沙吉海礦高強(qiáng)度開(kāi)采軟弱覆巖“兩帶”高度 三維模擬研究

張剛艷，于秋鴿，趙高博

1. 煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2. 中煤科工開(kāi)采研究院有限公司，北京 100013；3. 河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003 )

煤炭開(kāi)采后擾動(dòng)礦區(qū)原有地層，誘發(fā)巖層運(yùn)動(dòng)從而導(dǎo)致從頂板到高層位巖層都發(fā)生不同程度的破壞[1-3]。而西北礦區(qū)高強(qiáng)度開(kāi)采誘發(fā)的覆巖破壞較一般地質(zhì)采礦條件下更劇烈[4]，其采動(dòng)覆巖“兩帶”高度( 也稱“導(dǎo)水裂縫帶高度” )發(fā)育規(guī)律具有特殊性[5]。

目前，《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)范》( 簡(jiǎn)稱《規(guī)范》 )中給出的綜放開(kāi)采覆巖“兩帶”高度計(jì)算公式應(yīng)用最為普 遍[6]，但通常與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果有較大誤差[7-8]。部分學(xué)者針對(duì)綜放開(kāi)采覆巖“兩帶”高度進(jìn)行了大量的研究。許延春[9]等借用回歸分析方法得到了綜放開(kāi)采覆巖“兩帶”高度與采厚之間的經(jīng)驗(yàn)公式；許家林[10-11]等提出了1種基于關(guān)鍵層位置預(yù)計(jì)覆巖“兩帶”高度的方法；張宏偉[12]等基于關(guān)鍵層理論，提出了1種根據(jù)堅(jiān)硬巖層與軟弱巖層破斷距及其下方自由空間高度計(jì)算裂縫帶高度的方法；郭文兵[13-14]等提出了基于覆巖破壞傳遞的覆巖“兩帶”高度理論計(jì)算方法。上述研究為高強(qiáng)度開(kāi)采覆巖“兩帶”高度的計(jì)算提供了重要理論指導(dǎo)，然而鮮有研究通過(guò)建立高強(qiáng)度開(kāi)采工作面的三維離散元數(shù)值模型，進(jìn)而分析不同開(kāi)采條件下覆巖“兩帶”高度。因此，筆者基于沙吉海煤礦某高強(qiáng)度開(kāi)采軟弱覆巖工作面采礦地質(zhì)條件，基于3DEC離散元數(shù)值模擬軟件，建立并基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)校核了三維數(shù)值模型，該模型考慮了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的最大、最小水平主應(yīng)力及其與工作面推進(jìn)方向夾角，很大程度上較真實(shí)地模擬了現(xiàn)場(chǎng)三維工作面的開(kāi)采情況，較前人從平面角度做的二維相似模擬或二維數(shù)值模擬試驗(yàn)有較大的創(chuàng)新。

本文以沙吉海煤礦B1003W01工作面為工程背景，研究該礦高強(qiáng)度開(kāi)采軟弱覆巖“兩帶”高度。主要研究不同采厚、工作面傾向長(zhǎng)度與推進(jìn)速度對(duì)高強(qiáng)度開(kāi)采軟弱覆巖“兩帶”最大高度的影響，研究成果可對(duì)西北礦區(qū)高強(qiáng)度開(kāi)采軟弱覆巖工作面巖層控制、保水開(kāi)采等方面具有一定的指導(dǎo)意義。

1 高強(qiáng)度開(kāi)采軟弱覆巖工作面概況

沙吉海煤礦位于我國(guó)西北部新疆塔城和什礦區(qū)，B1003W01工作面的開(kāi)采深度平均為280 m，工作面走向長(zhǎng)度為1 930 m，工作面傾向長(zhǎng)度為210 m，工作面開(kāi)采速度約為5 m/d，開(kāi)采煤層屬于近水平煤層，工作面采厚平均為6.5 m，采煤方法為綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采。

另外，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料[16-17]，最大水平主應(yīng)力與工作面推進(jìn)方向的夾角平均為18°；沙吉海煤礦最大水平主應(yīng)力與最小水平應(yīng)力的比值、最大水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值分別為1.85與1.50。該工作面上覆巖層180 m范圍內(nèi)的覆巖柱狀如圖1( b )所示。通過(guò)鉆孔資料分析、覆巖力學(xué)性能測(cè)試方法確定了該工作面覆巖屬于軟弱類型[17]。

圖1 三維數(shù)值模擬模型尺寸及工作面布置 Fig. 1 Size of numerical simulation model and panel layout

