馬堡煤礦8206工作面“三帶”高度確定

郭杉

馬堡煤礦8206工作面“三帶”高度確定

郭杉

本文以馬堡煤礦8206工作面為背景，采用經驗公式和FLAC3D數值模擬軟件對8206采空區上覆巖層“三帶”高度進行了研究。結果表明：8206工作面冒落帶高度Hm=4.3 m～8.76 m，裂隙帶高度Hli=22.17 m～36.83 m。經驗公式計算結果和模擬軟件計算結果基本一致，為馬堡煤礦鄰近層瓦斯治理工作提供了理論依據。

“三帶”高度；跨落帶；裂隙帶；數值模擬

0 引言

伴隨著采煤工作面的不斷推進，上覆巖層將會發生移動和破斷，并在巖層中形成離層和各種裂隙。依據覆巖破壞范圍及強度，自下而上分為冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶[1-3]。“三帶”高度的確定，特別是跨落帶、裂隙帶范圍的確定，對于確定采煤工作面開采上限、高位瓦斯抽放鉆孔終孔位置及地表移動有重要意義。長期以來，研究者針對工作面上覆巖層“三帶”高度的確定已做了大量深入細致的研究[4-7]，但由于采場上覆巖層“三帶”高度受地質條件的影響較大。為此，本文針對馬堡礦8206工作面覆巖“三帶”高度進行了理論計算和數值模擬研究，以期為馬堡煤礦瓦斯治理及煤礦開采工作提供理論依據。

1 概況

馬堡煤礦地處山西省武鄉縣東北53 km處的墨鐙鄉馬堡村，批準開采8#、15#煤層，井田采深1 282～950 m，井田面積為12.8805 km2，礦井核定生產能力為1.50 Mt/a。8206綜采面回采的煤層屬于8#煤層，工作面長度為180 m，走向長度為1 140 m，煤層平均厚度2.1 m。工作面標高+920 m～+946 m，回風平巷高、運輸平巷低，落差平均為26 m。直接頂為泥巖、砂質泥巖，平均厚3 m;老頂為粗、中、細粒砂巖及粉砂巖，平均厚度6.65 m;直接底為砂質泥巖，平均厚度0.70 m。現場實測8206工作面原煤瓦斯含量為7.38 m3/t。

2 8206 工作面采場覆巖裂隙“三帶”高度理論計算

根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》[8]，綜采工作面冒落帶和裂隙帶高度計算見表1和表2所示。

表1 冒落帶高度計算公式

表2 裂隙帶高度計算公式

2.1 8206綜采面冒落帶高度

根據馬堡煤礦地勘資料，8#煤層直接頂主要為泥巖、砂質泥巖，根據巖石力學參數測定結果，泥巖抗壓強度平均27.5 MPa，因此按照中硬巖層計算：

取最大值，即8206綜采工作面冒落帶最大高度為8.76 m。

2.2 8206綜采面裂隙帶高度

根據馬堡煤礦地勘資料，8#煤層老頂一般為粗、中、細粒砂巖及粉砂巖，因此可以按照中硬巖層計算：

采用表2第一種計算方法：

采用表2第二種計算方法：

取最大值，即8206綜采工作面裂隙帶最大高度為36.83 m。

3 8206工作面覆巖裂隙“三帶”高度數值模擬分析

3.1 FLAC軟件介紹

FLAC3D是美國Itasca Consulting Group

Inc研發的三維顯式有限差分法程序，它可以模擬巖土或其它材料的三維力學行為。該軟件采用顯式拉格朗日算法和混合-離散分區技術，能夠非常準確地模擬材料塑性破壞和流動。由于無須形成剛度矩陣，因此，基于較小內存空間就能夠求解大范圍的三維問題。

3.2 模型的建立

（1）模型尺寸及巖層分布

數值模型主要研究采場上覆巖層隨著工作面推進的變化特征。建模時不考慮巖層厚度及傾角變化，全部按水平巖層考慮；由于上覆7#煤層平均厚度只有0.5 m，建模時將其與上鄰巖層合并。

