7106 工作面水下綜放開采覆巖破壞規律數值模擬研究

吳培林

（山西潞安環保能源開發股份有限公司王莊煤礦，山西 長治 046000）

我國中西部煤炭開采工作面由于開采厚度大、煤層埋藏淺、采礦地質條件簡單、工作面推進速度快等特點，造成覆巖破壞劇烈，破壞高度大，導水裂隙帶常與地表裂縫貫通等[1]。尤其當導水裂隙帶貫通地下含水層或地表大型水體時，常常發生潰水、潰砂、超限涌水等水害事故，對礦井的安全生產和井下人員生命財產安全產生巨大的威脅。針對煤礦開采引起的導水裂隙帶突水問題，我國學者早在20世紀50 年代就開展了大量的研究和實驗，劉天泉院士[2]總結覆巖破壞規律，將覆巖破壞分為“三帶”即冒落帶、裂隙帶、彎曲帶，提出了“覆巖破壞學說”，錢鳴高院士[3]提出“關鍵層理論”。 隨著鉆探技術和計算機技術的發展，導水裂隙帶的研究也向著多種調查方式相結合的方向發展，主要的調查方式有相似材料模擬、數值模擬、現場實測、類比法等方法[4-5]。

通過對王莊煤礦工程地質條件及巖石力學特征分析，確定工作面覆巖的宏觀力學性質，采用數值模擬綜合分析7106 工作面覆巖破壞規律并預測導水裂隙帶高度，對指導7106 工作面水體下采煤具有重要意義。

1 工程概況及地質條件

王莊煤礦位于山西省長治市以北約 30 km。井田范圍地勢開闊平緩，第四系黃土全覆蓋，地表水系發育，主要分布有絳河和漳澤水庫。其中絳河自西向東橫貫南部井田中部。根據鉆孔資料和區域地質資料顯示，該礦區地層包含第四系、新近系、二疊系上統上石盒子組（P2s）、二疊系上統下石盒子組（P1x）、二疊系下統山西組（P1s）、石炭系上統太原組（C3t）、石炭系中統本溪組（C2b）、奧陶系中統峰峰組（O2f）。

2 工作面概況

7106 工作面北距7105 工作面約340 m，南部為未開采實體煤，工作面東北部區域地表為絳河（圖1）。工作面采深約354～414 m。7106 工作面基本呈北高南低傾向南的單斜構造，基本沿煤層走向自東向西推進，傾角約 6° ～10°。直接頂由灰黑色泥巖、砂質泥巖、細砂巖組成，有時為砂泥巖互層，平均煤厚約 6 m。采用綜采放頂煤一次采全高開采工藝，全部垮落法管理頂板。

圖1 7016 工作面位置關系圖

3 數值模擬分析

3.1 數值模擬建立

為了預測王莊煤礦7106 工作面綜放開采情況導水裂縫帶發育高度，本文以拉格朗日有限差分法FLAC3D有限元程序對7106 工作面3 號煤層開采后覆巖破壞規律進行數值模擬。王莊煤礦7106 工作面三維計算模型尺寸為800 m×400 m×259 m ，x方向為模型走向方向，y 方向為模型傾向方向，z 方向為巖層厚度。

工作面沿x 方向推進，開挖寬度為200 m。整個模型由六面體網格構成，模型的前后左右分別施加了水平方向的約束，模型底部施加了垂直方向的約束，模型頂板施加0.84 MPa 覆蓋層的自重應力。本次計算選用莫爾-庫侖（Mohr-Coulomb）本構模型來描述巖體的強度特征，整個模型由196 000 個單元和207 959 個節點組成。由于該井田的地層較為復雜，實際巖層較多，為了方便計算，將煤層視為水平煤層，并將具體的地層進行簡化，厚度較小、巖石力學性質相似的巖層合為一組，一共分為7 組。為了消除邊界條件對工作面的影響，在工作面的左右兩側各留出100 m 的距離，切眼處位于模型邊界200 m 處。三維模型如圖2。

