綜放面覆巖破裂數(shù)值模擬及高位鉆場參數(shù)優(yōu)化＊

李 鋒 楊戰(zhàn)旗

（河南理工大學安全科學與工程學院，河南省焦作市，454003）

綜放面覆巖破裂數(shù)值模擬及高位鉆場參數(shù)優(yōu)化＊

李 鋒 楊戰(zhàn)旗

（河南理工大學安全科學與工程學院，河南省焦作市，454003）

基于準確劃分煤層上覆巖層“豎三帶”的煤層法向分布范圍，根據(jù)鶴壁九礦長壁綜放工作面開采技術(shù)條件和巖石力學性能等參數(shù)，建立力學模型，運用巖石破裂過程分析軟件RFPA2D，對上覆巖層隨工作面推進時的變形、冒落情況進行了數(shù)值模擬，得到了頂板由變形到破壞的全過程及其破壞的規(guī)律。用經(jīng)驗公式對覆巖裂隙帶高度進行了計算，綜合判定了工作面上覆巖層的裂隙帶高度為23.5～55m，高位鉆場抽采參數(shù)優(yōu)化后，其平均抽采量達到7.36m3／min，較好地解決了采空區(qū)瓦斯涌出問題。

綜放開采 數(shù)值模擬 RFPA2D軟件 高位鉆場

1 引言

煤礦抽放采空區(qū)瓦斯時，高位鉆場是比較常用、有效的瓦斯抽采技術(shù)之一。但是，目前在我國，高位鉆場布置參數(shù)主要依靠經(jīng)驗來確定，其依據(jù)缺乏科學性，容易造成鉆孔的工程量增大并且抽放效果較差。同時，當高瓦斯礦井應用高位鉆場時，現(xiàn)有的抽放方式和參數(shù)布置不能保證有效攔截含瓦斯巖層及鄰近煤層的瓦斯涌入采空區(qū)，很可能導致回風巷和上隅角的瓦斯超限，給安全生產(chǎn)帶來極大隱患。鑒于此，綜合數(shù)值模擬、理論計算、相似材料試驗、經(jīng)驗公式計算和現(xiàn)場打試驗鉆場等方法準確地劃分上覆巖層中冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶及裂隙帶的煤層法向分布范圍，可以為高位鉆場的參數(shù)確定和優(yōu)化提供充分可靠的科學理論依據(jù)。唐春安等運用數(shù)值模擬實驗研究了地下巷道掘進、采動巖體破裂等問題，取得了杰出的成就；馮啟言等建立數(shù)值模型，模擬了采動條件下底板的破斷失穩(wěn)、裂隙擴展和突水過程，與實際結(jié)果相吻合。文中以鶴壁九礦3102工作面為工程背景，運用RFPA2D軟件對開采區(qū)上覆巖層的移動、變形和破壞進行數(shù)值模擬，初步劃分了“豎三帶”的分布范圍，結(jié)合經(jīng)驗公式計算和理論分析，綜合判定裂隙帶的煤層法向分布范圍，為高位鉆場參數(shù)確定和優(yōu)化提供合理依據(jù)，達到了優(yōu)化高位鉆場瓦斯抽采工藝、提高瓦斯抽采效果和保障安全生產(chǎn)的目的。

2 工作面概況

3102工作面所采煤層是二疊系山西組的二1煤層，平均厚度為8m，為鶴壁九礦的主要可采煤層。3102工作面在正常通風情況下，瓦斯?jié)舛纫话阍?.25%～0.43%，絕對涌出量10.1～20.21m3／min，相對涌出量12.41～33.26m3／t，采用綜合機械化放頂煤開采工藝，一次采全高，直接冒落法管理頂板。

3102工作面直接頂板為深灰色砂質(zhì)泥巖，厚度約8.61m，老頂為灰褐色粗粒砂巖（S10），厚1.46m。煤層直接底板為灰黑色泥巖，厚度為8.16m，老底為褐灰色中粒砂巖（S9），厚11.93m。工作面中部及北部處于龍宮向斜軸部與龍宮背斜軸部之間，煤層頂?shù)装迨芷溆绊懢植堪纪共黄?，裂隙較發(fā)育，煤層頂?shù)装孱愋蛯佗蝾悺?/p>

3 數(shù)值模擬上覆巖層變形破裂情況

3.1 RFPA2D數(shù)值模擬方法簡介

RFPA2D系統(tǒng)是由唐春安教授等人基于有限元基本理論，對巖石破裂過程中各種非線性、非均勻性和各向異性等特點進行綜合考慮提出的新的數(shù)值模擬方法，包含應力分析和破壞分析兩大方面的功能。應用有限單元法進行應力分析，根據(jù)修正以后的庫侖（Column）準則，包括拉伸截斷（Tension Cut－off）進行破壞分析，以此來檢查材料中是否有破壞單元。RFPA2D分析系統(tǒng)可研究的問題包括巖石試件加載變形破壞、巖石的聲發(fā)射、地表沉陷、巖層移動、地下工程開挖與支護、巷道的破壞、頂板冒落和底板突水等，也可以模擬地下采動巖體破斷過程中的動態(tài)變化。

