厚煤層一次采全高導水裂縫帶發育高度研究

聶偉濤

(西山煤電(集團)有限責任公司 義城煤業，山西　太原　030053)

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厚煤層一次采全高導水裂縫帶發育高度研究

聶偉濤

(西山煤電(集團)有限責任公司 義城煤業，山西太原030053)

摘要為了頂板水的防治、采掘工程布置以及防水煤柱留設，需要確定煤層頂板導水裂縫帶高度。以斜溝煤礦8#煤層為例，應用數值模擬的方法對厚煤層綜采一次采全高頂板導水裂縫帶發育高度進行了研究。結果表明，數值模擬結果與現場鉆探壓水試驗實測得到的導水裂縫帶發育高度基本一致。綜合確定導水裂隙帶高度74.8 m，其中冒落帶高度為32 m，裂隙帶發育高度42.8 m. 由此可見，《煤礦防治水規定》中關于導水裂縫帶計算的經驗公式不適用于斜溝礦，基于實測、模擬結果以及參考全國其他類似礦井實測結果，運用回歸分析原理，建立了斜溝煤礦厚煤層綜采一次采全高工作面頂板導水裂縫帶發育高度計算公式。

關鍵詞斜溝礦；厚煤層；一次采全高；導水裂縫帶；數值模擬

針對厚煤層一次采全高、快速推進工作面已進行了大量導水裂隙帶高度實測及部分理論研究，但是對導水裂隙帶高度的預測方法和理論及不同煤體力學狀態、覆巖巖性及巖性結構關系的理論研究比較少見，而這方面的研究無論是對于特殊開采的理論，還是對確定導水裂隙帶現場探測方案、獲取覆巖破壞準確參數及指導煤礦安全生產都具有重要意義[1]。本文應用數值模擬的方法對厚煤層綜采一次采全高頂板導水裂縫帶進行了研究，同時與現場鉆探壓水試驗取得的導水裂縫帶高度實測值進行比較，歸納總結了計算厚煤層綜采一次采全高工作面頂板導水裂縫帶發育高度的經驗公式，該計算公式對我國厚煤層綜采一次采全高煤礦頂板導水裂縫帶高度的預計具有指導與借鑒意義。

1計算機模型的建立

1.1工作面概況

山西河東煤田斜溝煤礦是山西焦煤西山煤電集公司千萬噸級特大型礦井，18102工作面位于斜溝煤礦11采區輔助運輸上山南側，最大傾斜長度292m，煤層傾角9°～11°，平均厚5.8m，煤層結構復雜，含1～4層泥巖、炭質泥巖夾矸，夾矸厚度不穩定，局部尖滅。工作面頂底板巖性主要為砂質泥巖、粗砂巖，地表大部分為黃土覆蓋，地形為中低山區，蓋山厚度233～463m.

1.2幾何模型建立與力學參數選擇

依據工作面實際情況，建立的數值模型的煤層傾角為11°；模型走向長度為400m，傾斜長度292m，高度248m. 18102工作面數值模型圖見圖1.

18102工作面8#煤頂板巖層主要由泥巖和粗粒砂巖組成，底板主要由砂質泥巖和細粒砂巖組成，計算用巖石力學參數見表1.

1.3模型選擇

采用FLAC3D模擬軟件，研究區巖層主要是以粗砂巖、砂質頁巖等為主，總體上為彈塑性材料，所以計算時采用了摩爾-庫侖(Mohr-Coulomb)屈服準則[2-4]。

依據試驗區所取巖石樣品的力學試驗，在圍壓條件不同時，巖石表現出明顯的彈塑性變形特征，若巖樣被破壞，則表現出應變軟化特征，即：隨著變形的持續發展，殘余強度逐漸降低，最終降到峰值強度的20%左右。因此，本次采用非線性應變軟化模型，巖石的破壞形式包括塑性破壞(莫爾-庫侖屈服準則)、拉破壞和應變軟化。

a) 平面圖　　　　　b) 側面圖　　　　　　　　c) 立體圖

2數值模擬結果

2.1塑性破壞區分析

距離模型左邊界80 m處開切眼，每次推進20 m，每2 000 step為一個計算周期。工作面繼續向前推進，推進最大距離在走向方向上為140 m，工作面周邊圍巖隨著其開采發生塑性破壞，隨著工作面持續推進，破壞區域不斷變大。模擬計算的塑性破壞區云圖見圖2.

