海灣煤礦“兩帶”發(fā)育高度數(shù)值模擬計(jì)算

摘 要：【目的】研究海灣煤礦42211工作面頂板垮落帶及導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育規(guī)律，探查其對(duì)工作面回采的影響范圍。【方法】在經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)計(jì)算的基礎(chǔ)上，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，模擬不同推進(jìn)距離下垂直應(yīng)力分布和拉應(yīng)力場(chǎng)分布下的覆巖“兩帶”高度變化規(guī)律。【結(jié)果】通過FLAC3D數(shù)值模擬得出42211工作面的“兩帶”發(fā)育高度。【結(jié)論】數(shù)值模擬結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果接近，研究成果可以為此類工作面實(shí)測(cè)“兩帶”發(fā)育高度提供參考。

關(guān)鍵詞：頂板；FLAC3D；“兩帶”發(fā)育高度；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TD327.2" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " "文章編號(hào)：1003-5168（2024）09-0039-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.09.008

Numerical Simulation Calculation of \"Two Zones\" Development Height in Haiwan Coal Mine

WANG Tao1 BAI Yunpeng1 LI Bin2

（1.Shenfu Econo Mic Development Zone Haiwan Coal Mine Co.， Ltd.， Shenmu 719300，China;

2.CCTEG Chongqing Research Institute，Chongqing 400039，China）

Abstract： [Purposes] The development law of roof caving zone and water flowing fractured zone in 42211 working face of Haiwan Coal Mine is studied， and its influence range on working face mining is explored.[Methods] Based on the derivation and calculation of empirical formula， FLAC3D numerical simulation software was used to simulate the height variation of \"two zones\" of overlying strata under vertical stress distribution and tensile stress field distribution at different advancing distances.[Findings] Through FLAC3D numerical simulation， the development height of \"two zones\" in 42211 working face was obtained.[Conclusions] The results of numerical simulation are close to those of empirical formula， which can provide reference and research methods for the measured development height of ' two zones ' in this kind of working face.

Keywords： roof; FLAC3D; developmental height of \"two zones\"; numerical simulation

0 引言

海灣煤礦采用走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化采煤法開采4-2煤層，頂板管理方式為全部垮落法，上覆采空區(qū)至地表覆巖破壞范圍逐漸擴(kuò)大，破壞程度逐漸減弱，自下而上分別為垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶［1-2］。垮落帶和裂隙帶可以一起統(tǒng)稱為冒裂帶或?qū)严稁В@部分的高度是指其最高點(diǎn)到回采上邊界的垂直距離。導(dǎo)水裂隙帶因?yàn)榫植科茐膶?dǎo)致地下巖體內(nèi)的水、瓦斯和泥沙涌入井下采空區(qū)和巷道，會(huì)導(dǎo)致涌水、突泥、瓦斯積聚等災(zāi)害，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)造成一定影響［3-5］，因此有必要對(duì)“兩帶”發(fā)育高度進(jìn)行計(jì)算研究，從而指導(dǎo)生產(chǎn)。

目前“兩帶”高度測(cè)算廣泛使用的方法有經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)測(cè)算［6］、軟件數(shù)值模擬計(jì)算［7-8］、儀器井下現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)［9-12］等。相較于井下現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)，數(shù)值模擬效率更高，所取得的數(shù)據(jù)可以為井下實(shí)測(cè)工作提供參考。

1 工程背景

海灣煤礦42211綜采工作面為正在開采的工作面，位于4-2煤輔助運(yùn)輸巷以東，工作面呈東西方向布置，其北部為42213工作面，南部為42209綜采工作面，東部切眼位置靠近大灣煤礦井田邊界保安煤柱，西部為4-2煤三條主要巷道。工作面采用單一走向長(zhǎng)壁采煤法開采，工藝方式為綜合機(jī)械化一次采全高采煤，頂板管理方法為全部垮落法。根據(jù)煤礦前期的地質(zhì)勘探信息，4-2煤層賦存條件簡(jiǎn)單，頂板以細(xì)粒砂巖為主，夾有薄層狀粉砂質(zhì)泥巖層，屬于中等堅(jiān)硬頂板，底板以粉砂巖為主。