取工作面推進方向為x軸，工作面傾斜方向為y軸，垂直方向為z軸。采用平面應變分析模型，本構關系采用摩爾-庫侖準則。依據彈塑性理論和馬堡煤礦8206綜采工作面附近的鉆孔綜合柱狀圖，在工作面推進方向上（x軸）取200 m，工作面傾斜方向（y軸）取2 m；在z軸方向上，頂板巖層取2 m，底板巖層取6 m。計算模型的尺寸58 m×50 m×20 m，即X×Y×Z=200 m× 2 m×84.5 m。模型中各巖層厚度和物理力學參數見表3，數值模型如圖1所示。

表3 模型中巖石力學參數

（2）模型邊界條件

模型上部設定為應力邊界，在垂直于工作面方向上自由運動，巷道埋深約為415 m，均布載荷為10.375 MPa，下部設定為位移邊界條件，水平方向設定為位移邊界，側壓系數設定為1.2。

（3）初始應力求解

建立模型后，進行原巖初始應力求解，模型的初始平衡狀態如圖2所示。

圖1 巖層模型圖

圖2 初始平衡后的垂直應力圖

3.3 模擬結果分析

通過FLAC3D直接輸出采空區覆巖塑性變形區域圖可以確定裂隙帶的高度，通過FLAC3D后處理軟件Tecplot做出采空區覆巖位移等值線圖可以確定冒落帶高度。本次模擬我們分別選取工作面推進40 m、60 m、80 m和100 m時的采空區上覆巖層塑性變形圖和位移等值線圖，來分析上覆巖層位移變化規律。

圖3 推進40 m時塑形變形圖

圖4 推進40 m時位移等值線圖

工作面推進40 m時采場覆巖塑性變形區如圖3所示，由圖可以得知當模型計算達到穩定后，塑性破壞區域最大高度穩定在采空區上方29 m處,而29 m以上區域為基本未受到采動影響,由此可得到裂隙帶上限值約為29 m。

工作面推進40 m時位移等值線如圖4所示，可以得知當模型計算達到穩定后，采空區的頂板上方6.5 m范圍內，煤層頂板下沉移動量顯著超過上覆巖層的下沉移動量，即在-0.9 m～-0.8 m的范圍內位移等值線發生急劇變化，此外，通過工作面開挖邊界得出，在工作面中后部，煤層頂板的最大下沉值為1.8 m，表明頂板巖層和底板巖層相互接觸，說明頂板已經冒落，冒落帶高度約6.5 m。

圖5 推進60 m時塑性變形圖

圖6 推進60 m時位移等值線圖

工作面推進60 m時采場覆巖塑性變形區如圖6所示，由圖可以得知模型計算達到穩定后，上覆巖層發生塑性變形或剪切破壞的最大巖層高度是32 m左右, 32 m以上區域基本未受到采動影響,由此可得裂隙帶的最大上限值約為32 m。

工作面推進60 m時位移等值線如圖6所示，由圖可知當模型計算達到穩定后，距離煤層頂板上方7 m范圍內，煤層頂板的下沉移動量顯著超過上覆巖層的下沉移動量，即在-1.3 m～-1.2 m的范圍內位移等值線產生急劇變化，即冒落帶的高度約為7 m。

圖7 推進80 m時塑形變形圖

圖8 推進80 m時位移等值線圖

工作面推進80 m時采場覆巖塑性變形區如圖7所示，由圖可知當模型計算達到穩定后，塑性破壞區的最大高度穩定采場上覆巖層34 m處,而距離煤層頂板34 m以上范圍基本未受到采動影響,由此可確定裂隙帶的上限值約為34 m。