2 三維數(shù)值模擬方案及模型校核

2.1 數(shù)值模擬方案

通過(guò)3DEC離散元數(shù)值模擬軟件共設(shè)計(jì)4種數(shù)值模擬方案，分別模擬不同工作面走向長(zhǎng)度、采厚、工作面傾向長(zhǎng)度與不同開(kāi)采速度對(duì)高強(qiáng)度開(kāi)采軟弱覆巖“兩帶”高度的影響，模擬方案見(jiàn)表1，其中模擬的工作面走向長(zhǎng)度為300 m，每隔15 m開(kāi)挖1步，一共開(kāi)挖20步。

表1 沙吉海煤礦數(shù)值模擬方案 Table 1 Schemes of numerical simulation of Shajihai Coal Mine

2.2 數(shù)值模型建立

本文建立的數(shù)值模型將考慮沙吉海煤礦B1003W01高強(qiáng)度開(kāi)采工作面與最大水平主應(yīng)力的夾角( 18° )，開(kāi)挖區(qū)域設(shè)置在模型的中央，并施加了最大水平主應(yīng)力與最小水平應(yīng)力。設(shè)置邊界煤柱的寬度大于100 m，目的是去除數(shù)值模型的邊界效應(yīng)。該工作面開(kāi)采深度為280 m，大于模擬的工作面上覆巖層厚度( 180 m )，因此將在三維數(shù)值模型上方施加100 m巖層的載荷( 2.5 MPa )；另外設(shè)置工作面底板厚度為40 m。

模型邊界條件為：固定數(shù)值模型的底部位移與側(cè)面位移，采用摩爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則。本次數(shù)值模擬模型尺寸及工作面布置如圖1所示。

2.3 數(shù)值模擬模型校核

用于模擬沙吉海煤礦B1003W01高強(qiáng)度開(kāi)采工作面的上覆巖層力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 覆巖各巖層模擬力學(xué)參數(shù) Table 2 Parameters of overburden strata used in 3DEC

根據(jù)上述參數(shù)建立的三維數(shù)值模型，結(jié)合表2的覆巖各巖層及節(jié)理模擬力學(xué)參數(shù)，得到沙吉海煤礦B1003W01高強(qiáng)度開(kāi)采工作面三維數(shù)值模型的初始應(yīng)力，如圖2所示。相關(guān)研究一般從3DEC數(shù)值模擬結(jié)果得到垂直位移云圖，進(jìn)而得到采動(dòng)覆巖“兩帶”高度，但垂直位移不能較好地反映覆巖破壞情況。筆者以垂直位移云圖( 圖3中每張圖的左半部分 )和節(jié)理法向位移( 圖3中每張圖的右半部分 )綜合判斷覆巖巖層裂縫發(fā)育與裂縫貫通情況，進(jìn)而較為準(zhǔn)確地得到覆巖破壞高度。

圖2 初始應(yīng)力sxx，szz，syy Fig. 2 Initial stress of sxx，szz and syy

圖3 沙吉海煤礦B1003W01工作面覆巖垂直位移及法向節(jié)理位移 Fig. 3 Joint normal displacement of overburden failure of No. B1003W01 panel of Shajihai Coal Mine

模擬沙吉海煤礦B1003W01工作面實(shí)際采礦條件下的覆巖“兩帶”高度發(fā)育情況，用于校核上述建立的三維數(shù)值模型。其中，沙吉海煤礦B1003W01工作面部分覆巖“兩帶”高度發(fā)育過(guò)程中的垂直位移云圖和節(jié)理法向位移圖如圖3所示。圖3中節(jié)理法向位移在初始狀態(tài)時(shí)為0，節(jié)理顏色為紅色；隨著工作面推進(jìn)距離增加，節(jié)理法向位移增加，節(jié)理顏色逐步變綠色、藍(lán)色、深藍(lán)色，這意味著覆巖逐步發(fā)育裂縫并發(fā)生破壞，則歸入“兩帶”高度的范圍內(nèi)。當(dāng)節(jié)理顏色又重新逐步變紅時(shí)，代表覆巖裂縫逐步發(fā)生閉合。

由圖3可知，隨著工作面推進(jìn)距離的增加，節(jié)理顏色逐步變綠色、藍(lán)色，說(shuō)明覆巖裂縫發(fā)育，該工作面的覆巖“兩帶”高度增加。當(dāng)工作面推進(jìn)至180 m時(shí)覆巖“兩帶”高度為89 m，隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，節(jié)理顏色逐步變紅，說(shuō)明覆巖離層裂縫趨于閉合，且覆巖“兩帶”高度達(dá)到最大值，沒(méi)有繼續(xù)增加。

文獻(xiàn)[17]在B1003W01工作面地表施工了3個(gè)觀 測(cè) 鉆 孔( CH01 深 度273 m、CH02 深 度292 m 與 CH03深度309 m )，其相對(duì)位置及其觀測(cè)結(jié)果如圖4所示。

