劉莊煤礦東一采區13-1煤層導水裂隙帶發育高度預計與數值模擬

王敬威,王靜利,吳詩勇,陳貴祥,張代波,張 壹

（1.安徽理工大學 地球與環境學院,安徽 淮南232001; 2.艾亭中心學校,安徽 阜陽236014）

1 引言

經濟發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]。以往為保障生產安全, 留設了大尺寸的防水煤（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。而判斷導水裂隙帶發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鍵[2]。目前，確定導水裂隙帶高度的方法主要有經驗公式計算、相似材料模擬、現場測試以及數值模擬等方法[3-5]。 本文將采用拉格朗日差分方法預測劉莊礦東一采區3-1煤層導水裂隙高度，為礦井突水預測、制訂礦井水害防治決策和安全開采提供重要理論參考。

2 地質概況

劉莊煤礦東一采區位于劉莊井田中部，礦井開拓一水平之上。采區東西長為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，煤層穩定小構造發育程度一般，煤層有增厚變薄等現象，受地質構造及沉積環境影響，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 導水裂隙帶高的經驗公式預計

導水裂隙帶高度預計是煤礦水體下采煤設計和保水采煤的基礎和前提[6]。目前，我國應用最為普遍的導水裂隙帶高度預計方法為：建筑物"水體"鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程中推薦的統計經驗公式，它是在大量實測基礎上統計得到計算導水裂隙帶高度的經驗公式，在一定程度上滿足了我國煤礦水體下采煤設計的要求[7-8]。是純數學預計方法。根據劉莊礦頂板覆巖類型，計算開采后的導水裂隙帶發育高度公式[9-10]3-1。

4 基本模型的確定

4.1 地質模型的建立原則

工作面開采將引起很大范圍的巖層產生破裂、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，大量的模擬結果表明，這樣處理沒有必要。從對模擬結果的要求來看，模型的建立需要滿足以下條件：

（1）模型數據：幾何特征，地質構造位置，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，模型范圍給模擬結果帶來的誤差較??；

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

根據首采區13-1煤頂板鉆孔資料及巖土試驗報告建立了三維數值模型，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，傾向寬y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，將采空區放置在模型的中間。建立的模型由15120個塊體，17052個節點組成。采空區采用零單元模擬。地質模型見圖1。

圖1 地質模型

4.2 屈服準則及力學參數的確定

計算采用莫爾-庫侖(Mohr-coulomb)屈服準則,其表達式4-1。

根據現場取樣測得的部分巖石力學試驗結果，以及綜合柱狀圖，選取各巖層和煤層的物理力學參數，見表1：

表1 巖體物理學學參數

4.3 模擬結果分析

4.3.1 頂板分布動應力特征

工作面上方巖體應力分布具體如圖 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力重分布，在工作面前方煤體及其上部巖體內形成支承壓力區，而在采空區上部巖體內形成減壓區，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后方煤巖體承擔，起了支承座的作用，即以兩個拱腳為支點，因而，整體上就在采空區上方主應力分布呈現“拱形”，并出現圖中拉應力壓應力集中和壓應力降低等應力傳遞轉移的現象[11]。

圖2 回采后走向剖面垂直應力云圖

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，應力分布情況是不斷變化的，充分采動區、支撐區、最大彎曲區在受應力作用不斷變化基礎上也是變化的。因而頂板巖體在應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，即彈性區、塑性破壞區、拉張裂隙區、拉張破壞區和局部拉張區[12]?？蓪r層因應力超過了屈服強度或抗剪強度而開始發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生大變形的巖層高度定為裂隙帶的下限[13]。根據上述采場頂板主應力分區現象，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時走向剖面垂直應力云圖

圖5 工作面推進50m時 走向剖面垂直應力云圖

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 結論

（1）通過采動過程頂板巖層位移的監測，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）通過對經驗公式得知：預計劉莊礦東一采區導水裂隙帶高度值為36.07～47.27m。用FLAC3D軟件數值模擬出導水裂隙帶高度最大值約為57m。說明經驗公式對煤礦的生產實踐具體指導意義不強。

（4）研究了工作面長度、采高對首采面導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、區段煤柱寬度等的影響規律，還有待進一步研究。

[1]李洋，李文平，劉登憲. 潘謝礦區導水裂隙帶發育高度與采厚關系回歸分析[J].地球與環境，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律相似試驗研究［J］.山東科技大學學報：自然科學版，2011（05）：6-11.

[4]王慶照，蔣升，司馬俊杰.厚煤層重復采動覆巖破裂發育規律研究［J］.山東科技大學學報：自然科學版，2010（04）：67-72.

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

[6]許家林.朱衛兵.王曉振. 基于關鍵層位置的導水裂隙帶高度預計方法[J]. 煤炭學報,2012(05):762-768.

[7]胡戈，李文平，程偉，鄭志軍.淮南煤田綜放開采導水裂隙帶發育規律研究[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水裂隙帶高度數值模擬研究[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. 煤礦井下環境對甲烷催化元件性能影響的探討［D］.北京: 煤炭科學研究總院，2008: 42 － 46.

[11]謝文兵，史振凡等.部分充填開采圍巖活動規律分析[J].中國礦業大學學報,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]余學義 ，劉俊等. 孟巴礦特厚煤層分層開采覆巖導水裂隙帶高度測定[J].煤礦安全，2013:169-171.