劉莊煤礦東一采區(qū)13-1煤層導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度預(yù)計(jì)與數(shù)值模擬

王敬威,王靜利,吳詩(shī)勇,陳貴祥,張代波,張 壹

（1.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院,安徽 淮南232001; 2.艾亭中心學(xué)校,安徽 阜陽(yáng)236014）

1 引言

經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)煤炭資源需求越來(lái)越大, 無(wú)水體和建筑物影響的煤炭資源愈趨匱乏, 開(kāi)采水體下（包括含水層下）、建筑物下的煤炭資源勢(shì)在必行[1]。以往為保障生產(chǎn)安全, 留設(shè)了大尺寸的防水煤（巖）柱, 使我國(guó)煤炭資源造成極了大浪費(fèi)費(fèi)。目前越來(lái)越多的煤炭科學(xué)者正在研究如何在保障安全的前提下, 盡量提高開(kāi)采上限, 以解決能源浪費(fèi)問(wèn)題。而判斷導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度正是開(kāi)采上線和保水開(kāi)挖工作是否能順利地實(shí)施關(guān)鍵[2]。目前，確定導(dǎo)水裂隙帶高度的方法主要有經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算、相似材料模擬、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試以及數(shù)值模擬等方法[3-5]。 本文將采用拉格朗日差分方法預(yù)測(cè)劉莊礦東一采區(qū)3-1煤層導(dǎo)水裂隙高度，為礦井突水預(yù)測(cè)、制訂礦井水害防治決策和安全開(kāi)采提供重要理論參考。

2 地質(zhì)概況

劉莊煤礦東一采區(qū)位于劉莊井田中部，礦井開(kāi)拓一水平之上。采區(qū)東西長(zhǎng)為864～942米，南北長(zhǎng)為2382～2524米，面積約為2.02平方公里。工作面開(kāi)采13-1煤層，煤層穩(wěn)定小構(gòu)造發(fā)育程度一般，煤層有增厚變薄等現(xiàn)象，受地質(zhì)構(gòu)造及沉積環(huán)境影響，煤層最薄0.2m，最厚達(dá)4.5m。斷面右傾3～5°，煤層剖面傾角11～13°。工作面較簡(jiǎn)單，直接頂、直接底均為泥巖。工作面走向長(zhǎng)1786m，工作面長(zhǎng)度248m，工作面采高3000～4300m。

3 導(dǎo)水裂隙帶高的經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)計(jì)

導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計(jì)是煤礦水體下采煤設(shè)計(jì)和保水采煤的基礎(chǔ)和前提[6]。目前，我國(guó)應(yīng)用最為普遍的導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計(jì)方法為：建筑物"水體"鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程中推薦的統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式，它是在大量實(shí)測(cè)基礎(chǔ)上統(tǒng)計(jì)得到計(jì)算導(dǎo)水裂隙帶高度的經(jīng)驗(yàn)公式，在一定程度上滿足了我國(guó)煤礦水體下采煤設(shè)計(jì)的要求[7-8]。是純數(shù)學(xué)預(yù)計(jì)方法。根據(jù)劉莊礦頂板覆巖類型，計(jì)算開(kāi)采后的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度公式[9-10]3-1。

4 基本模型的確定

4.1 地質(zhì)模型的建立原則

工作面開(kāi)采將引起很大范圍的巖層產(chǎn)生破裂、垮落、移動(dòng)和變形，這個(gè)范圍比開(kāi)采本身的范圍大得多，建立的模型將很大，大量的模擬結(jié)果表明，這樣處理沒(méi)有必要。從對(duì)模擬結(jié)果的要求來(lái)看，模型的建立需要滿足以下條件：

（1）模型數(shù)據(jù)：幾何特征，地質(zhì)構(gòu)造位置，材料特性，初始條件，外部載荷；

（2）模型邊界：模型尺寸大幅度地減小，邊界條件易確定，模型處理簡(jiǎn)便易行，模型范圍給模擬結(jié)果帶來(lái)的誤差較??；

（3）計(jì)算過(guò)程：模型計(jì)算時(shí)間要適當(dāng)，有足夠的監(jiān)測(cè)位置；能保存模型運(yùn)行的中間狀態(tài)。

根據(jù)首采區(qū)13-1煤頂板鉆孔資料及巖土試驗(yàn)報(bào)告建立了三維數(shù)值模型，其特點(diǎn)如下：開(kāi)采方向沿煤層走向開(kāi)采，計(jì)算模型的走向長(zhǎng)為270m，傾向?qū)抷為210m，煤層厚度取4.5m，13-1煤深度取自本礦-700m水平，角度為11°，模型高為175m。為消除左右邊界的邊界效應(yīng)，將采空區(qū)放置在模型的中間。建立的模型由15120個(gè)塊體，17052個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。采空區(qū)采用零單元模擬。地質(zhì)模型見(jiàn)圖1。

圖1 地質(zhì)模型

4.2 屈服準(zhǔn)則及力學(xué)參數(shù)的確定

計(jì)算采用莫爾-庫(kù)侖(Mohr-coulomb)屈服準(zhǔn)則,其表達(dá)式4-1。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣測(cè)得的部分巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，以及綜合柱狀圖，選取各巖層和煤層的物理力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1：

表1 巖體物理學(xué)學(xué)參數(shù)

