大采深大跨度綜放工作面導水裂隙帶數值模擬研究

韓 璐 施龍青 魏 凱

（1. 山東科技大學地球科學與工程學院，山東 青島 266590；2. 肥城礦業集團單縣能源有限責任公司，山東 菏澤 274000）

《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》[1]中給出的公式是我國煤礦現場技術人員廣泛使用的導水裂隙帶高度計算公式。規程中給出的導水裂隙帶計算公式考慮到的因素僅是開采厚度，不夠全面。而且規程中的公式使用是有采深和采厚條件限制的，即適用于采深不大的薄煤層開采工作面導水裂隙帶高度的計算，或者厚度不大的煤層分層開采工作面導水裂隙帶高度的計算[2-3]。目前我國多數礦井對厚煤層采用綜放開采工藝，具有采深大、采厚大、工作面跨度(斜長)大的特點[4-5]。顯然，采用規程中的公式計算這種開采條件下工作面導水裂隙帶高度是不合理的。本文以龍固煤礦為背景，采用數值模擬方法，獲得大采深大跨度綜放工作面頂板導水裂隙帶計算公式。

1 礦井地質概況

龍固煤礦是礦井設計能力為6.0 Mt/a的特大型礦井，開拓方式為立井開拓，采用綜采放頂煤采煤法。研究區內地層走向大致呈南北向的單斜構造，發育次一級寬緩褶曲并伴有少量斷層，局部地段煤系地層中有巖漿侵入，構造復雜程度中等。3煤層的直接充水含水層為頂底板砂巖裂隙水和太原組三灰巖溶裂隙水，煤層頂底板巖性以泥巖和粉砂巖為主，次為中、細砂巖，其平均厚度為7 m，屬穩定～較穩定煤層，結構較簡單。

2 數值模型建立

2.1 模型參數的選取

根據相關的鉆孔巖石力學試驗資料，及現位巖體與巖石試件的差異，3煤層頂板巖層的力學參數如表1。

表1 3煤層頂板巖層力學參數表

2.2 數值模擬模型

通過RFPA數值模擬軟件，選擇巖石破裂過程滲流應力耦合分析系統（Coupling System of Flow & Solid in Rock Failure Process Analysis簡稱F-RFPA2D），建立巖體滲流-應力-損傷耦合模型（FSD Model）。本模型基于以下基本假設：

① 巖石介質中的流體遵循Biot固結理論；

② 巖石介質是帶有殘余強度的彈脆性材料，其加載卸載過程的力學行為符合彈性損傷理論；

③ 損傷閾值對單元進行損傷判斷采用最大拉伸強度準則和Mohr-Coulomb準則。

模型沿走向長度為220m，高為160m，共35200個單元，模型頂部為上層覆巖頂部，底端固定，假設頂底端為隔水邊界。模型初始狀態如圖1，模型沿走向自左側40m開始開挖，每步2m，共分70步。

圖1 模型初始狀態示意圖

3 數值模擬結果分析

3.1 模擬結果

隨著工作面的推進，導水裂隙帶高度變化情況及上覆巖層破壞情況，得到模擬結果（表2）。

3.2 頂板導水裂隙帶發育規律

由表2可得，隨著工作面的推進，開采煤層的上覆巖層從運動發展至破壞的規律如下：

（1）在開采初始階段，工作面推進2m時，上覆巖層尚未達到破壞強度，宏觀破壞并不明顯。

（2）工作面推進20m時，直接頂在重力作用下發生彎曲，巖層由受壓變為受拉，出現裂隙并產生集約化，導致部分直接頂開始冒落，高度為2m，為初步來壓階段。

（3）工作面推進40m時，頂板開始破碎成大小不一的巖塊向下冒落而充填采空區，冒落巖層在水平方向上失去其連續性，頂板冒落高度約為5m。

（4）工作面推進80m時，頂板破壞向上發展，巖層軟弱夾層破壞明顯，其附近巖層開始出現裂隙、斷裂和離層等現象，導水裂隙帶高度為20m。

（5）工作面推進100m時，3煤上部細砂巖層破壞嚴重，上覆巖層中粉砂巖與細砂巖層出現破壞。裂隙顯著，頂板巖層出現塊狀垮落，導水裂隙帶高度達到35m。

（6）工作面推進160m時，上覆巖層宏觀破裂顯著。上覆巖層多為軟土，巖層下降高度比較明顯，但破壞還未接近地表巖層。導水裂隙帶高度達到67m。

（7）工作面推進220m時，煤層達到充分采動。由于巖層下沉，冒裂帶上方巖層出現更大范圍的塌落，此時導水裂隙帶達到最大高度105m左右。

表2 導水裂隙帶發育高度及上覆巖層破壞程度與推進步距關系表

3.3 頂板導水裂隙帶發育高度與推進步距關系

根據表2繪制出大采深大跨度綜放條件下工作面導水裂隙帶高度與推進步距之間的關系曲線圖2。

由圖2獲得導水裂隙帶發育高度（h）與推進步距（C）之間的經驗回歸公式：

圖2 大采深大跨度綜放條件下工作面導水裂隙帶高度與推進步距關系圖

4 結論

（1）在工作面推進長度小于110m時，導水裂隙帶發育較緩慢，基本上和工作面推進步距成正比關系；達到120m時，導水裂隙帶發育出現一個明顯的增加階梯，即有突變增加的現象；

（2）當工作面推進跨度超過180m時，巖梁斷裂呈現一個從漸變-突變-漸變-突變的過程，當工作面推進長度接近開采工作面斜長時，即達到220m時，頂板巖梁運動特別劇烈，巖梁斷裂具有突變性，上覆巖層垮落；

（3）在大采深大跨度綜放條件下，工作面跨度是控制導水裂隙帶發育高度的最重要因素，導水裂隙帶發展高度與工作面推進長度呈拋物線關系。