2 “兩帶”發(fā)育高度經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算

42211工作面采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中給出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算“兩帶”發(fā)育高度［13］，具體見式（1）和式（2）。

[Hm=100M4.7M+19±2.2]" " " （1）

[HIi=100M1.6M+3.6±5.6]" " " （2）

42211工作面采高實(shí)測(cè)為2.05 m，取中等堅(jiān)硬頂板的經(jīng)驗(yàn)公式（1）和公式（2）計(jì)算可得，回采后形成的垮落帶高度為4.96～9.36 m，導(dǎo)水裂隙帶高度為24.2～35.4 m。

3 FLAC3D數(shù)值模擬

3.1 模型建立

FLAC3D數(shù)值模擬方法在現(xiàn)代巖土工程科學(xué)研究領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用［14］。該方法首先模擬實(shí)際研究對(duì)象的物理力學(xué)性質(zhì)和邊界條件建立一組模型，然后計(jì)算該模型破壞過程，或者預(yù)測(cè)破壞趨勢(shì)，從而反映實(shí)際研究對(duì)象的特征。海灣煤礦42211工作面利用FLAC3D有限差分程序，對(duì)開采造成的覆巖破壞規(guī)律進(jìn)行分析，確定導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度。

海灣煤礦42211工作面平均埋深為130 m，開采高度實(shí)測(cè)2.05 m。頂板以細(xì)粒砂巖為主，夾有薄層狀粉砂質(zhì)泥巖層，底板為粉砂巖。通過分析工作面地質(zhì)勘探資料、煤層賦存條件和頂?shù)装邈@孔勘察信息，數(shù)值模擬計(jì)算的模型使用FLAC3D有限差分軟件建立，設(shè)定X方向?yàn)楣ぷ髅嫱七M(jìn)方向，Y方向?yàn)楣ぷ髅骈L(zhǎng)度，Z方向?yàn)槁裆睿疵簩淤x存情況與巖層結(jié)構(gòu)等實(shí)際地質(zhì)條件建立一個(gè)長(zhǎng)×寬×高為160 m×128 m×70.85 m的模型，共構(gòu)建了600 000個(gè)單元，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)1 231 200個(gè)。在Z方向（即工作面上方）模擬構(gòu)建的巖層厚度為64.8 m，其他巖層（65.2 m）產(chǎn)生的重力采用垂向載荷的形式在模型上邊界進(jìn)行添加，設(shè)定此處添加的載荷為1.63 MPa。數(shù)值模擬構(gòu)建的計(jì)算模型如圖1所示。

本研究在構(gòu)建的模型底板邊界施加垂直（Z方向）位移約束條件，同時(shí)在頂板邊界施加均布垂向載荷，然后在X方向施加一組水平位移方向的約束條件，用來約束邊界水平方向的位移，Y方向同理施加約束條件，整個(gè)的模型破壞準(zhǔn)則選擇Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

模擬42211工作面在開采過程中的覆巖變形破壞規(guī)律，計(jì)算上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度并通過計(jì)算來分析采場(chǎng)圍巖破壞的原因。為了評(píng)估42211工作面的安全開采情況，對(duì)建立的模型分別進(jìn)行垂直應(yīng)力場(chǎng)和拉應(yīng)力場(chǎng)情況分析。

