沙吉海礦高強度開采軟弱覆巖“兩帶”高度 三維模擬研究

張剛艷，于秋鴿，趙高博

1. 煤炭科學研究總院，北京 100013；2. 中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；3. 河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454003 )

煤炭開采后擾動礦區(qū)原有地層，誘發(fā)巖層運動從而導(dǎo)致從頂板到高層位巖層都發(fā)生不同程度的破壞[1-3]。而西北礦區(qū)高強度開采誘發(fā)的覆巖破壞較一般地質(zhì)采礦條件下更劇烈[4]，其采動覆巖“兩帶”高度( 也稱“導(dǎo)水裂縫帶高度” )發(fā)育規(guī)律具有特殊性[5]。

目前，《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》( 簡稱《規(guī)范》 )中給出的綜放開采覆巖“兩帶”高度計算公式應(yīng)用最為普 遍[6]，但通常與現(xiàn)場實測結(jié)果有較大誤差[7-8]。部分學者針對綜放開采覆巖“兩帶”高度進行了大量的研究。許延春[9]等借用回歸分析方法得到了綜放開采覆巖“兩帶”高度與采厚之間的經(jīng)驗公式；許家林[10-11]等提出了1種基于關(guān)鍵層位置預(yù)計覆巖“兩帶”高度的方法；張宏偉[12]等基于關(guān)鍵層理論，提出了1種根據(jù)堅硬巖層與軟弱巖層破斷距及其下方自由空間高度計算裂縫帶高度的方法；郭文兵[13-14]等提出了基于覆巖破壞傳遞的覆巖“兩帶”高度理論計算方法。上述研究為高強度開采覆巖“兩帶”高度的計算提供了重要理論指導(dǎo)，然而鮮有研究通過建立高強度開采工作面的三維離散元數(shù)值模型，進而分析不同開采條件下覆巖“兩帶”高度。因此，筆者基于沙吉海煤礦某高強度開采軟弱覆巖工作面采礦地質(zhì)條件，基于3DEC離散元數(shù)值模擬軟件，建立并基于現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)校核了三維數(shù)值模型，該模型考慮了現(xiàn)場實測的最大、最小水平主應(yīng)力及其與工作面推進方向夾角，很大程度上較真實地模擬了現(xiàn)場三維工作面的開采情況，較前人從平面角度做的二維相似模擬或二維數(shù)值模擬試驗有較大的創(chuàng)新。

本文以沙吉海煤礦B1003W01工作面為工程背景，研究該礦高強度開采軟弱覆巖“兩帶”高度。主要研究不同采厚、工作面傾向長度與推進速度對高強度開采軟弱覆巖“兩帶”最大高度的影響，研究成果可對西北礦區(qū)高強度開采軟弱覆巖工作面巖層控制、保水開采等方面具有一定的指導(dǎo)意義。

1 高強度開采軟弱覆巖工作面概況

沙吉海煤礦位于我國西北部新疆塔城和什礦區(qū)，B1003W01工作面的開采深度平均為280 m，工作面走向長度為1 930 m，工作面傾向長度為210 m，工作面開采速度約為5 m/d，開采煤層屬于近水平煤層，工作面采厚平均為6.5 m，采煤方法為綜合機械化放頂煤開采。

另外，根據(jù)現(xiàn)場實測資料[16-17]，最大水平主應(yīng)力與工作面推進方向的夾角平均為18°；沙吉海煤礦最大水平主應(yīng)力與最小水平應(yīng)力的比值、最大水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值分別為1.85與1.50。該工作面上覆巖層180 m范圍內(nèi)的覆巖柱狀如圖1( b )所示。通過鉆孔資料分析、覆巖力學性能測試方法確定了該工作面覆巖屬于軟弱類型[17]。

圖1 三維數(shù)值模擬模型尺寸及工作面布置 Fig. 1 Size of numerical simulation model and panel layout