1)基于微課的自主學(xué)習(xí)：翻轉(zhuǎn)課堂順利實(shí)施的技術(shù)支持就是微課，特別是在實(shí)踐性較強(qiáng)的計(jì)算機(jī)公共類課程中，把微課作為輔助教學(xué)非常便利，學(xué)生可以不受時(shí)間、地點(diǎn)的限制，多次地通過(guò)觀看微課進(jìn)行知識(shí)的復(fù)習(xí)和強(qiáng)化。在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，根據(jù)不同的課程要求，教師構(gòu)建基于微課的課程自主學(xué)習(xí)平臺(tái)，平臺(tái)主要包括以下功能：

圖4 3個(gè)鉆孔位置及其觀測(cè)結(jié)果 Fig. 4 Three boreholes locations and observation results

通過(guò)各個(gè)鉆孔沖洗液漏失量曲線、鉆孔水位曲線、巖芯圖片得到CH01，CH02，CH03鉆孔觀測(cè)“兩帶”頂點(diǎn)位置孔深分別為197.05，209.74，230.48 m，即得到3個(gè)鉆孔的“兩帶”實(shí)測(cè)最大高度分別為75.95，82.26，78.52 m，進(jìn)而可知該工作面上覆巖層“兩帶”實(shí)測(cè)最大高度為75.95～82.26 m。

根據(jù)上述數(shù)值模擬結(jié)果，可以得到：沙吉海煤礦B1003W01工作面軟弱覆巖“兩帶”模擬最大高度( 89 m )與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果相近，可間接說(shuō)明本次建立的數(shù)值模擬模型與覆巖巖性參數(shù)的合理性。

3 高強(qiáng)度開(kāi)采軟弱覆巖“兩帶”高度模擬結(jié)果

3.1 不同采厚對(duì)“兩帶”高度的影響

根據(jù)上述模擬方案，分析不同采厚( 3.5，6.5，9.5，12.5，15.5 m )對(duì)覆巖“兩帶”最大高度的影響，其中采動(dòng)覆巖巖層垂直位移云圖( 每張圖左半部分 )和節(jié)理法向位移( 每張圖右半部分 )如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)采厚分別為3.5，6.5，9.5，12.5，15.5 m時(shí)，覆巖“兩帶”最大高度依次為38，89，111，125，138 m。由此可知：隨著高強(qiáng)度開(kāi)采工作面采厚的增加，覆巖“兩帶”最大高度增加，且達(dá)到覆巖“兩帶”最大高度時(shí)所需要的工作面推進(jìn)距離也在增加。

3.2 不同傾向長(zhǎng)度對(duì)“兩帶”高度的影響

根據(jù)上述模擬方案，分析不同工作面傾向長(zhǎng)度( 180，210，240，270，300 m )對(duì)覆巖“兩帶”最大高度的影響，其中采動(dòng)覆巖巖層垂直位移云圖( 每張圖左半部分 )和節(jié)理法向位移( 每張圖右半部分 )如圖6所示。

由圖6可知，當(dāng)傾向長(zhǎng)度增加時(shí)，覆巖“兩帶”最大高度都為89 m。即：覆巖“兩帶”最大高度與高強(qiáng)度開(kāi)采工作面的傾向長(zhǎng)度沒(méi)有明顯相關(guān)關(guān)系，但達(dá)到覆巖“兩帶”最大高度時(shí)所需要的工作面推進(jìn)距離與傾向長(zhǎng)度成反比。這是因?yàn)楦邚?qiáng)度開(kāi)采工作面的傾向長(zhǎng)度都較大，采動(dòng)覆巖破壞在傾向方向上已經(jīng)達(dá)到覆巖破壞充分采動(dòng)，從而采動(dòng)覆巖破壞在走向上也越容易達(dá)到覆巖破壞充分采動(dòng)。

3.3 不同推進(jìn)速度對(duì)“兩帶”高度的影響

沙吉海煤礦B1003W01工作面開(kāi)采速度約為5 m/d，上述模型校核為每15萬(wàn)步開(kāi)挖15 m，近似的，模擬開(kāi)采速度為7.5，10，12.5，15 m/d時(shí)分別每12.5，10，7.5與5萬(wàn)步開(kāi)挖15 m。

圖5 不同采厚對(duì)應(yīng)的軟弱覆巖“兩帶”最大高度與推進(jìn)距離 Fig. 5 Maximum height of "two-zone" and advancing distance corresponding to different mining heights

圖6 不同傾向長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的軟弱覆巖“兩帶”最大高度與推進(jìn)距離 Fig. 6 Maximum height of "two-zone" and advancing distance corresponding to different dip lengthes

圖7 不同開(kāi)采速度對(duì)應(yīng)的軟弱覆巖“兩帶”最大高度與推進(jìn)距離 Fig. 7 Maximum height of "two-zone" and advancing distance corresponding to different advanced rates

