鷹駿三號井田2煤層頂板“兩帶”高度數值模擬研究

孫振洋

（中國煤炭地質總局 水文地質局，河北 邯鄲 056004）

0 引 言

煤層的開采必將引起上覆巖層的移動與破斷，采空區上覆巖層可劃分出3個不同性質的破壞和變形影響帶，由下至上依次分為冒落帶、導水裂隙帶和彎曲帶，通稱“上三帶”[1-3]。從巖層破壞程度來講，冒落帶和導水裂隙帶稱為破壞影響帶，彎曲帶稱為非破壞影響帶。其中破壞影響帶直接溝通上覆含水層或采空區積水。因此，進行覆巖“兩帶”高度的專項勘查，對煤礦防治水意義重大[4]。

目前，國內外學者針對工作面采空區覆巖“兩帶”高度進行了大量研究，主要采用理論分析、經驗公式、數值模擬和現場實測等方法[5]。許家林等提出了一種基于關鍵層位置預計覆巖“兩帶”高度的方法[6-7]；郝長勝運用UDEC數值模擬軟件對煤層群開采覆巖導水裂隙發育規律進行研究[8]；Zhang等以巖層完成性指數、巖層強度與采動影響指數作為影響因素，提出對應的覆巖破壞高度計算公式[9-10]。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。

1 井田概況

鷹駿三號井田位于內蒙古自治區鄂爾多斯市鄂托克前旗境內，井田面積63.80 km2，設計生產能力600萬t/a，服務年限81.4 a。

結合井下采掘現狀及進度規劃，選取11采區11201工作面為2號煤覆巖“兩帶”高度探測研究首個工作區，工作面平均走向長度1 519 m，寬度300 m，面積0.456 km2。2號煤層走向南北，傾向東，傾角5°～11°，平均8°，整體產狀平緩，近似水平。井田內煤層厚度1.27～9.20 m，平均厚度5.84 m，煤層結構簡單，不含夾矸。11201井下四鄰關系位置如圖1所示。

圖1 1 1 201井下四鄰關系位置示意Fig.1 Underground surrounding relationship position of No.11201 face

2 三維數值模擬方案及模型邊界條件

2.1 數值模擬方案

根據11201工作面的實際情況，確定此次三維數值模擬設計開采長度1 500 m，工作面寬度300 m，工作面采用分步開采，每步開采50 m，共完成開挖30步，實際開挖長度1 519 m。

2.2 模型邊界條件和初始參數

整個模型在前后、左右及下部均設定為固定邊界，沒有水平位移，即Sx=0，Sy=0。模型頂部采用自由邊界條件。由于此次模擬的煤層埋深較大，模型不能把煤層上部所有巖層全部呈現。因此，對模型頂部至地表的巖體自重應力利用載荷來代替，即在模型上邊界施加垂直方向的均布荷載P=γh，其中γ為上覆巖體容重，h為模型頂層至地表的距離。垂向上頂部邊界施加上覆巖層重力7.67 MPa。

模型巖性分布與實際地質鉆孔柱狀圖由淺至深一致。初始參數要根據地層的實際屬性進行賦值。巖石物理力學參數見表1。

表1 11201工作面巖石物理力學參數Table 1 Rock physical and mechanical parameters of No.11201 face

3 11201工作面覆巖兩帶高度數值模擬

此次采用FLAC3D數值模擬技術對煤層開采過程中頂板的應力分布、巖體的變形、移動和破壞狀態情況進行分析，得到頂板自由跨落條件下不同開采階段（工作面推進50、100、200、500、1 000、1 500 m時）頂板的應力分布、位移變化及塑性區分布情況。通過對模擬結果的分析，得出在開采過程中工作面頂板導水裂隙帶的發育高度。

3.1 不同推進階段應力分布規律

不同推進階段垂直應力分布如圖2所示。從圖2可以得出，在工作面推進過程中，煤層采空區上部巖層應力發生變化，工作面兩端始終處于應力集中狀態，隨著工作面的推進，采空區卸壓部分不斷擴大。垂直應力場整體變化趨勢使煤層頂板范圍不同深度位置上垂直應力大小不一，隨著埋深的增加應力逐漸變小。

圖2 不同推進階段垂直應力分布云圖Fig.2 Vertical stress distribution nephogram of different propulsion stages