2 三維數(shù)值模擬方案及模型校核

2.1 數(shù)值模擬方案

通過3DEC離散元數(shù)值模擬軟件共設(shè)計4種數(shù)值模擬方案，分別模擬不同工作面走向長度、采厚、工作面傾向長度與不同開采速度對高強度開采軟弱覆巖“兩帶”高度的影響，模擬方案見表1，其中模擬的工作面走向長度為300 m，每隔15 m開挖1步，一共開挖20步。

表1 沙吉海煤礦數(shù)值模擬方案 Table 1 Schemes of numerical simulation of Shajihai Coal Mine

2.2 數(shù)值模型建立

本文建立的數(shù)值模型將考慮沙吉海煤礦B1003W01高強度開采工作面與最大水平主應(yīng)力的夾角( 18° )，開挖區(qū)域設(shè)置在模型的中央，并施加了最大水平主應(yīng)力與最小水平應(yīng)力。設(shè)置邊界煤柱的寬度大于100 m，目的是去除數(shù)值模型的邊界效應(yīng)。該工作面開采深度為280 m，大于模擬的工作面上覆巖層厚度( 180 m )，因此將在三維數(shù)值模型上方施加100 m巖層的載荷( 2.5 MPa )；另外設(shè)置工作面底板厚度為40 m。

模型邊界條件為：固定數(shù)值模型的底部位移與側(cè)面位移，采用摩爾-庫侖屈服準則。本次數(shù)值模擬模型尺寸及工作面布置如圖1所示。

2.3 數(shù)值模擬模型校核

用于模擬沙吉海煤礦B1003W01高強度開采工作面的上覆巖層力學參數(shù)見表2。

表2 覆巖各巖層模擬力學參數(shù) Table 2 Parameters of overburden strata used in 3DEC

根據(jù)上述參數(shù)建立的三維數(shù)值模型，結(jié)合表2的覆巖各巖層及節(jié)理模擬力學參數(shù)，得到沙吉海煤礦B1003W01高強度開采工作面三維數(shù)值模型的初始應(yīng)力，如圖2所示。相關(guān)研究一般從3DEC數(shù)值模擬結(jié)果得到垂直位移云圖，進而得到采動覆巖“兩帶”高度，但垂直位移不能較好地反映覆巖破壞情況。筆者以垂直位移云圖( 圖3中每張圖的左半部分 )和節(jié)理法向位移( 圖3中每張圖的右半部分 )綜合判斷覆巖巖層裂縫發(fā)育與裂縫貫通情況，進而較為準確地得到覆巖破壞高度。

圖2 初始應(yīng)力sxx，szz，syy Fig. 2 Initial stress of sxx，szz and syy

圖3 沙吉海煤礦B1003W01工作面覆巖垂直位移及法向節(jié)理位移 Fig. 3 Joint normal displacement of overburden failure of No. B1003W01 panel of Shajihai Coal Mine

模擬沙吉海煤礦B1003W01工作面實際采礦條件下的覆巖“兩帶”高度發(fā)育情況，用于校核上述建立的三維數(shù)值模型。其中，沙吉海煤礦B1003W01工作面部分覆巖“兩帶”高度發(fā)育過程中的垂直位移云圖和節(jié)理法向位移圖如圖3所示。圖3中節(jié)理法向位移在初始狀態(tài)時為0，節(jié)理顏色為紅色；隨著工作面推進距離增加，節(jié)理法向位移增加，節(jié)理顏色逐步變綠色、藍色、深藍色，這意味著覆巖逐步發(fā)育裂縫并發(fā)生破壞，則歸入“兩帶”高度的范圍內(nèi)。當節(jié)理顏色又重新逐步變紅時，代表覆巖裂縫逐步發(fā)生閉合。

由圖3可知，隨著工作面推進距離的增加，節(jié)理顏色逐步變綠色、藍色，說明覆巖裂縫發(fā)育，該工作面的覆巖“兩帶”高度增加。當工作面推進至180 m時覆巖“兩帶”高度為89 m，隨著工作面繼續(xù)推進，節(jié)理顏色逐步變紅，說明覆巖離層裂縫趨于閉合，且覆巖“兩帶”高度達到最大值，沒有繼續(xù)增加。

