海灣煤礦“兩帶”發育高度數值模擬計算

摘 要：【目的】研究海灣煤礦42211工作面頂板垮落帶及導水裂隙帶的發育規律，探查其對工作面回采的影響范圍。【方法】在經驗公式推導計算的基礎上，運用FLAC3D數值模擬軟件，模擬不同推進距離下垂直應力分布和拉應力場分布下的覆巖“兩帶”高度變化規律。【結果】通過FLAC3D數值模擬得出42211工作面的“兩帶”發育高度。【結論】數值模擬結果和經驗公式的計算結果接近，研究成果可以為此類工作面實測“兩帶”發育高度提供參考。

關鍵詞：頂板；FLAC3D；“兩帶”發育高度；數值模擬

中圖分類號：TD327.2" " 文獻標志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2024）09-0039-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.09.008

Numerical Simulation Calculation of \"Two Zones\" Development Height in Haiwan Coal Mine

WANG Tao1 BAI Yunpeng1 LI Bin2

（1.Shenfu Econo Mic Development Zone Haiwan Coal Mine Co.， Ltd.， Shenmu 719300，China;

2.CCTEG Chongqing Research Institute，Chongqing 400039，China）

Abstract： [Purposes] The development law of roof caving zone and water flowing fractured zone in 42211 working face of Haiwan Coal Mine is studied， and its influence range on working face mining is explored.[Methods] Based on the derivation and calculation of empirical formula， FLAC3D numerical simulation software was used to simulate the height variation of \"two zones\" of overlying strata under vertical stress distribution and tensile stress field distribution at different advancing distances.[Findings] Through FLAC3D numerical simulation， the development height of \"two zones\" in 42211 working face was obtained.[Conclusions] The results of numerical simulation are close to those of empirical formula， which can provide reference and research methods for the measured development height of ' two zones ' in this kind of working face.

Keywords： roof; FLAC3D; developmental height of \"two zones\"; numerical simulation

0 引言

海灣煤礦采用走向長壁綜合機械化采煤法開采4-2煤層，頂板管理方式為全部垮落法，上覆采空區至地表覆巖破壞范圍逐漸擴大，破壞程度逐漸減弱，自下而上分別為垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶［1-2］。垮落帶和裂隙帶可以一起統稱為冒裂帶或導水裂隙帶，而這部分的高度是指其最高點到回采上邊界的垂直距離。導水裂隙帶因為局部破壞導致地下巖體內的水、瓦斯和泥沙涌入井下采空區和巷道，會導致涌水、突泥、瓦斯積聚等災害，對煤礦安全生產造成一定影響［3-5］，因此有必要對“兩帶”發育高度進行計算研究，從而指導生產。

目前“兩帶”高度測算廣泛使用的方法有經驗公式推導測算［6］、軟件數值模擬計算［7-8］、儀器井下現場實測［9-12］等。相較于井下現場實測相關數據，數值模擬效率更高，所取得的數據可以為井下實測工作提供參考。

1 工程背景

海灣煤礦42211綜采工作面為正在開采的工作面，位于4-2煤輔助運輸巷以東，工作面呈東西方向布置，其北部為42213工作面，南部為42209綜采工作面，東部切眼位置靠近大灣煤礦井田邊界保安煤柱，西部為4-2煤三條主要巷道。工作面采用單一走向長壁采煤法開采，工藝方式為綜合機械化一次采全高采煤，頂板管理方法為全部垮落法。根據煤礦前期的地質勘探信息，4-2煤層賦存條件簡單，頂板以細粒砂巖為主，夾有薄層狀粉砂質泥巖層，屬于中等堅硬頂板，底板以粉砂巖為主。

2 “兩帶”發育高度經驗公式計算

42211工作面采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》中給出的經驗公式計算“兩帶”發育高度［13］，具體見式（1）和式（2）。

[Hm=100M4.7M+19±2.2]" " " （1）

[HIi=100M1.6M+3.6±5.6]" " " （2）

42211工作面采高實測為2.05 m，取中等堅硬頂板的經驗公式（1）和公式（2）計算可得，回采后形成的垮落帶高度為4.96～9.36 m，導水裂隙帶高度為24.2～35.4 m。

3 FLAC3D數值模擬

3.1 模型建立

FLAC3D數值模擬方法在現代巖土工程科學研究領域具有非常廣泛的應用［14］。該方法首先模擬實際研究對象的物理力學性質和邊界條件建立一組模型，然后計算該模型破壞過程，或者預測破壞趨勢，從而反映實際研究對象的特征。海灣煤礦42211工作面利用FLAC3D有限差分程序，對開采造成的覆巖破壞規律進行分析，確定導水裂隙帶的發育高度。

