基于FLAC3D煤層導水裂隙帶高度研究

羅 輝

(河南理工大學 安全科學與工程學院,河南 焦作 454000)

礦井在采掘過程中，煤層工作面覆巖原巖應力平衡會被打破，覆巖會受其影響而被破壞，下沉、垮落，采掘完后工作面垂直上方會形成“三帶”，即垮落帶、裂隙帶和彎曲變形帶。其中，裂隙帶高度的上限稱為導水裂隙帶發育高度。工作面上方形成的導水裂隙帶是礦井煤層防治水、工作面采空區瓦斯治理等多方面設計的研究基礎。為此，許多學者對其進行了研究。許家林等[1]提出了通過覆巖關鍵層位置預測導水裂隙帶發育高度的方法，并且在補連塔和祁東煤礦進行了現場實測。范志杰等[2]以新登煤礦為工程背景，采用了鉆孔漏矢量法和電視成像儀進行了現場實測，并且其結果與物理相似模擬實驗結果相吻合。黃丹等[3]以空隙量守恒理論為研究基礎，提出了裂隙帶發育高度新的預測模型。吳改梅等[4]以FLAC3D為基礎研究了緩傾斜煤層工作面走向和傾向方向上的塑性區變化情況。來興平等[5]采用現場實測、物理相似模擬研究及數值模擬的方法綜合研究了厚松散層下三軟煤層工作面上覆巖層導水裂隙帶發育高度，并且采用數學分析的方法得到了導水裂隙帶發育高度經驗公式。尋博輝等[6]以華寧煤礦為背景，運用APSO-LSSVR 模型預測了該煤礦的導水裂隙帶高度，并且將結果與現場實測相比較，誤差較小。馮學文等[7]以恒昇煤礦為現場背景，采用分布式光纖檢測法導水裂隙帶發育高度進行了現場實測，并且進了FLAC3D數值仿真模擬，得到了導水裂隙帶發育高度為58 m.

本文先運用經驗公式計算出裂隙帶發育高度，然后再采用FLAC3D數值模擬工作面推進過程中導水裂隙帶的發育特征，研究結果對其它煤礦有參考作用。

1 理論計算

1.1 工作面概況

某礦15工作面傾向以風巷和機巷的外輪廓線為邊界，走向以停采線和切眼為邊界。機巷設計總工程量為487 m，風巷設計總工程量為489 m，煤層傾角15～25°，平均20°，煤層厚度0～2 m，平均1.2 m，采面西部煤層賦存較東部稍厚，煤層結構屬簡單類型。埋深接近800 m，煤層直接頂為砂質泥巖，厚5 m；基本頂為砂巖，厚19 m；煤層直接底為泥巖，厚5 m；基本底為砂質泥巖、細砂巖，厚9 m.

1.2 經驗公式計算

本工作面的上覆巖層類型為中硬巖層，因此應采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》中的以下公式進行計算：

(1)

(2)

(3)

式中:Hk為跨落帶高度，m；Hl為裂隙帶高度，m； ∑M為累計采厚，m.因此，由公式(1)可得到垮落帶高度為2.67～7.07 m，由公式(2)可得到裂隙帶高度為16.14～27.34 m，由公式(3)可得到裂隙帶高度為31.9 m.綜合公式(2)和(3)預測導水裂隙帶高度在16.14～31.9 m范圍內。

2 數值模擬分析

2.1 建立模型

為了探明導水裂隙帶在工作面推進過程中的發育情況，根據該工作面的基本巖性特征建立了FLAC3D數值模型，如圖1所示。該數值模型長為400 m、寬為300 m、高為170 m，將工作面推進方向設置為x方向，也是工作面走向方向，工作面傾向為y方向，重力方向是z方向(向上為正)。本次模擬采用Mohr-Column模型進行計算。根據各層巖性不同，該模型共分為7個巖層，傾角為20°.模型的前后左右與底部邊界設為固定位移邊界，頂部采用應力約束，該模型距離地表約650 m，頂部邊界施加16.25 MPa的等效載荷，煤層物理學參數見表1.

表1 巖層物理力學參數

圖1 模型結構圖

本次模擬延著工作面走向開挖，以10 m為步距，總共開挖200 m，頂板采用自由垮落的方式。

2.2 結果分析

1) 塑性區模擬結果分析。工作面開采后采空區上覆巖層產生拉伸和剪切破壞，破壞了彈性平衡的原始狀態，使得上覆巖層自上而下形成5個區域，依次是彈性區、塑性破壞區、拉張裂隙區、拉張破壞區和局部拉張區。將巖層應力超過屈服強度或抗剪強度而開始發生塑性變形或剪切破壞的巖層高度形成裂隙帶的上限，而將巖層雙向拉應力都超過了抗拉強度而開始發生大變形的巖層高度確定為裂隙帶的下限[9]。

如圖2所示，工作面推進到40 m時，頂板塑性區高達6.9 m，首次出現“馬鞍形”；當工作面推進到160 m時，拉伸破壞范圍增大，覆巖裂隙發育更明顯，塑性區達到19.4 m；當工作面推進到200 m時，此時頂板塑性區破壞高度向上發展幅度很小, 破壞范圍為20.2 m.綜上，工作面回采后采空區覆巖破壞高度為20.2 m.

圖2 塑性區變化情況

2) 應力場模擬結果分析。與塑性區相對照，工作面覆巖頂板應力云圖拉應力區和壓應力區[10]，裂隙帶是位于彎曲下沉帶和垮落帶之間的，裂隙帶上部表現為來自彎曲下沉帶的壓應力，而在下部表現為來自垮落帶的拉應力。從圖3可以看出，塑性區破壞范圍的拉壓應力隨著工作面的推進在不斷變化。當工作面推進到40 m時，工作面頂板拉應力達到0.5 MPa；當工作面推進到160 m時，頂板拉應力達到1.5MPa；工作面推進到200 m時，頂板拉應力變化范圍較小，達到了1.67 MPa.

圖3 覆巖應力場變化情況

綜上所述，根據對覆巖塑性區和應力場變化情況分析，導水裂隙帶的高度為20.2 m.

3 結 語

1) 根據理論計算公式得到導水裂隙帶高度的范圍是16.14～31.9 m.

2) 運用FLAC3D數值模擬軟件對15工作面上覆巖層導水裂隙帶發育高度進行了擬真模擬，得到其高度為20.2 m，其結果與理論計算結果相符。

3) 根據塑性區分布顯示，工作面推進到160 m時，上覆巖層已被充分擾動，導水裂隙帶發育高度基本保持穩定。