圖2 王莊煤礦7106 工作面三維模型示意圖

3.2 巖石力學參數選取

模型建立過程中，依據以往地質鉆孔資料以及巖石力學測試結果，從模型底部到地表共分為7 層，從上到下依次為泥巖、中粒砂巖、泥巖細砂巖互層、中細砂巖、泥巖粉砂巖互層、3 號煤層、泥巖砂泥巖互層。巖石力學參數見表1。

表1 巖石力學參數表

3.3 模擬計算方案

王莊煤礦7106 工作面主采煤層3 煤為近水平煤層，厚度約6 m。設計模擬3 煤7106 綜放工作面長度200 m，采厚6 m，沿走向推進總長為200 m。工作面推進初期，每6 m 開挖一次，一共開挖10 次，此后每10 m 開挖一次，直到推進200 m 時，模擬結束。

3.4 圍巖破壞場分析

煤層開挖是打破地下空間應力平衡狀態，并通過應力重分布形成一個新的應力平衡狀態的過程。因此，從開切眼到工作面推進就是一個不斷打破圍巖應力平衡狀態的過程。為了充分了解7106 工作面綜放開采過程中導水裂隙帶發育規律，對3 煤連續回采階段的數值模擬結果進行分析。

（1）工作面回采6 m 時，由于回采范圍較小，導致破壞區范圍也較小，以剪切破壞為主的導水裂隙帶僅延伸到煤層上方20 m 處（圖3）。

圖3 開挖6 m 塑性變形云圖

（2）工作面回采60 m 時，隨著回采范圍不斷地擴大，工作面兩端的集中應力也逐漸增大。根據材料力學原理，采空區上方的巖梁集中應力處為巖梁兩端，當兩端集中應力大于巖梁抗剪強度時，則會發生剪切破壞。從數值模擬的結果來看，塑性破壞區以剪切破壞為主，工作面回采引起的導水裂隙帶最大高度為60 m（圖4）。

圖4 開挖60m 塑性變形云圖

（3）當工作面回采130 m 時，隨著工作面的不斷推進，導水裂隙帶將各個破壞區溝通，塑性破壞區繼續擴大，導水裂隙帶高度達到了120 m，“馬鞍型”的覆巖破壞范圍逐漸明顯（圖5）。

圖5 開挖120 m 塑性區云圖

（4）當工作面開挖190 m 時，覆巖破壞區的范圍進一步擴大，導水裂隙帶高度達到135 m，未延伸至覆蓋層，不具備溝通地表水體的能力（圖6）。

圖6 開挖190 m 塑性區云圖

（5）當工作面開挖200 m 時，覆巖破壞范圍基本不變，導水裂隙帶高度也基本不變。所以可以確定工作面回采到190 m 時，已達到充分采動，導水裂隙帶發育最大高度為135 m，導水裂隙帶沒有溝通地表，地表水體不會對井下工作面回采產生影響（圖7）。

圖7 開挖200 m 塑性區云圖

（6）通過數值模擬分析可知，7106 工作面煤層回采最大裂采比為22.5。

4 綜放導水裂隙帶實測

王莊煤礦北部6206 工作面以往布置了3 個兩帶觀測孔k1、k2、k3，采用地面水文觀測的方法實測導水裂隙帶高度（表2）。

可以看出，3 號煤層綜放開采導水裂隙帶發育最大高度為煤層頂板之上114.87 m，綜放開采裂采比為19.44～20.15。

表2 6206 工作面導水裂隙帶高度觀測成果表

5 結論

（1）運用FLAC3D模擬7106 工作面3 號煤層連續回采，工作面回采到190 m時，已達到充分采動，導水裂隙帶發育最大高度為135 m，導通不到地表，絳河對7106 工作面不會造成威脅。

（2）對周邊開采工作面導水裂隙帶高度進行實測，將實測數據跟模型計算結果進行分析對比可以得出：FLAC3D模擬得出的最大裂采比為22.5，與6206 工作面的實測數據結果基本相符，驗證了數值模擬結果的準確性。