3.2 建立數(shù)值分析計算模型

根據(jù)鶴壁九礦3102工作面回采地層綜合柱狀圖，建立模型尺寸為垂直方向上110m，水平方向上240m，整個模型共劃分為26400（110×240）個微觀基元，數(shù)值模擬的模型如圖1所示。模型中3102工作面圍巖的物理力學參數(shù)如表1所示。

圖1 RFPA2D數(shù)值模擬

模型與現(xiàn)場對應情況為：底部距煤層底板20.09m，頂部距煤層頂板72.04m，為體現(xiàn)現(xiàn)場被省略的590m上覆巖層，在頂部增加了一個等效重塊。模型根據(jù)現(xiàn)場實際情況采用分步開挖的方式，每步8m，共開挖13步104m。邊界條件設(shè)定為兩端水平約束，垂直方向自重加載，底端固定。

表1 3102工作面圍巖物理力學參數(shù)表

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

根據(jù)上述模型，模擬計算了分步開挖時直接頂及基本頂?shù)钠茐那闆r。為了方便研究問題，只取結(jié)果中的部分上覆巖層采動破裂數(shù)值模擬圖，如圖2所示。

分析圖2可知，圖2（a）、2（b）和2（c）表示了采空區(qū)上覆巖層直接頂?shù)钠茐倪^程?？梢钥闯?，直接頂內(nèi)部先出現(xiàn)離層裂隙，隨后蔓延到上位巖層，在地應力等各種應力場的綜合作用下，離層裂隙已非常發(fā)育的上覆巖層開始出現(xiàn)豎向和斜向破斷裂隙，隨著裂隙的貫穿，直接頂巖層由于巖性不同開始先后分層垮落，不規(guī)則的堆積在底板。

直接頂巖層的破壞垮落實際上是由于產(chǎn)生的裂隙范圍逐步擴大，由量變到質(zhì)變，宏觀裂隙產(chǎn)生后導致直接頂巖層失去原來的平衡穩(wěn)定性最終不規(guī)則地垮落。由模擬結(jié)果可以得出上覆巖層的冒落帶高度范圍為18～24m，伴隨著直接頂?shù)目迓浜凸ぷ髅娴某掷m(xù)推進，冒落帶上部的巖層裂隙開始由下而上逐步發(fā)育，在圖2（c）中，煤層頂板裂隙帶高度達到36m。

圖2 RFPA2D數(shù)值模擬圖（彈性模量圖和聲發(fā)射圖）

分析圖2（d）、2（e）和2（f）可知，隨著工作面的推進，直接頂上部巖層內(nèi)開始逐漸發(fā)育離層裂隙、斜向和豎向破斷裂隙，隨著采空區(qū)的增大，在老頂達到其極限跨度以前，其上部載荷協(xié)同上位軟巖層緩慢彎曲下沉，同時形成了大量的離層裂隙，在圖2（e）中，裂隙帶高度增大到56m，隨著工作面的回采，采空區(qū)的面積逐步擴大，老頂最終失穩(wěn)垮落，其上位軟巖層也協(xié)同垮落，在采空區(qū)上方形成了一個較大的冒落空間。

從圖2中可以看出，冒落帶高度基本基本保持在18～24m不變，裂隙帶高度最高增加到56m左右開始保持穩(wěn)定，上覆巖層出現(xiàn)明顯的彎曲下沉。至此，煤層頂板“豎三帶”的煤層法向分布范圍模擬結(jié)果為：二1煤層頂板上方0～24m的垮落巖層為冒落帶，24～56m的破裂巖層為裂隙帶，裂隙帶以上為彎曲下沉帶。

4 高位鉆場參數(shù)優(yōu)化及抽采效果考察

高位鉆場鉆孔終孔位置距煤層頂板距離參數(shù)和距回風巷平距參數(shù)是影響高位鉆場抽放采空區(qū)瓦斯效果的關(guān)鍵因素之一，為了達到最佳采空區(qū)瓦斯抽采效果，應使高位鉆場的鉆孔終孔位置分布在冒落帶以上、裂隙帶中部以下的區(qū)域，距回風巷的平距控制在工作面長度的1／3以內(nèi)。

4.1 煤層法向“豎三帶”范圍的綜合判定

根據(jù)經(jīng)驗公式計算冒落帶、裂隙帶的高度范圍。工作面的煤層平均采高為8m，煤層平均傾角為13°，上覆巖層主要為泥巖，砂巖等，其抗壓強度為25～45MPa，上覆巖層性質(zhì)為中硬。冒落帶高度范圍采用公式（1）和公式（2）計算，裂隙帶高度范圍采用公式（3）計算。

式中：Hm——冒落帶高度范圍，m；

M——工作面采高，m。

Hl——裂隙帶高度范圍，m。

根據(jù)公式（1）和（2）計算并綜合分析知，冒落帶高度范圍為0～22.6m，根據(jù)公式（3）計算得裂隙帶最大高度為54.4m，結(jié)合RFPA2D的模擬結(jié)果，上覆巖層“豎三帶”的煤層法向分布范圍可確定為：0～23.5m為冒落帶，23.5～55m為裂隙帶，55m以上為彎曲下沉帶。

