基于RFPA的覆巖裂隙場發育高度計算

霍小泉，寇義民，范智海

(銅川礦業有限公司，陜西 銅川 727000)

0 引言

煤巖體是一種非均勻介質，內部結構存在缺陷，這就使得煤巖體在圍巖應力的變化下產生裂隙，進而發育形成裂隙場。隨著回采工作的進行使覆巖變形、移動、斷裂和垮落，形成采空區覆巖三帶，即垮落帶、裂隙帶和彎曲帶。

針對采動過程中覆巖裂隙帶發育高度的研究，國內外專家學者進行了大量的研究。施龍青等[1]在前人裂隙帶高度計算公式基礎上，結合巖體性質、工作面開采特性等因素，突破了單因素的局限性，推導了計算公式。南存全、趙金輝[2]采用分段注水和鉆孔電視，探測綜采工作面覆巖垮落帶發育高度，并進行數值模擬試驗完善研究。金志遠[3]運用多種研究方法，對淺埋近距煤層重復擾動區覆巖導水裂隙發育規律及其控制進行了系統分析，研究結果可以為煤層的開采提供一定保障。李樹清等[4]認為在雙重卸壓開采作用下，一些覆巖裂隙經歷了生成、擴展、壓實、張拉、再壓實等復雜過程；李樹剛等[5]構建了重復采動下覆巖裂隙橢拋帶形態的動態變化數學模型，并推導出橢拋帶沿走向及傾向的形態分布動態方程。其他學者對不同礦區煤層采動后的裂隙帶高度也進行了實測研究[6-8]。總體而言，學者們主要采用理論分析、經驗公式、物理相似模擬、數值模擬和現場實測等方法研究工作面采空區覆巖“三帶”高度，并取得了較多成果。

理論分析和經驗公式簡單易行，但由于忽略或概化了復雜地質條件的影響，計算結果具有靜態性；物理模擬主要以平面應力模型為主，試驗結果與井下實際應力-應變狀態有較大差距；數值模擬無法準確反映多因素影響下的動態開采條件和由于采動引起的巖層運動；現場實測結果真實可靠，但其工作量大、成本高。為此，采用RFPA數值分析與理論經驗公式的研究方法，針對銅川礦區玉華煤礦2403工作面采動過程中覆巖裂隙帶發育高度進行研究，以期得出開采過程中的裂隙帶發育高度，為礦井災害的防治、高位鉆孔終孔層位的選擇提供理論基礎。

1 礦井概況

玉華煤礦位于陜西省銅川市的焦坪礦區，井田走向長度7～10.5 km，傾斜寬2.8～4.8 km，面積約36 km2，井田內可采煤層2層，4-2號煤為主采煤層，3-2號煤層局部可采。井田范圍內劃分四個盤區即一、二、三、四盤區，一盤區已采完，二盤區正在開采，三、四盤區未開拓。礦井實行一井一面集中生產，核定生產能力240萬t/年。現采面為2403工作面，采煤方法為走向長壁后退式開采，采煤工藝為綜采放頂煤。井巷掘進以綜掘為主，機械化程度達到95%以上。其中，2403工作面煤層厚度4.3～10.28 m，平均煤厚8 m，機采3 m，放頂煤4 m，丟底煤1 m。

2 采動覆巖裂隙演化規律數值模擬

2.1 RFPA軟件模擬簡介

RFPA(Rock Failure Process Analysis)，是一種對材料的破裂過程進行數值模擬分析的計算方法，它主要基于材料的有限元應力分析以及材料破裂過程分析。其特色是能夠表征模擬材料的不均勻性前提下進行研究力學問題，并且在試驗過程中能夠表現出不同受力階段的材料性質，模擬非連續介質力學問題的材料斷裂過程，總的來說是一種新型數值分析方法。隨著開采工作面的推進，上覆巖層出現應力變化區域，由于煤巖體產生大量裂隙，為卸壓瓦斯聚集和運移提供了有利條件，研究不同推進距離時覆巖裂隙分布和卸壓形態是非常有必要的。

