶高的經(jīng)驗公式預(yù)計

導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計是煤礦水體下采煤設(shè)計和保水采煤的基礎(chǔ)和前提[6]。目前，我國應(yīng)用最為普遍的導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計方法為：建筑物"水體"鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程中推薦的統(tǒng)計經(jīng)驗公式，它是在大量實測基礎(chǔ)上統(tǒng)計得到計算導(dǎo)水裂隙帶高度的經(jīng)驗公式，在一定程度上滿足了我國煤礦水體下采煤設(shè)計的要求[7-8]。是純數(shù)學(xué)預(yù)計方法。根據(jù)劉莊礦頂板覆巖類型，計算開采后的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度公式[9-10]3-1。

4 基本模型的確定

4.1 地質(zhì)模型的建立原則

工作面開采將引起很大范圍的巖層產(chǎn)生破裂、垮落、移動和變形，這個范圍比開采本身的范圍大得多，建立的模型將很大，大量的模擬結(jié)果表明，這樣處理沒有必要。從對模擬結(jié)果的要求來看，模型的建立需要滿足以下條件：

（1）模型數(shù)據(jù)：幾何特征，地質(zhì)構(gòu)造位置，材料特性，初始條件，外部載荷；

（2）模型邊界：模型尺寸大幅度地減小，邊界條件易確定，模型處理簡便易行，模型范圍給模擬結(jié)果帶來的誤差較小；

（3）計算過程：模型計算時間要適當，有足夠的監(jiān)測位置；能保存模型運行的中間狀態(tài)。

根據(jù)首采區(qū)13-1煤頂板鉆孔資料及巖土試驗報告建立了三維數(shù)值模型，其特點如下：開采方向沿煤層走向開采，計算模型的走向長為270m，傾向?qū)抷為210m，煤層厚度取4.5m，13-1煤深度取自本礦-700m水平，角度為11°，模型高為175m。為消除左右邊界的邊界效應(yīng)，將采空區(qū)放置在模型的中間。建立的模型由15120個塊體，17052個節(jié)點組成。采空區(qū)采用零單元模擬。地質(zhì)模型見圖1。

圖1 地質(zhì)模型

4.2 屈服準則及力學(xué)參數(shù)的確定

計算采用莫爾-庫侖(Mohr-coulomb)屈服準則,其表達式4-1。

根據(jù)現(xiàn)場取樣測得的部分巖石力學(xué)試驗結(jié)果，以及綜合柱狀圖，選取各巖層和煤層的物理力學(xué)參數(shù)，見表1：

表1 巖體物理學(xué)學(xué)參數(shù)

4.3 模擬結(jié)果分析

4.3.1 頂板分布動應(yīng)力特征

工作面上方巖體應(yīng)力分布具體如圖 2所示。由于受采動影響，頂板巖體移動變形，致使煤層上部及周圍巖體應(yīng)力重分布，在工作面前方煤體及其上部巖體內(nèi)形成支承壓力區(qū)，而在采空區(qū)上部巖體內(nèi)形成減壓區(qū)，其中最大壓力達到28MPa以上。采場上方巖層的重量荷載主要由前方的煤體和采空區(qū)后方煤巖體承擔(dān)，起了支承座的作用，即以兩個拱腳為支點，因而，整體上就在采空區(qū)上方主應(yīng)力分布呈現(xiàn)“拱形”，并出現(xiàn)圖中拉應(yīng)力壓應(yīng)力集中和壓應(yīng)力降低等應(yīng)力傳遞轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象[11]。

圖2 回采后走向剖面垂直應(yīng)力云圖

4.3.2 頂板采動位移變化特征

煤層回采過程中，隨著工作面的推進，應(yīng)力分布情況是不斷變化的，充分采動區(qū)、支撐區(qū)、最大彎曲區(qū)在受應(yīng)力作用不斷變化基礎(chǔ)上也是變化的。因而頂板巖體在應(yīng)力作用下其位移大小和方向也是不同的。圖3在模擬開挖時對煤層上方頂板巖體中距煤層某一距離的點進行監(jiān)控而得到的位移變化圖。

圖3 工作面推進頂板某點巖體移進監(jiān)測圖

由圖3可以看出在開挖之初且沒有開采到該點下方的煤層時，該點受拉應(yīng)力作用上移（坐標圖中0.0線以上的值為正值）。隨著開挖的進行，當開挖至該點下方煤層繼而該點下方煤層回采后成為采空區(qū)時，該點下移的值逐漸增大并隨著垮落的巖體被壓實而最終停止下移。

