大采深大跨度綜放工作面導(dǎo)水裂隙帶數(shù)值模擬研究

韓 璐 施龍青 魏 凱

（1. 山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590；2. 肥城礦業(yè)集團(tuán)單縣能源有限責(zé)任公司，山東 菏澤 274000）

《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》[1]中給出的公式是我國(guó)煤礦現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員廣泛使用的導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算公式。規(guī)程中給出的導(dǎo)水裂隙帶計(jì)算公式考慮到的因素僅是開采厚度，不夠全面。而且規(guī)程中的公式使用是有采深和采厚條件限制的，即適用于采深不大的薄煤層開采工作面導(dǎo)水裂隙帶高度的計(jì)算，或者厚度不大的煤層分層開采工作面導(dǎo)水裂隙帶高度的計(jì)算[2-3]。目前我國(guó)多數(shù)礦井對(duì)厚煤層采用綜放開采工藝，具有采深大、采厚大、工作面跨度(斜長(zhǎng))大的特點(diǎn)[4-5]。顯然，采用規(guī)程中的公式計(jì)算這種開采條件下工作面導(dǎo)水裂隙帶高度是不合理的。本文以龍固煤礦為背景，采用數(shù)值模擬方法，獲得大采深大跨度綜放工作面頂板導(dǎo)水裂隙帶計(jì)算公式。

1 礦井地質(zhì)概況

龍固煤礦是礦井設(shè)計(jì)能力為6.0 Mt/a的特大型礦井，開拓方式為立井開拓，采用綜采放頂煤采煤法。研究區(qū)內(nèi)地層走向大致呈南北向的單斜構(gòu)造，發(fā)育次一級(jí)寬緩褶曲并伴有少量斷層，局部地段煤系地層中有巖漿侵入，構(gòu)造復(fù)雜程度中等。3煤層的直接充水含水層為頂?shù)装迳皫r裂隙水和太原組三灰?guī)r溶裂隙水，煤層頂?shù)装鍘r性以泥巖和粉砂巖為主，次為中、細(xì)砂巖，其平均厚度為7 m，屬穩(wěn)定～較穩(wěn)定煤層，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。

2 數(shù)值模型建立

2.1 模型參數(shù)的選取

根據(jù)相關(guān)的鉆孔巖石力學(xué)試驗(yàn)資料，及現(xiàn)位巖體與巖石試件的差異，3煤層頂板巖層的力學(xué)參數(shù)如表1。

表1 3煤層頂板巖層力學(xué)參數(shù)表

2.2 數(shù)值模擬模型

通過RFPA數(shù)值模擬軟件，選擇巖石破裂過程滲流應(yīng)力耦合分析系統(tǒng)（Coupling System of Flow & Solid in Rock Failure Process Analysis簡(jiǎn)稱F-RFPA2D），建立巖體滲流-應(yīng)力-損傷耦合模型（FSD Model）。本模型基于以下基本假設(shè)：

① 巖石介質(zhì)中的流體遵循Biot固結(jié)理論；

② 巖石介質(zhì)是帶有殘余強(qiáng)度的彈脆性材料，其加載卸載過程的力學(xué)行為符合彈性損傷理論；

③ 損傷閾值對(duì)單元進(jìn)行損傷判斷采用最大拉伸強(qiáng)度準(zhǔn)則和Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。

模型沿走向長(zhǎng)度為220m，高為160m，共35200個(gè)單元，模型頂部為上層覆巖頂部，底端固定，假設(shè)頂?shù)锥藶楦羲吔?。模型初始狀態(tài)如圖1，模型沿走向自左側(cè)40m開始開挖，每步2m，共分70步。

圖1 模型初始狀態(tài)示意圖

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 模擬結(jié)果

隨著工作面的推進(jìn)，導(dǎo)水裂隙帶高度變化情況及上覆巖層破壞情況，得到模擬結(jié)果（表2）。

3.2 頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律

由表2可得，隨著工作面的推進(jìn)，開采煤層的上覆巖層從運(yùn)動(dòng)發(fā)展至破壞的規(guī)律如下：

（1）在開采初始階段，工作面推進(jìn)2m時(shí)，上覆巖層尚未達(dá)到破壞強(qiáng)度，宏觀破壞并不明顯。

（2）工作面推進(jìn)20m時(shí)，直接頂在重力作用下發(fā)生彎曲，巖層由受壓變?yōu)槭芾?，出現(xiàn)裂隙并產(chǎn)生集約化，導(dǎo)致部分直接頂開始冒落，高度為2m，為初步來壓階段。

（3）工作面推進(jìn)40m時(shí)，頂板開始破碎成大小不一的巖塊向下冒落而充填采空區(qū)，冒落巖層在水平方向上失去其連續(xù)性，頂板冒落高度約為5m。

（4）工作面推進(jìn)80m時(shí)，頂板破壞向上發(fā)展，巖層軟弱夾層破壞明顯，其附近巖層開始出現(xiàn)裂隙、斷裂和離層等現(xiàn)象，導(dǎo)水裂隙帶高度為20m。

（5）工作面推進(jìn)100m時(shí)，3煤上部細(xì)砂巖層破壞嚴(yán)重，上覆巖層中粉砂巖與細(xì)砂巖層出現(xiàn)破壞。裂隙顯著，頂板巖層出現(xiàn)塊狀垮落，導(dǎo)水裂隙帶高度達(dá)到35m。

（6）工作面推進(jìn)160m時(shí)，上覆巖層宏觀破裂顯著。上覆巖層多為軟土，巖層下降高度比較明顯，但破壞還未接近地表巖層。導(dǎo)水裂隙帶高度達(dá)到67m。

（7）工作面推進(jìn)220m時(shí)，煤層達(dá)到充分采動(dòng)。由于巖層下沉，冒裂帶上方巖層出現(xiàn)更大范圍的塌落，此時(shí)導(dǎo)水裂隙帶達(dá)到最大高度105m左右。

表2 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度及上覆巖層破壞程度與推進(jìn)步距關(guān)系表

3.3 頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度與推進(jìn)步距關(guān)系

根據(jù)表2繪制出大采深大跨度綜放條件下工作面導(dǎo)水裂隙帶高度與推進(jìn)步距之間的關(guān)系曲線圖2。

由圖2獲得導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度（h）與推進(jìn)步距（C）之間的經(jīng)驗(yàn)回歸公式：

圖2 大采深大跨度綜放條件下工作面導(dǎo)水裂隙帶高度與推進(jìn)步距關(guān)系圖

4 結(jié)論

（1）在工作面推進(jìn)長(zhǎng)度小于110m時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育較緩慢，基本上和工作面推進(jìn)步距成正比關(guān)系；達(dá)到120m時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育出現(xiàn)一個(gè)明顯的增加階梯，即有突變?cè)黾拥默F(xiàn)象；

（2）當(dāng)工作面推進(jìn)跨度超過180m時(shí)，巖梁斷裂呈現(xiàn)一個(gè)從漸變-突變-漸變-突變的過程，當(dāng)工作面推進(jìn)長(zhǎng)度接近開采工作面斜長(zhǎng)時(shí)，即達(dá)到220m時(shí)，頂板巖梁運(yùn)動(dòng)特別劇烈，巖梁斷裂具有突變性，上覆巖層垮落；

（3）在大采深大跨度綜放條件下，工作面跨度是控制導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的最重要因素，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)展高度與工作面推進(jìn)長(zhǎng)度呈拋物線關(guān)系。