2.2 模型搭建

根據2403工作面的覆巖構成及巖石力學參數，建立模型。模型尺寸沿水平方向取300 m，沿垂直方向取100 m，整個模型網格劃分為30 000個基本堆元。模型采用分步開挖的方式模擬采煤，每步開挖5 m，且模型兩邊各留50 m的保護煤柱，消除邊界效應。模型邊界條件為兩堵水平約束，垂直方向頂部產生滑動的固定邊界，底端固定。計算模型如圖1所示，本模型共分13層不同巖性的覆巖層，力學參數以及厚度見表1。

圖1 覆巖移動模擬模型

表1 巖層模擬參數

2.3 覆巖裂隙演化過程分析

模擬過程中覆巖的變化可分為2個階段：直接頂垮落階段和基本頂破斷階段，工作面的不斷推進并經歷多次周期來壓后使得采空區上方裂隙發育穩定，從而得出裂隙帶發育高度，試驗過程主要分為直接頂垮落、基本頂破斷。

直接頂垮落：當工作面推進到10 m時，工作面上覆巖層處于懸空狀態，如圖2(a)、(b)所示。然后，隨著工作面繼續推進，上覆巖層出現部分破壞，如圖2(c)所示。當工作面推進到20 m時，直接頂上部出現離層裂隙，如圖2(d)所示。當工作面推到40 m時，直接頂發生破斷，出現大范圍垮落，上部覆巖出現離層，開采空間兩側以豎向裂隙為主，中部主要是橫向裂隙，此時冒落高度約為3 m，如圖2(e)所示。

圖2 直接頂垮落過程

基本頂破斷：隨著工作面繼續推進，覆巖破壞出現在基本頂，出現離層裂隙，并在兩端出現破斷裂隙，開采空間兩側的裂隙發育高度不斷增大，采空區中部的部分裂隙壓實閉合，如圖3(a)所示。當工作面推進到53 m時，基本頂初次來壓，來壓步距為53 m基本頂破斷，垮落高度為7 m，直接頂出現塑性鉸接破壞，未完全破壞，如圖3(b)所示。隨著工作面推進，基本頂破壞程度加深，裂隙發育高度為30 m，并在直接頂和基本頂之間出現大量離層裂隙和破斷裂隙，且縱橫交錯，離層裂隙逐漸向上延伸，出現第一次周期來壓，來壓步距為22 m，如圖3(c)所示。隨著工作面的繼續推進，離層裂隙繼續向上延伸，裂隙發育高度為52 m，離層裂隙出現在主關鍵層，亞關鍵層出現破斷裂隙，斷裂破壞和離層裂隙增多，如圖3(d)、圖3(e)所示。當工作面推進到109 m時，出現第2次周期來壓，垮落高度為18 m，來壓步距為25 m，主關鍵層出現大量的離層裂隙和破斷裂隙，且離層裂隙延伸到上部軟巖層。工作面回采結束時裂隙發育情況，裂隙發育高度約為58 m，冒落帶高度為24.6 m左右。

圖3 基本頂破斷過程

3 采動覆巖裂隙帶高度理論計算

采動覆巖裂隙帶高度經驗公式是通過統計我國部分礦井的實測數據總結得到的[9-12]，其主要考慮的因素為開采厚度以及頂板的單軸抗壓強度。通過計算得到的數據雖存在誤差，但也具有一定的理論價值。裂隙帶的發育高度可通過表2進行計算。

表2 裂隙帶高度經驗計算公式

結合2403工作面實際的圍巖地質情況，可以得出裂隙帶的高度為43.1～54.3 m。而采用RFPA數值模擬得到的裂隙帶高度為58 m，雖然存在誤差，但經驗公式所計算出的范圍沒有考慮到上覆巖層的多因屬性及復雜性，且誤差在合理的范圍內，也進一步說明數值模擬試驗結果的可靠性。此外，數值模擬試驗所得到的冒落帶與彎曲下沉帶高度也可以作為參考。

4 結論

(1)通過RFPA數值模擬試驗得出2403工作面開采過程中冒落帶高度約為24.6 m，是采高的4.1倍；兩側最大裂隙帶發育高度約為58 m，是采高的9.67倍；中部裂隙帶高度為52 m左右，為采高的8.67倍。其中裂隙帶高度與經驗計算公式得出的43.1～54.3 m，兩者相互驗證，結果基本相符。

(2)采用數值模擬的研究方法對采動覆巖三帶高度的確定，可為高位鉆孔以及高抽巷的布置提供理論基礎，實現瓦斯的精準高效抽采，進而為礦井的安全生產提供指導。