4.3.3 覆巖破壞特征

煤層開采完畢后，上覆巖層自上而下可以分為5 個區(qū)，即彈性區(qū)、塑性破壞區(qū)、拉張裂隙區(qū)、拉張破壞區(qū)和局部拉張區(qū)[12]。可將巖層因應(yīng)力超過了屈服強度或抗剪強度而開始發(fā)生塑性變形或剪切破壞的巖層高度定為裂隙帶的上限，而將巖層雙向拉力都超過了抗拉強度而開始發(fā)生大變形的巖層高度定為裂隙帶的下限[13]。根據(jù)上述采場頂板主應(yīng)力分區(qū)現(xiàn)象，通過FLAC3D程序模擬計算，可以方便地確定出當工作面推進分別為25、50、75和100m時的冒落帶和導(dǎo)水裂縫帶的高度，具體見圖4和圖5。

圖4 工作面推進50m時走向剖面垂直應(yīng)力云圖

圖5 工作面推進50m時 走向剖面垂直應(yīng)力云圖

從圖4與圖5可方便的看出，工作面推進不同時的冒落帶和裂隙帶高度的不同值。且由模擬結(jié)果可知：工作面推進25m時，頂板破壞最大高度為36.4m。工作面圖3顯示，當工作面向前推進至50m時，在開采后形成的采空區(qū)上部巖層破壞高度相對較小，頂板巖層基本上為拉剪混合破壞，頂板破壞高度約為53,2m。當工作面推進75m時，頂板巖層破壞最大高度55m。工作面圖4示的是當工作面向前推進至100m時，頂板巖層的最大破壞高度度為57m。 可知，當工作面推進到50m以后，頂板的巖層破壞高度稍增加，且破壞的范圍也在稍增大。

5 結(jié)論

（1）通過采動過程頂板巖層位移的監(jiān)測，頂板巖體位移隨距煤層的距離越大，頂板下移的最終值越小，最終趨于不變。

（2）隨著工作面的推進，覆巖遭受破壞高度和范圍都在擴大，推進至50m時最大破壞高度達到53.2m，但當工作面推進到50m以后，頂板的巖層破壞高度也增加較小，同時破壞的范圍在擴張速度也較緩慢。

（3）通過對經(jīng)驗公式得知：預(yù)計劉莊礦東一采區(qū)導(dǎo)水裂隙帶高度值為36.07～47.27m。用FLAC3D軟件數(shù)值模擬出導(dǎo)水裂隙帶高度最大值約為57m。說明經(jīng)驗公式對煤礦的生產(chǎn)實踐具體指導(dǎo)意義不強。

（4）研究了工作面長度、采高對首采面導(dǎo)水裂隙帶高度的影響，其他因素如采空面積、開采時間、大面積開采、埋深、區(qū)段煤柱寬度等的影響規(guī)律，還有待進一步研究。

[1]李洋，李文平，劉登憲. 潘謝礦區(qū)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度與采厚關(guān)系回歸分析[J].地球與環(huán)境，2005(增)：66-69.

[2]石平五.西部煤礦巖層控制泛述［J］.礦山壓力與頂板管理，2002(01):6-8.

[3]王錦山.孤島工作面上覆巖層變形破壞規(guī)律相似試驗研究［J］.山東科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011（05）：6-11.

[4]王慶照，蔣升，司馬俊杰.厚煤層重復(fù)采動覆巖破裂發(fā)育規(guī)律研究［J］.山東科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010（04）：67-72.

[5]梁世偉. 榆陽煤礦2301 工作面導(dǎo)水裂隙帶高度的數(shù)值模擬[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2013(03):47-50.

[6]許家林.朱衛(wèi)兵.王曉振. 基于關(guān)鍵層位置的導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計方法[J]. 煤炭學(xué)報,2012(05):762-768.

[7]胡戈，李文平，程偉，鄭志軍.淮南煤田綜放開采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律研究[J].中國煤炭,2008（34）:41-43.

[8]仇圣華,曹福輝等. 近距離煤層采后覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度數(shù)值模擬研究[J].煤炭科技，2012(11):44-47.

[9]C. D. Taylor，J. E. Chilton，A. L. Martikainen. Use of infrared sensors for monitoring methane in underground mines［C］/ /North American Mine Ventilation Symposium，American，2008: 307 － 312.

[10]曹利波. 煤礦井下環(huán)境對甲烷催化元件性能影響的探討［D］.北京: 煤炭科學(xué)研究總院，2008: 42 － 46.

[11]謝文兵，史振凡等.部分充填開采圍巖活動規(guī)律分析[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2004（02）：162-165.

[12]Emil CO R DOS，Ludovic FE R ENCZI，Sergiu CADA R， et al. Methane and Carbon Monoxide Gas Detection system based on semiconductor sensor［J］.IEEE,2006(08): 4244 － 4247.

[13]余學(xué)義 ，劉俊等. 孟巴礦特厚煤層分層開采覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度測定[J].煤礦安全，2013:169-171.