文獻[17]在B1003W01工作面地表施工了3個觀 測 鉆 孔( CH01 深 度273 m、CH02 深 度292 m 與 CH03深度309 m )，其相對位置及其觀測結(jié)果如圖4所示。

1)基于微課的自主學習：翻轉(zhuǎn)課堂順利實施的技術(shù)支持就是微課，特別是在實踐性較強的計算機公共類課程中，把微課作為輔助教學非常便利，學生可以不受時間、地點的限制，多次地通過觀看微課進行知識的復(fù)習和強化。在具體實現(xiàn)時，根據(jù)不同的課程要求，教師構(gòu)建基于微課的課程自主學習平臺，平臺主要包括以下功能：

圖4 3個鉆孔位置及其觀測結(jié)果 Fig. 4 Three boreholes locations and observation results

通過各個鉆孔沖洗液漏失量曲線、鉆孔水位曲線、巖芯圖片得到CH01，CH02，CH03鉆孔觀測“兩帶”頂點位置孔深分別為197.05，209.74，230.48 m，即得到3個鉆孔的“兩帶”實測最大高度分別為75.95，82.26，78.52 m，進而可知該工作面上覆巖層“兩帶”實測最大高度為75.95～82.26 m。

根據(jù)上述數(shù)值模擬結(jié)果，可以得到：沙吉海煤礦B1003W01工作面軟弱覆巖“兩帶”模擬最大高度( 89 m )與現(xiàn)場實測結(jié)果相近，可間接說明本次建立的數(shù)值模擬模型與覆巖巖性參數(shù)的合理性。

3 高強度開采軟弱覆巖“兩帶”高度模擬結(jié)果

3.1 不同采厚對“兩帶”高度的影響

根據(jù)上述模擬方案，分析不同采厚( 3.5，6.5，9.5，12.5，15.5 m )對覆巖“兩帶”最大高度的影響，其中采動覆巖巖層垂直位移云圖( 每張圖左半部分 )和節(jié)理法向位移( 每張圖右半部分 )如圖5所示。

由圖5可知，當采厚分別為3.5，6.5，9.5，12.5，15.5 m時，覆巖“兩帶”最大高度依次為38，89，111，125，138 m。由此可知：隨著高強度開采工作面采厚的增加，覆巖“兩帶”最大高度增加，且達到覆巖“兩帶”最大高度時所需要的工作面推進距離也在增加。

3.2 不同傾向長度對“兩帶”高度的影響

根據(jù)上述模擬方案，分析不同工作面傾向長度( 180，210，240，270，300 m )對覆巖“兩帶”最大高度的影響，其中采動覆巖巖層垂直位移云圖( 每張圖左半部分 )和節(jié)理法向位移( 每張圖右半部分 )如圖6所示。

由圖6可知，當傾向長度增加時，覆巖“兩帶”最大高度都為89 m。即：覆巖“兩帶”最大高度與高強度開采工作面的傾向長度沒有明顯相關(guān)關(guān)系，但達到覆巖“兩帶”最大高度時所需要的工作面推進距離與傾向長度成反比。這是因為高強度開采工作面的傾向長度都較大，采動覆巖破壞在傾向方向上已經(jīng)達到覆巖破壞充分采動，從而采動覆巖破壞在走向上也越容易達到覆巖破壞充分采動。

3.3 不同推進速度對“兩帶”高度的影響

沙吉海煤礦B1003W01工作面開采速度約為5 m/d，上述模型校核為每15萬步開挖15 m，近似的，模擬開采速度為7.5，10，12.5，15 m/d時分別每12.5，10，7.5與5萬步開挖15 m。

圖5 不同采厚對應(yīng)的軟弱覆巖“兩帶”最大高度與推進距離 Fig. 5 Maximum height of "two-zone" and advancing distance corresponding to different mining heights