3.2.1 垂直應(yīng)力場(chǎng)分析。不同推進(jìn)距離垂直應(yīng)力分布如圖2所示。由圖2可知，當(dāng)工作面推進(jìn)不同距離時(shí)，其垂直應(yīng)力分布有所不同。隨著工作面推進(jìn)距離的增加，采場(chǎng)覆巖垂直壓力呈現(xiàn)中間低、煤壁兩端高的特點(diǎn)，其原因是工作面在推進(jìn)過程中，工作面中部頂板來壓，以及工作面上、下端頭來壓，工作面上覆巖層穩(wěn)定過程中，采場(chǎng)中部頂板逐漸垮落下沉，應(yīng)力釋放致使頂板垂直應(yīng)力降低，在應(yīng)力重新分布穩(wěn)定過程中，覆巖形成穩(wěn)定的三鉸拱承載結(jié)構(gòu)，煤壁處作為支撐點(diǎn)支撐上覆巖層。綜上所述，煤壁處壓力較高，將形成應(yīng)力集中。在工作面推進(jìn)距離不斷增加的情況下，位于中部頂板的壓力將逐漸減小，隨之導(dǎo)致煤壁處的支承壓力呈增大趨勢(shì)。

3.2.2 拉應(yīng)力場(chǎng)分析。工作面回采完成后，上覆巖層的彎曲下沉?xí)?dǎo)致巖層內(nèi)裂隙形成發(fā)育，最終產(chǎn)生導(dǎo)水裂隙帶，因此通過研究工作面上覆巖層的拉應(yīng)力分布規(guī)律，進(jìn)而可推導(dǎo)該巖層內(nèi)導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度，工作面每推進(jìn)20 m產(chǎn)生的拉應(yīng)力分布范圍如圖3所示。

由圖3可知，隨著工作面距離的不斷推進(jìn)，上覆巖層中所形成拉應(yīng)力區(qū)域逐漸上升擴(kuò)大，這就說明了工作面導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度也是逐漸上升的。這就說明工作面導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度也是逐漸上升擴(kuò)大的。工作面推進(jìn)距離為20 m時(shí)，拉應(yīng)力區(qū)域高度為8.4 m，即表示此刻的導(dǎo)水裂隙帶高度為8.4 m；工作面推進(jìn)距離為40 m時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶（拉應(yīng)力區(qū)域）高度為13.7 m，比在20 m時(shí)的高度增加5.3 m，增加了63.1%；工作面推進(jìn)距離為60 m時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶（拉應(yīng)力區(qū)域）高度為33.8 m，比40 m時(shí)高度增加20.1 m，增加了146.7%；工作面推進(jìn)距離為80 m時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶（拉應(yīng)力區(qū)域）高度為35.7 m，比60 m時(shí)的高度增加1.9 m，增加了5.6%；工作面推進(jìn)距離為100 m時(shí)，高度仍為35.7 m，沒有繼續(xù)增加，說明此時(shí)導(dǎo)水裂隙帶高度達(dá)到極限，不再隨著工作面的推進(jìn)距離增加而上升，亦可以說明42211工作面回采后形成的導(dǎo)水裂隙帶高度為35.7 m。還可以看出，垮落帶的最大高度為9.5 m，與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的最大值接近，在實(shí)際生產(chǎn)過程中工作面“兩帶”發(fā)育高度一般取最大值作為參考依據(jù)，因此數(shù)值模擬結(jié)果可以作為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的參考依據(jù)之一。

4 結(jié)論

① 通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出42211工作面回采后形成的垮落帶高度為4.96～9.36 m，導(dǎo)水裂隙帶高度為24.2～35.4 m。

② 采用FLAC3D數(shù)值模擬方法分析了42211工作面上覆巖層的垂直應(yīng)力場(chǎng)和拉應(yīng)力場(chǎng)，通過研究其變形破壞規(guī)律，間接得到42211工作面的導(dǎo)水裂隙帶高度為35.7 m，垮落帶高度為9.5 m。

③采用FLAC3D數(shù)值模擬得到的工作面導(dǎo)水裂隙帶和垮落帶發(fā)育高度與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的高度接近，可以為實(shí)測(cè)工作面“兩帶”發(fā)育高度提供參考和指導(dǎo)。

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