同一開采階段，垂向上遠離煤層采空區上方應力在逐漸增加，影響范圍在逐漸減??；不同開采階段，相同垂向深度上應力影響范圍隨著推進距離的增加在逐漸擴大。應力集中區主要出現在工作面煤壁前方。最大應力出現在推進1 500 m時，工作面前方附近7 m范圍內，應力大小為20.08 MPa。

3.2 不同推進階段頂板位移情況

不同推進階段垂直位移如圖3所示。從圖3中可以看出，隨著工作面向前推進，煤層直接頂板產生下沉、離層及周期性垮落現象，基本頂板產生周期性斷裂，煤層頂板巖層位移（下沉量）會慢慢增加，并在采空區中間位置達到最大值，以采空區的中部為對稱線，巖層位移量向兩側逐漸變小；垂向上距離采空區越近的巖層，受到影響較大，下沉量多，對遠處頂板覆巖的影響較小，但整體位移影響范圍在逐漸擴大。開采推進1 500 m時，頂板巖層出現最大位移，為2.5 m。

圖3 不同推進階段垂直位移云圖Fig.3 Vertical displacement nephogram of different propulsion stages

3.3 不同推進階段頂板破壞規律

不同推進階段頂板塑性破壞如圖4所示。由圖4中可以看出，開采過程中頂板巖層的破壞以剪切破壞為主，靠近采空區上方附近有拉張破壞，其總體的破壞形態為采空區兩頭最大，中間稍小，破壞形態呈馬鞍形。

圖4 不同推進階段頂板塑性破壞圖Fig.4 Roof plastic failure diagram of different propulsion stages

此外，頂板導水裂隙帶發育高度隨著工作面推進在逐漸增加，開采至一定距離后趨于穩定。頂板導水裂隙帶發育規律具體是，工作面推進50 m時，頂板導水裂隙帶高度為22.97 m（破壞至頂板細砂巖1處）左右；工作面推進100 m時，導水裂隙帶高度為32.05 m（破壞至頂板細砂巖1處）；推進200 m時，高度為44.03 m（破壞至頂板粗砂巖處）；推進500 m時，導水裂隙帶高度為71.08m（破壞至頂板砂質泥巖2處），相較于前一階段的開采，采動影響范圍明顯擴大；推進800 m時，導水裂隙帶增加到90.03 m（破壞至頂板粉砂巖1處）；推進1 000 m時，導水裂隙帶增加到123.03 m（破壞至頂板砂質礫巖處）；此后，工作面繼續推進至1 500 m的過程中，頂板導水裂隙帶發育高度無明顯變化。達到123.03 m后，頂板塑變范圍呈不連續，但采動影響范圍明顯擴大。

4 經驗公式計算

2號煤開采方法為一次采全高綜采采煤方法，此次導水裂隙帶經驗公式法采用中國礦業大學（北京）和唐山煤科院分別總結提出的“兩帶”高度計算公式[11-12]。根據煤層頂板覆巖巖性及抗壓強度選擇公式如下，計算覆巖兩帶高度值平均為131.05 m，詳見表2。

表2 2號煤層覆巖兩帶高度一覽Table 2 The two zones height list of the overlying strata of No.2 coal seam

中國礦業大學（北京）“兩帶”高度計算：

冒落帶：

5 結 論

通過采用FLAC3D有限差分數值模擬軟件，對鷹駿三號井田11201工作面開采過程中頂板破壞特征、采動位移與應力場演化過程進行了數值模擬，主要得到以下結論。

（1）隨著工作面逐步推進，采場應力不斷重新分布，經歷“變形—離層—失穩—平衡”的變化過程。開采完畢后，煤層頂板破壞形態為馬鞍形，頂底板塑性破壞整體呈蝴蝶狀。2煤開采過程中，其上覆巖層變形與破壞特征明顯，在垂向上應力、位移分帶性強，可輔助判斷導水裂隙帶發育高度。

（2）分析比較工作面在不同開采階段煤層頂板覆巖的位移規律、應力分布規律和塑性區分布特征，進一步根據塑性區條件、破壞準則、位移和應力判別，確定煤層頂板在開采過程中，導水裂隙帶高度為123.03 m左右，與經驗公式計算結果基本一致。對帶壓開采煤層頂板導水裂隙帶高度的確定具有一定的參考價值。

（3）鑒于該礦區含煤地層為軟巖地層，煤層頂底板工程地質條件復雜，采用FLAC3D數值模擬分析，得出“兩帶”發育高度，有待于現場驗證。

續表