4.2 高位鉆場參數(shù)優(yōu)化

綜合考慮高位鉆場的施工難易程度和鉆孔的有效利用長度可知，鉆場位置應布置在冒落帶上部和裂隙帶中下部之間。根據(jù)采場頂板的裂隙發(fā)育規(guī)律和采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律，鉆孔只有在冒落帶上方才能抽采到大量高體積分數(shù)瓦斯，因為如果鉆孔在冒落帶內(nèi)，它會隨著巖層的垮落直接被堵死或只能抽采到含極少量瓦斯的空氣，進而失去作用。隨著工作面的逐步推進，鉆場內(nèi)鉆孔的終孔高度會越來越低，因此可以適當提高鉆孔的初始終孔位置使鉆孔有效利用長度達到最大。

根據(jù)以上分析和煤層法向“豎三帶”范圍的綜合判定，高位鉆場參數(shù)優(yōu)化如下：高位鉆場最佳抽放層位定為距煤層頂板30～45m，初始終孔位置定在距煤層頂板49～53m，與回風巷平距4.5～40 m。

4.3 抽采效果考察

3102工作面高位鉆場在距回采面150m左右時開始布置，鉆場間距90m，孔長為125m，前后鉆場鉆孔交叉搭接長度為35m。每個鉆場布置鉆孔12個，孔徑113mm，采用聚氨酯、水泥砂漿聯(lián)合封孔方式，能確保鉆孔不漏氣和足夠的封孔強度，孔口的水泥砂漿段長度為2m，以里為3m長的聚氨酯封孔段。

以第三鉆場的高位鉆孔為考察對象，根據(jù)現(xiàn)場收集的抽采數(shù)據(jù)，選取部分鉆孔分析其抽采瓦斯純量與高位鉆場鉆孔終孔高度的變化規(guī)律，見圖3。

圖3 瓦斯抽采純量與鉆孔終孔高度的變化曲線

分析圖3變化曲線可知，高位鉆場在鉆孔終孔距離煤層頂板29～46m的范圍內(nèi)都有較好的抽放效果，最高單孔可達到2.5m3／min，與綜合判定的裂隙帶高度相符合。高位鉆場平均瓦斯抽采量為7.36m3／min，工作面、上隅角和回風流中的瓦斯?jié)舛仍诨夭善陂g沒有發(fā)生過超限，既取得了良好的安全效益，又獲得較大的經(jīng)濟效益，很好解決了實際工程問題。

5 結(jié)論

（1）分析了上覆巖層“豎三帶”的分布及瓦斯運移特征，根據(jù)RFPA2D軟件數(shù)值模擬，初步判定了采空區(qū)上覆巖層“豎三帶”的煤層法向分布范圍，其中裂隙帶為距煤層頂板上方24～56m的巖層區(qū)域。

（2）結(jié)合RFPA2D軟件數(shù)值模擬和經(jīng)驗公式計算的結(jié)果，綜合判定了“豎三帶”煤層法向分布范圍，優(yōu)化選擇了煤層頂板上方30～45m為高位鉆場鉆孔最佳抽放層位。

（3）現(xiàn)場應用表明，RFPA2D數(shù)值模擬軟件的模擬結(jié)果符合現(xiàn)場情況，且誤差較小，能夠比較真實的反應現(xiàn)場上覆巖層的移動變形和垮落情況。

（4）根據(jù)現(xiàn)場收集數(shù)據(jù)，高位鉆場參數(shù)優(yōu)化后，在鉆孔終孔距離煤層頂板29～46m的范圍內(nèi)抽放效果較好，高位鉆孔的平均瓦斯抽采量達到7.36m3／min。

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Numerical simulation of overlying strata fracture in fully－mechanized top－coal caving face and parameter optimization of high－level drilling site

Li Feng，Yang Zhanqi

（School of Safety Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo，Henan 454003，China）

Based on the exact dividing of normal distribution range of"vertical three zones"in overlying strata above coal seam，the mechanical model was established according to the mining conditions in fully－mechanized top－coal caving face in Hebi ninth coal mine and the mechanical parameters of rocks，by using the analysis software（RFPA 2D）of rock fracture process.The deformation and falling of overlying strata were simulated as the working face advanced，and the whole process of roof from distortion to damage and its damage laws were obtained.The height of fractured zone in overlying strata was in the range of 23.5to 55mcalculated in the light of empirical formula.After the gas drainage parameter optimization of high－level drilling site，the average flow of drained gas attained 7.36m3／min，solving the gas emission problem in the goaf.

fully－mechanized top－coal caving mining，numerical simulation，RFPA 2D，highlevel drilling site

TD712.6

A

李鋒（1986－），男，安徽淮北人，碩士研究生，主要研究方向為煤礦瓦斯災害與防治。

（責任編輯 梁子榮）