工作面推進80 m時位移等值線如圖8所示，由圖中曲線變化可知隨工作面的不斷推進，采空區的冒落矸石逐漸被壓實，隨著壓實區面積的擴大，巖石碎脹系數越來越??；上覆巖層進一步下沉，其位移值越來越大；計算達到穩定后，在距離煤層頂板上方9.5 m范圍內，煤層頂板的下沉移動量顯著超過上覆巖層的下沉量，在-1.4 m～-1.3 m之間位移等值線發生急劇變化。即冒落帶高度約9.5 m。

圖9 推進100 m時塑形變形圖

圖10 推進100 m時位移等值線圖

工作面推進100 m時采場覆巖塑性變形區如圖9所示，由圖可知當模型計算達到穩定后，塑性破壞區最大高度穩定在工作面上覆巖層34 m處,而在距離煤層頂板34 m以上區域為彈性變形區,由此可以確定裂隙帶高度上限值約為34 m。

工作面推進100 m時位移等值線如圖10所示，由圖中曲線變化可知當計算達到穩定時，在距煤層頂板上方10 m的范圍內，頂板下沉值顯著超過覆巖下沉值，即在-1.5 m～-1.4 m間位移等值線發生劇烈變化，因此冒落帶高度平均值為10 m左右。

圖11 冒落帶、裂隙帶發育高度曲線圖

“豎三帶”高度發育情況如圖11所示，由曲線變化可知，在外界采動影響下上覆巖層不斷下沉，冒落帶和裂隙帶高度逐漸增大，在工作面推進約50 m后達到穩定。穩定后冒落帶高度約為10 m，裂隙帶高度上限值約為34 m，數值模擬的結果與經驗公式計算結果基本一致。

4 結論

（1）經驗公式計算得到的馬堡煤礦8206綜采工作面冒落帶高度為8.76 m，裂隙帶高度為36.83 m，

（2）數值模擬結果表明8206綜采面冒落帶高度為10 m和裂隙帶最大高度為34 m。經驗公式計算結果和數值模擬結果基本一致。

（2）數值模擬結果表明，在外界采動影響下，上覆巖層不斷下沉，冒落帶和裂隙帶的高度逐漸增大，在工作面推進約50 m后，上覆巖層“三帶”高度趨于穩定。

[1]錢鳴高,石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州:中國礦業大學出版社, 2003.

[2]杜計平,孟憲銳.采礦學[M].徐州:中國礦業大學出版社,2009.

[3]錢鳴高,纓協興,許家林,等.巖層控制的關鍵層理論[M].徐州:中國礦業大學出版社,2000.

[4]施龍青,辛恒奇,翟培合.大采深條件下導水裂隙帶高度計算研究[J].中國礦業大學學報,2012,41(1):37-41.

[5]李向陽,李俊平,周創兵,等.采空場覆巖變形數值模擬與相似模擬比較研究[J].巖土力學,2005,26(12):1907-1912.

[6]王志強,李成武,趙景禮.采場冒落帶高度的確定方法[P].中國專利: 201110409969.0,2011-12-09.

[7]付玉平,宋選民,邢平偉.淺埋煤層大采高超長工作面冒落帶高度的研究[J].采礦與安全工程學報,2010,27(2):190-194.

[8]國家煤炭工業局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程.[M].北京:煤炭工業出版社,2000.

"Three zones"height determination of 8206 working face in Mabao Coal Mine

GUO Shan

"Three zones"height;Caving zone;Fractured zone;Numerical simulation

TD325

B

1000-4866(2016)06-0017-06

10.19413/j.cnki.14-1117.2016.06.005

2016-11-12

郭杉，男，1986年生，現晉能集團馬堡煤礦工作，通風科科長。

Abstract：In this paper,taking the 8206 working face of Mabao Coal Mine as the background,the"three zones" height are studied for the overlying rock seam of the 8206 working face by using the empirical formula and FLAC3D nu?merical simulation software.The results show that the caving zone height Hm of the 8206 working face is 4.3m～8.76m, the fractured zone height Hli is 22.17m～36.83m.The empirical formula calculation results and simulation software cal?culation results are basically identical,it provides the theoretical basis for the gas control work of adjacent seams in Ma?bao Coal Mine.