分析上述不同開(kāi)采速度對(duì)覆巖“兩帶”最大高度的影響，其中采動(dòng)覆巖巖層垂直位移云圖( 每張圖左半部分 )和節(jié)理法向位移( 每張圖右半部分 )如圖7所示。

由圖7可知，當(dāng)推進(jìn)速度分別為15，12.5，10，7.5，5 m/d時(shí)，覆巖“兩帶”最大高度都為89 m。從圖6中覆巖垂直位移云圖可知，隨著工作面推進(jìn)速度的增加，上覆巖層垮落更加劇烈( 位移云圖顏色逐漸變深 )，但覆巖“兩帶”最大高度與高強(qiáng)度開(kāi)采工作面的推進(jìn)速度沒(méi)有明顯相關(guān)關(guān)系；另外，達(dá)到覆巖“兩帶”最大高度時(shí)所需要的工作面推進(jìn)距離與推進(jìn)速度成反比。

根據(jù)上述模擬結(jié)果可知：沙吉海煤礦高強(qiáng)度開(kāi)采軟弱覆巖工作面的“兩帶”最大高度隨采厚的增加而增加，但與工作面的傾向長(zhǎng)度、推進(jìn)速度沒(méi)有明顯關(guān)系。就該結(jié)論進(jìn)行討論分析：現(xiàn)場(chǎng)采煤工作面屬于三維空間結(jié)構(gòu)，由采厚、傾向長(zhǎng)度與走向長(zhǎng)度組成。前人在研究中已經(jīng)通過(guò)各種手段充分驗(yàn)證了覆巖巖性、采厚對(duì)“兩帶”高度影響顯 著[4,12-13]。但關(guān)于工作面尺寸對(duì)“兩帶”高度的研究較少，部分研究已經(jīng)得出[18]：隨著工作面走向長(zhǎng)度的增加( 從開(kāi)切眼到推進(jìn)距離最大2 000 m左右 )，“兩帶”高度成“臺(tái)階”形狀增加，并最終達(dá)到最大值。

同理，“兩帶”高度隨著傳統(tǒng)開(kāi)采工作面傾向長(zhǎng)度( 50～150 m )增加，“兩帶”高度也會(huì)增加[18]。但就高強(qiáng)度開(kāi)采工作面而言，傾向長(zhǎng)度( 大于200 m )較傳統(tǒng)工作面已經(jīng)增加，在高強(qiáng)度開(kāi)采工作面傾向長(zhǎng)度已經(jīng)達(dá)到200 m甚至更長(zhǎng)的情況下，在傾向方向已經(jīng)達(dá)到覆巖破壞充分采動(dòng)[19]，因此，高強(qiáng)度開(kāi)采軟弱覆巖工作面的傾向長(zhǎng)度對(duì)“兩帶”高度沒(méi)有明顯影響。當(dāng)多個(gè)高強(qiáng)度開(kāi)采軟弱覆巖工作面相繼開(kāi)采時(shí)，盡管傾向長(zhǎng)度在累計(jì)增加，但對(duì)“兩帶”高度影響不明顯，這與各個(gè)工作面之間的煤柱也有一定的關(guān)系。筆者研究的首采工作面傾向長(zhǎng)度已經(jīng)足夠大( 210 m )，在傾向方向上“兩帶”高度已經(jīng)發(fā)育到最大值。同理，根據(jù)上述研究結(jié)果，高強(qiáng)度開(kāi)采軟弱覆巖工作面的推進(jìn)速度已經(jīng)足夠快，對(duì)“兩帶”最大高度的影響也不明顯。

4 結(jié) 論

( 1 ) 以沙吉海煤礦某高強(qiáng)度開(kāi)采軟弱覆巖工作面為原型，建立了三維離散元數(shù)值模型，該模型考慮了最大、最小水平主應(yīng)力及其與工作面推進(jìn)方向夾角，并基于現(xiàn)場(chǎng)鉆孔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)值模型參數(shù)的選取進(jìn)行了合理性校核。

( 2 ) 分析了不同工作面采厚、走向長(zhǎng)度、傾向長(zhǎng)度、開(kāi)采速度對(duì)高強(qiáng)度開(kāi)采軟弱覆巖“兩帶”最大高度的影響，高強(qiáng)度開(kāi)采軟弱覆巖“兩帶”最大高度隨采厚增加而增加，但與高強(qiáng)度開(kāi)采工作面的傾向長(zhǎng)度、推進(jìn)速度沒(méi)有明顯關(guān)系。

( 3 ) 高強(qiáng)度開(kāi)采軟弱覆巖工作面達(dá)到其“兩帶”最大高度時(shí)所需的工作面推進(jìn)距離與采厚呈正相關(guān)關(guān)系，與傾向長(zhǎng)度、推進(jìn)速度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。