圖6 不同傾向長度對應(yīng)的軟弱覆巖“兩帶”最大高度與推進距離 Fig. 6 Maximum height of "two-zone" and advancing distance corresponding to different dip lengthes

圖7 不同開采速度對應(yīng)的軟弱覆巖“兩帶”最大高度與推進距離 Fig. 7 Maximum height of "two-zone" and advancing distance corresponding to different advanced rates

分析上述不同開采速度對覆巖“兩帶”最大高度的影響，其中采動覆巖巖層垂直位移云圖( 每張圖左半部分 )和節(jié)理法向位移( 每張圖右半部分 )如圖7所示。

由圖7可知，當推進速度分別為15，12.5，10，7.5，5 m/d時，覆巖“兩帶”最大高度都為89 m。從圖6中覆巖垂直位移云圖可知，隨著工作面推進速度的增加，上覆巖層垮落更加劇烈( 位移云圖顏色逐漸變深 )，但覆巖“兩帶”最大高度與高強度開采工作面的推進速度沒有明顯相關(guān)關(guān)系；另外，達到覆巖“兩帶”最大高度時所需要的工作面推進距離與推進速度成反比。

根據(jù)上述模擬結(jié)果可知：沙吉海煤礦高強度開采軟弱覆巖工作面的“兩帶”最大高度隨采厚的增加而增加，但與工作面的傾向長度、推進速度沒有明顯關(guān)系。就該結(jié)論進行討論分析：現(xiàn)場采煤工作面屬于三維空間結(jié)構(gòu)，由采厚、傾向長度與走向長度組成。前人在研究中已經(jīng)通過各種手段充分驗證了覆巖巖性、采厚對“兩帶”高度影響顯 著[4,12-13]。但關(guān)于工作面尺寸對“兩帶”高度的研究較少，部分研究已經(jīng)得出[18]：隨著工作面走向長度的增加( 從開切眼到推進距離最大2 000 m左右 )，“兩帶”高度成“臺階”形狀增加，并最終達到最大值。

同理，“兩帶”高度隨著傳統(tǒng)開采工作面傾向長度( 50～150 m )增加，“兩帶”高度也會增加[18]。但就高強度開采工作面而言，傾向長度( 大于200 m )較傳統(tǒng)工作面已經(jīng)增加，在高強度開采工作面傾向長度已經(jīng)達到200 m甚至更長的情況下，在傾向方向已經(jīng)達到覆巖破壞充分采動[19]，因此，高強度開采軟弱覆巖工作面的傾向長度對“兩帶”高度沒有明顯影響。當多個高強度開采軟弱覆巖工作面相繼開采時，盡管傾向長度在累計增加，但對“兩帶”高度影響不明顯，這與各個工作面之間的煤柱也有一定的關(guān)系。筆者研究的首采工作面傾向長度已經(jīng)足夠大( 210 m )，在傾向方向上“兩帶”高度已經(jīng)發(fā)育到最大值。同理，根據(jù)上述研究結(jié)果，高強度開采軟弱覆巖工作面的推進速度已經(jīng)足夠快，對“兩帶”最大高度的影響也不明顯。

4 結(jié) 論

( 1 ) 以沙吉海煤礦某高強度開采軟弱覆巖工作面為原型，建立了三維離散元數(shù)值模型，該模型考慮了最大、最小水平主應(yīng)力及其與工作面推進方向夾角，并基于現(xiàn)場鉆孔實測數(shù)據(jù)對數(shù)值模型參數(shù)的選取進行了合理性校核。

( 2 ) 分析了不同工作面采厚、走向長度、傾向長度、開采速度對高強度開采軟弱覆巖“兩帶”最大高度的影響，高強度開采軟弱覆巖“兩帶”最大高度隨采厚增加而增加，但與高強度開采工作面的傾向長度、推進速度沒有明顯關(guān)系。

( 3 ) 高強度開采軟弱覆巖工作面達到其“兩帶”最大高度時所需的工作面推進距離與采厚呈正相關(guān)關(guān)系，與傾向長度、推進速度呈負相關(guān)關(guān)系。