綜采工作面覆巖“兩帶”發育高度數值模擬研究

鄧燕華

(山西陽煤寺家莊煤業有限責任公司，山西 晉中 045300)

采動覆巖中形成的垮落帶、裂隙帶、彎曲帶簡稱為 “上三帶”[1-4]。垮落帶高度的確定是了解“三帶”分布范圍的關鍵[5-7]。裂隙帶和垮落帶一起被稱為導水裂隙帶，導水裂隙帶的確定是進行水體下采煤的關鍵。對覆巖發育高度的研究是解決瓦斯和突水事故的有效途徑[8]。

目前，我國普遍采用綜合機械化的技術開采煤層，而綜采過程中，覆巖運動具有隱秘性，同時是一個動態的、復雜的過程，而數值模擬可以很直觀地觀測到綜采過程中的覆巖變化特征，是深入研究覆巖變化特征的手段之一，對于煤礦安全生產具有重要意義[9-10]。

本文采用數值模擬的方法對綜采工作面回采過程中“兩帶”發育高度進行模擬。

1 工程概況

山西寺家莊煤礦生產能力500萬t/a，主采15號煤層，煤層平均厚度5.67 m，近水平煤層，以15115綜采工作面為試驗面，煤層厚度5.8 m，走向長度為3 761 m，傾向長度為275 m，采用綜合機械化走向長壁后退式一次采全高采煤工藝。

2 數值模擬研究

2.1 模型建立

為了準確掌握回采期間采空區覆巖“兩帶”發育特征，將綜采面回采過程簡化設計成二維模型，模型的厚度相對于寬與高均較小。

2.1.1 單元劃分

根據15115綜采工作面覆巖特性，將巖層分成若干塊體(見圖1)，每一塊體可通過有限元形成變形體，根據試驗目的、計算機載荷、計算精度等原因，將近煤層圍巖劃為密集塊體，遠煤層圍巖劃為稀疏塊體，塊體單元劃分如圖2所示。

圖1 UDEC數值模擬模型

圖2 塊體單元

2.1.2 邊界條件

模型邊界條件如圖3所示。模型前后左右4個側面為單約束邊界,底部為全約束邊界。載荷條件根據模型深度將原巖重力作用于上部。

圖3 模型邊界條件

2.1.3 力學參數

覆巖柱狀巖性特征如表1所示，力學參數如表2所示。

表1 圍巖特性

表2 巖石物理力學參數

2.2 模擬結果及分析

覆巖模擬結果如圖4所示。

2.2.1 覆巖“兩帶”發育規律分析

由圖4可知，工作面推進至40 m時，直接頂開始垮落，垮落高度為6～8 m；推進距離50 m時，垮落帶高度達到15～17 m；推進距離80 m時，隨著采空區中部被壓實，垮落帶高度不再向上發展，此時垮落帶高度達到最大值30.8 m；工作面推進到110 m時，上覆圍巖一定區域出現裂隙；工作面推進到160 m時，裂隙閉合，裂隙帶高度為66.4 m，覆巖不再隨著工作面推進而繼續移動破斷。因此3號煤層垮落帶與裂隙帶發育高度分別為30.8 m和66.4 m。

2.2.2 覆巖位移變化規律

為了細致分析覆巖變形特征，在工作面布置3個位移測量點，位移曲線如圖5所示。

由圖5可知，隨工作面的不斷推進，在采動影響下覆巖的內應力不斷發生變化，圍巖自上而下形成“三帶”，其變化曲線呈不對稱分布。由于覆巖不同部位的各向異性，覆巖的運動是不同步的，隨著工作面的不斷推進，覆巖破壞高度逐漸上升，整個覆巖運動是一個動態的、持續的發展過程。

2.2.3 覆巖應力變化規律

開采過程中,在工作面布置應力測量點，記錄工作面推進50 m、100 m、160 m時，上覆巖層的應力變化特征，并形成圖6所示的應力變化曲線。

圖6 不同推進距離下應力分布曲線圖

由圖6可知，在工作面推進過程中，不同推進距離下，上覆巖層的應力沿工作面傾向先增大后減小，呈現增加—減小—穩定的變化特征，工作面推進50 m、100 m、160 m時，應力峰值分別為10 MPa、9 MPa、8 MPa，并都出現在工作面中部。

2.2.4 覆巖破斷裂隙發生、發展規律分析

對采動過程中覆巖裂隙進行研究，裂隙分布如圖7所示。

圖7 煤巖體裂隙分布

從切眼開口到頂板初次來壓，覆巖由彈性變形過渡到塑性變形，隨著工作面的推進，覆巖破裂失穩直至裂紋出現，裂紋數量隨著工作面的推進而增加。隨著工作面的繼續推進，覆巖不斷垮落，裂隙向高層位發展，當推進到某一距離后，采空區被壓實，裂隙數量迅速減少。

3 結 語

采用UDEC數值模擬軟件對綜采開采過程中覆巖發育特征進行了研究，得出以下結論：

1) 采動后垮落帶發育高度為30.8 m，裂隙帶發育高度為66.4 m。

2) 覆巖的整個運動是一個動態的、連續的發育過程。

3) 應力呈現增加—減小—穩定的變化特征。