當工作面推進200 m時，頂板破壞高度達到約75 m；工作面繼續推進，沿走向方向上圍巖塑性破壞區繼續擴大，而垂直破壞高度則逐漸趨于穩定，塑性破壞區宏觀表現為馬鞍形狀，可分為剪破壞和拉破壞，其中馬鞍兩邊突出部分主要發生一系列剪破壞；中間部位則產生一定高度拉破壞。從應力云圖解析可知，拉應力區產生比較明顯的拉破壞，實際為頂板冒落帶。在垂向上，塑性破壞區域總體高度約為75 m，包括頂板冒落帶高度32 m，裂隙帶高度43 m. 經過充分計算，覆巖破壞可以貫通至地表，呈現“盆地”狀破壞，與實際問題相一致，拉應力破壞區的范圍有所增大，但是高度沒有明顯變化。

2.2圍巖應力分析

隨著工作面推進，模擬計算的工作面周邊圍巖應力云圖見圖3.

a) 工作面推進80 m塑性破壞區云圖

b) 工作面推進140 m塑性破壞區云圖

c) 工作面推進200 m塑性破壞區云圖

d) 采后模型進一步計算云圖

a) 工作面推進140 m圍巖應力云圖

b) 工作面推進200 m圍巖應力云圖

通過模擬計算顯示，采空區上部的拉應力區巖層內是拉張破壞區集中區域，該區域上部以單向或雙向拉張裂隙發育為特征，受工作向前推進影響，單向受拉區的范圍會隨之向前移動，原來主要表現為壓縮的部位，這時出現拉伸，產生單向裂隙。對于塑性變形區而言，其發育部位在支承壓力區和張裂隙區之上，主要位于下沉盆地中間區域的軟弱巖層中。采、冒高度的確定主要是依據拉張破壞區及拉張裂隙區上界。模擬計算中，當工作面推進20 m時，頂板上方呈現明顯的拉應力區；當工作面推進60 m時，直接頂附近的拉應力區由于直接頂垮落而消失。隨著工作面的持續性推進，拉應力區會向上方發展，同時出現變大趨勢；拉應力區的變化特點是高度變大，但下部原本呈現拉應力區的區域轉換為壓應力區。說明隨著開采的進行，冒落帶跨落后又逐漸被壓實，裂隙帶漸漸發育。拉應力最大高度為75 m左右，裂隙帶的高度最大處發育于此。裂隙帶的形成除去馬鞍型兩端為剪切破壞外，中間區域應該為拉破壞。

拉應力區范圍變大，然后又漸漸變為壓應力區，體現了采空區上方巖層由受拉狀態轉換為受壓狀態的過程。在模型頂部施加的垂直應力為8.7 MPa，而應力云圖中的壓應力小于該數值，可能由于該處圍巖存在裂隙原因；小于2.5 MPa壓應力的范圍成為裂隙生成區，該區域的最大高度達75 m.

2.3圍巖位移變化

隨著工作面開采，工作頂底板及周邊圍巖的位移場分布情況見圖4. 隨著巖體應力持續的轉移與傳遞，覆巖通過移動方式不斷釋放能量，周圍巖體集中涌向采空區是工作面開采后圍巖位移的主要形式，頂板向下移動主要由自重引起，煤層采空卸荷作用以及水平應力則導致工作面側壁與底板移動。隨著工作面推進，覆巖的位移情況也隨之變化，由于經歷較長的巖體變形時間，初采位置位移量大；而向工作面推進方向，位移量逐漸減小，最大位移發生在采空區頂板內，向上逐漸減小，最終可與地表溝通。需要注意的是，隨著工作面持續推進，地表也將出現較大沉降和位移。

a) 工作面推進80 m圍巖位移云圖

b) 工作面推進200 m圍巖位移云圖

3導水裂縫帶現場實測與模擬結果分析

3.1工作面導水裂縫帶現場實測

為了更客觀地研究斜溝煤礦的頂板破壞情況，在18102工作面設計一個頂板壓水觀測孔，設計鉆孔仰角41°，試驗數據見表2.

由表2數據可知：當試驗水壓為1 MPa時，隨著鉆孔深度的增加壓水流量逐漸增加；當鉆進深度至114 m時，壓水流量相對減小至0.71 m3/h；當鉆孔深度為115 m時，壓水流量驟減到0.07 m3/h. 表明在該位置時，鉆孔圍巖中的導水裂隙急劇減小，從而說明該鉆孔已超過頂板導水裂縫帶的發育深度，從而判斷該處頂板裂縫帶發育的最大高度為74.8 m.