海灣煤礦42211工作面平均埋深為130 m，開采高度實測2.05 m。頂板以細粒砂巖為主，夾有薄層狀粉砂質泥巖層，底板為粉砂巖。通過分析工作面地質勘探資料、煤層賦存條件和頂底板鉆孔勘察信息，數值模擬計算的模型使用FLAC3D有限差分軟件建立，設定X方向為工作面推進方向，Y方向為工作面長度，Z方向為埋深，按煤層賦存情況與巖層結構等實際地質條件建立一個長×寬×高為160 m×128 m×70.85 m的模型，共構建了600 000個單元，構建網絡節點1 231 200個。在Z方向（即工作面上方）模擬構建的巖層厚度為64.8 m，其他巖層（65.2 m）產生的重力采用垂向載荷的形式在模型上邊界進行添加，設定此處添加的載荷為1.63 MPa。數值模擬構建的計算模型如圖1所示。

本研究在構建的模型底板邊界施加垂直（Z方向）位移約束條件，同時在頂板邊界施加均布垂向載荷，然后在X方向施加一組水平位移方向的約束條件，用來約束邊界水平方向的位移，Y方向同理施加約束條件，整個的模型破壞準則選擇Mohr-Coulomb準則。

3.2 數值模擬結果分析

模擬42211工作面在開采過程中的覆巖變形破壞規律，計算上覆巖層導水裂隙帶的發育高度并通過計算來分析采場圍巖破壞的原因。為了評估42211工作面的安全開采情況，對建立的模型分別進行垂直應力場和拉應力場情況分析。

3.2.1 垂直應力場分析。不同推進距離垂直應力分布如圖2所示。由圖2可知，當工作面推進不同距離時，其垂直應力分布有所不同。隨著工作面推進距離的增加，采場覆巖垂直壓力呈現中間低、煤壁兩端高的特點，其原因是工作面在推進過程中，工作面中部頂板來壓，以及工作面上、下端頭來壓，工作面上覆巖層穩定過程中，采場中部頂板逐漸垮落下沉，應力釋放致使頂板垂直應力降低，在應力重新分布穩定過程中，覆巖形成穩定的三鉸拱承載結構，煤壁處作為支撐點支撐上覆巖層。綜上所述，煤壁處壓力較高，將形成應力集中。在工作面推進距離不斷增加的情況下，位于中部頂板的壓力將逐漸減小，隨之導致煤壁處的支承壓力呈增大趨勢。

3.2.2 拉應力場分析。工作面回采完成后，上覆巖層的彎曲下沉會導致巖層內裂隙形成發育，最終產生導水裂隙帶，因此通過研究工作面上覆巖層的拉應力分布規律，進而可推導該巖層內導水裂隙帶的發育高度，工作面每推進20 m產生的拉應力分布范圍如圖3所示。

由圖3可知，隨著工作面距離的不斷推進，上覆巖層中所形成拉應力區域逐漸上升擴大，這就說明了工作面導水裂隙帶的發育高度也是逐漸上升的。這就說明工作面導水裂隙帶的發育高度也是逐漸上升擴大的。工作面推進距離為20 m時，拉應力區域高度為8.4 m，即表示此刻的導水裂隙帶高度為8.4 m；工作面推進距離為40 m時，導水裂隙帶（拉應力區域）高度為13.7 m，比在20 m時的高度增加5.3 m，增加了63.1%；工作面推進距離為60 m時，導水裂隙帶（拉應力區域）高度為33.8 m，比40 m時高度增加20.1 m，增加了146.7%；工作面推進距離為80 m時，導水裂隙帶（拉應力區域）高度為35.7 m，比60 m時的高度增加1.9 m，增加了5.6%；工作面推進距離為100 m時，高度仍為35.7 m，沒有繼續增加，說明此時導水裂隙帶高度達到極限，不再隨著工作面的推進距離增加而上升，亦可以說明42211工作面回采后形成的導水裂隙帶高度為35.7 m。還可以看出，垮落帶的最大高度為9.5 m，與經驗公式計算的最大值接近，在實際生產過程中工作面“兩帶”發育高度一般取最大值作為參考依據，因此數值模擬結果可以作為實測數據的參考依據之一。

4 結論

① 通過經驗公式計算得出42211工作面回采后形成的垮落帶高度為4.96～9.36 m，導水裂隙帶高度為24.2～35.4 m。

② 采用FLAC3D數值模擬方法分析了42211工作面上覆巖層的垂直應力場和拉應力場，通過研究其變形破壞規律，間接得到42211工作面的導水裂隙帶高度為35.7 m，垮落帶高度為9.5 m。

③采用FLAC3D數值模擬得到的工作面導水裂隙帶和垮落帶發育高度與經驗公式計算得到的高度接近，可以為實測工作面“兩帶”發育高度提供參考和指導。

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