4.3 模擬結(jié)果分析

4.3.1 頂板分布動(dòng)應(yīng)力特征

工作面上方巖體應(yīng)力分布具體如圖 2所示。由于受采動(dòng)影響，頂板巖體移動(dòng)變形，致使煤層上部及周圍巖體應(yīng)力重分布，在工作面前方煤體及其上部巖體內(nèi)形成支承壓力區(qū)，而在采空區(qū)上部巖體內(nèi)形成減壓區(qū)，其中最大壓力達(dá)到28MPa以上。采場(chǎng)上方巖層的重量荷載主要由前方的煤體和采空區(qū)后方煤巖體承擔(dān)，起了支承座的作用，即以兩個(gè)拱腳為支點(diǎn)，因而，整體上就在采空區(qū)上方主應(yīng)力分布呈現(xiàn)“拱形”，并出現(xiàn)圖中拉應(yīng)力壓應(yīng)力集中和壓應(yīng)力降低等應(yīng)力傳遞轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象[11]。

圖2 回采后走向剖面垂直應(yīng)力云圖

4.3.2 頂板采動(dòng)位移變化特征

煤層回采過(guò)程中，隨著工作面的推進(jìn)，應(yīng)力分布情況是不斷變化的，充分采動(dòng)區(qū)、支撐區(qū)、最大彎曲區(qū)在受應(yīng)力作用不斷變化基礎(chǔ)上也是變化的。因而頂板巖體在應(yīng)力作用下其位移大小和方向也是不同的。圖3在模擬開(kāi)挖時(shí)對(duì)煤層上方頂板巖體中距煤層某一距離的點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控而得到的位移變化圖。

圖3 工作面推進(jìn)頂板某點(diǎn)巖體移進(jìn)監(jiān)測(cè)圖

由圖3可以看出在開(kāi)挖之初且沒(méi)有開(kāi)采到該點(diǎn)下方的煤層時(shí)，該點(diǎn)受拉應(yīng)力作用上移（坐標(biāo)圖中0.0線以上的值為正值）。隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，當(dāng)開(kāi)挖至該點(diǎn)下方煤層繼而該點(diǎn)下方煤層回采后成為采空區(qū)時(shí)，該點(diǎn)下移的值逐漸增大并隨著垮落的巖體被壓實(shí)而最終停止下移。

4.3.3 覆巖破壞特征

煤層開(kāi)采完畢后，上覆巖層自上而下可以分為5 個(gè)區(qū)，即彈性區(qū)、塑性破壞區(qū)、拉張裂隙區(qū)、拉張破壞區(qū)和局部拉張區(qū)[12]?？蓪r層因應(yīng)力超過(guò)了屈服強(qiáng)度或抗剪強(qiáng)度而開(kāi)始發(fā)生塑性變形或剪切破壞的巖層高度定為裂隙帶的上限，而將巖層雙向拉力都超過(guò)了抗拉強(qiáng)度而開(kāi)始發(fā)生大變形的巖層高度定為裂隙帶的下限[13]。根據(jù)上述采場(chǎng)頂板主應(yīng)力分區(qū)現(xiàn)象，通過(guò)FLAC3D程序模擬計(jì)算，可以方便地確定出當(dāng)工作面推進(jìn)分別為25、50、75和100m時(shí)的冒落帶和導(dǎo)水裂縫帶的高度，具體見(jiàn)圖4和圖5。

圖4 工作面推進(jìn)50m時(shí)走向剖面垂直應(yīng)力云圖

圖5 工作面推進(jìn)50m時(shí) 走向剖面垂直應(yīng)力云圖

從圖4與圖5可方便的看出，工作面推進(jìn)不同時(shí)的冒落帶和裂隙帶高度的不同值。且由模擬結(jié)果可知：工作面推進(jìn)25m時(shí)，頂板破壞最大高度為36.4m。工作面圖3顯示，當(dāng)工作面向前推進(jìn)至50m時(shí)，在開(kāi)采后形成的采空區(qū)上部巖層破壞高度相對(duì)較小，頂板巖層基本上為拉剪混合破壞，頂板破壞高度約為53,2m。當(dāng)工作面推進(jìn)75m時(shí)，頂板巖層破壞最大高度55m。工作面圖4示的是當(dāng)工作面向前推進(jìn)至100m時(shí)，頂板巖層的最大破壞高度度為57m。 可知，當(dāng)工作面推進(jìn)到50m以后，頂板的巖層破壞高度稍增加，且破壞的范圍也在稍增大。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)采動(dòng)過(guò)程頂板巖層位移的監(jiān)測(cè)，頂板巖體位移隨距煤層的距離越大，頂板下移的最終值越小，最終趨于不變。

（2）隨著工作面的推進(jìn)，覆巖遭受破壞高度和范圍都在擴(kuò)大，推進(jìn)至50m時(shí)最大破壞高度達(dá)到53.2m，但當(dāng)工作面推進(jìn)到50m以后，頂板的巖層破壞高度也增加較小，同時(shí)破壞的范圍在擴(kuò)張速度也較緩慢。

（3）通過(guò)對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式得知：預(yù)計(jì)劉莊礦東一采區(qū)導(dǎo)水裂隙帶高度值為36.07～47.27m。用FLAC3D軟件數(shù)值模擬出導(dǎo)水裂隙帶高度最大值約為57m。說(shuō)明經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)煤礦的生產(chǎn)實(shí)踐具體指導(dǎo)意義不強(qiáng)。

（4）研究了工作面長(zhǎng)度、采高對(duì)首采面導(dǎo)水裂隙帶高度的影響，其他因素如采空面積、開(kāi)采時(shí)間、大面積開(kāi)采、埋深、區(qū)段煤柱寬度等的影響規(guī)律，還有待進(jìn)一步研究。

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