表2　18102頂板壓水觀測鉆孔漏失量記錄表

3.2導水裂縫帶發育高度的綜合分析

在工作面回采推進過程中，工作面前后方煤壁始終發生應力集中現象，普遍表現為工作面前方巖體中的應力值大于工作面后方巖體中的應力值。頂板覆巖破壞區的范圍與開采工作面推進距離有一定的對應關系，隨著工作面推進距離的增加，頂板覆巖破壞區范圍逐漸增大，但當工作面推進至一定距離，煤層頂底板覆巖破壞高度趨于穩定。數值模擬結果顯示，18102工作面推進至140 m時，8#煤頂板覆巖破壞高度達到最大值約75 m，工作面繼續向前推進，覆巖破壞高度變化不大。將FLAC數值模擬結果與壓水試驗實測比較，可知數值模擬確定的高度與實測值基本一致，反映了這一結果的可靠性。綜上所述，根據壓水試驗結合數值模擬結果，確定18102工作面冒落帶高度32 m，導水裂隙帶高度74.8 m，這一數值對斜溝礦8#煤層導水裂縫帶的預計具有較普遍的意義。

4建立厚煤層一次采全高條件下“三帶”計算公式

據國內公開發表論文查詢，利用鉆孔實測、數值模擬結果以及搜集的全國近20個礦區不同地質和不同采礦條件下若干個綜放工作面的“兩帶”高度值[5-7]，按照覆巖巖性為中硬和軟弱兩種情況分別進行歸類整理，分析認為導水裂縫帶高度倒數與采厚倒數相關性較好，經擬合得出中硬覆巖條件下，導水裂縫帶高度倒數與采厚倒數的單一因素相關關系(圖5).

圖5　采厚倒數與導水裂縫帶高度倒數的線性圖

根據斜溝煤礦18102工作面的導水裂縫帶高度實測結果，結合相關研究資料，經擬合得出適用于中硬覆巖條件下一次采全高工作面導水裂隙帶高度計算公式為：

式中：

Hli─垮落帶高度，m；

M─采厚，m.

5結論

1) 建立了斜溝煤礦18102工作面的數值計算模型，利用FLAC3D軟件對工作面回采后巖層變形破壞規律及導水裂縫帶發育高度進行模擬分析，得出導水裂隙帶高度75 m.

2) 數值模擬得出的結果與現場壓水試驗結果74.8 m基本一致；反映了數值模擬結果正確可靠。綜合確定18102工作面導水裂隙帶高度為74.8 m.

3) 建立了適用于斜溝礦中硬覆巖條件下一次采全高工作面導水裂隙帶高度計算公式：該計算公式對我國厚煤層綜采一次采全高煤礦頂板導水裂縫帶發育高度的預測具有一定的指導與借鑒意義。

參考文獻

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[2]馬立強，張東升，繆協興，等.FLAC3D模擬采動巖體滲流規律[J].湖南科技大學學報(自然科學版),2006,21(3):1-5.

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Research on Water Flowing Fractured Zone Development

Height of Full-seam Mining in Thick Coal Seam

NIE Weitao

AbstractIn order to control the roof water,arrange mining engineering and Leave the waterproof coal pillars, the need to determine the height of water flowing fractured zone of coal seam roof. The 8#coal seam in Xiegou Coal Mine as an example, by the method of numerical simulation for thick coal seam fully mechanized full seam mining roof water flowing fractured zone height was studied. The results show that the numerical simulation of water conductive fracture results and in-situ drilling water pressure test are basically consistent with the development of high. Integrated 74.8 m determine the height of water flowing fractured zone, the caving zone height of 32 m, 42.8 M. In height that development zone of crack, provisions of mine water prevention and control on empirical formula of water flowing fractured zone is not suitable for the Xiegou Coal Mine, based on the simulation results and measured, reference in other similar mines results by regression analysis, the principle, established the roof of fully mechanized working face in thick coal seam in Xiegou Coal Mine water flowing fractured zone height formula.

Key wordsXiegou coal mine; Thick coal seam; Full-seam mining; Water flowing fractured zone; Numerical simulation

中圖分類號：[TD741]

文獻標識碼：A

文章編號：1672-0652(2015)04-0022-05