基于FLAC3D煤層導(dǎo)水裂隙帶高度研究

羅 輝

(河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院,河南 焦作 454000)

礦井在采掘過(guò)程中，煤層工作面覆巖原巖應(yīng)力平衡會(huì)被打破，覆巖會(huì)受其影響而被破壞，下沉、垮落，采掘完后工作面垂直上方會(huì)形成“三帶”，即垮落帶、裂隙帶和彎曲變形帶。其中，裂隙帶高度的上限稱(chēng)為導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。工作面上方形成的導(dǎo)水裂隙帶是礦井煤層防治水、工作面采空區(qū)瓦斯治理等多方面設(shè)計(jì)的研究基礎(chǔ)。為此，許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究。許家林等[1]提出了通過(guò)覆巖關(guān)鍵層位置預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的方法，并且在補(bǔ)連塔和祁東煤礦進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。范志杰等[2]以新登煤礦為工程背景，采用了鉆孔漏矢量法和電視成像儀進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，并且其結(jié)果與物理相似模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。黃丹等[3]以空隙量守恒理論為研究基礎(chǔ)，提出了裂隙帶發(fā)育高度新的預(yù)測(cè)模型。吳改梅等[4]以FLAC3D為基礎(chǔ)研究了緩傾斜煤層工作面走向和傾向方向上的塑性區(qū)變化情況。來(lái)興平等[5]采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、物理相似模擬研究及數(shù)值模擬的方法綜合研究了厚松散層下三軟煤層工作面上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，并且采用數(shù)學(xué)分析的方法得到了導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度經(jīng)驗(yàn)公式。尋博輝等[6]以華寧煤礦為背景，運(yùn)用APSO-LSSVR 模型預(yù)測(cè)了該煤礦的導(dǎo)水裂隙帶高度，并且將結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相比較，誤差較小。馮學(xué)文等[7]以恒昇煤礦為現(xiàn)場(chǎng)背景，采用分布式光纖檢測(cè)法導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，并且進(jìn)了FLAC3D數(shù)值仿真模擬，得到了導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為58 m.

本文先運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出裂隙帶發(fā)育高度，然后再采用FLAC3D數(shù)值模擬工作面推進(jìn)過(guò)程中導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育特征，研究結(jié)果對(duì)其它煤礦有參考作用。

1 理論計(jì)算

1.1 工作面概況

某礦15工作面傾向以風(fēng)巷和機(jī)巷的外輪廓線(xiàn)為邊界，走向以停采線(xiàn)和切眼為邊界。機(jī)巷設(shè)計(jì)總工程量為487 m，風(fēng)巷設(shè)計(jì)總工程量為489 m，煤層傾角15～25°，平均20°，煤層厚度0～2 m，平均1.2 m，采面西部煤層賦存較東部稍厚，煤層結(jié)構(gòu)屬簡(jiǎn)單類(lèi)型。埋深接近800 m，煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚5 m；基本頂為砂巖，厚19 m；煤層直接底為泥巖，厚5 m；基本底為砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖，厚9 m.

1.2 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算

本工作面的上覆巖層類(lèi)型為中硬巖層，因此應(yīng)采用《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》中的以下公式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

(2)

(3)

式中:Hk為跨落帶高度，m；Hl為裂隙帶高度，m； ∑M為累計(jì)采厚，m.因此，由公式(1)可得到垮落帶高度為2.67～7.07 m，由公式(2)可得到裂隙帶高度為16.14～27.34 m，由公式(3)可得到裂隙帶高度為31.9 m.綜合公式(2)和(3)預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度在16.14～31.9 m范圍內(nèi)。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 建立模型

為了探明導(dǎo)水裂隙帶在工作面推進(jìn)過(guò)程中的發(fā)育情況，根據(jù)該工作面的基本巖性特征建立了FLAC3D數(shù)值模型，如圖1所示。該數(shù)值模型長(zhǎng)為400 m、寬為300 m、高為170 m，將工作面推進(jìn)方向設(shè)置為x方向，也是工作面走向方向，工作面傾向?yàn)閥方向，重力方向是z方向(向上為正)。本次模擬采用Mohr-Column模型進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)各層巖性不同，該模型共分為7個(gè)巖層，傾角為20°.模型的前后左右與底部邊界設(shè)為固定位移邊界，頂部采用應(yīng)力約束，該模型距離地表約650 m，頂部邊界施加16.25 MPa的等效載荷，煤層物理學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)

圖1 模型結(jié)構(gòu)圖

本次模擬延著工作面走向開(kāi)挖，以10 m為步距，總共開(kāi)挖200 m，頂板采用自由垮落的方式。

2.2 結(jié)果分析

1) 塑性區(qū)模擬結(jié)果分析。工作面開(kāi)采后采空區(qū)上覆巖層產(chǎn)生拉伸和剪切破壞，破壞了彈性平衡的原始狀態(tài)，使得上覆巖層自上而下形成5個(gè)區(qū)域，依次是彈性區(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)。將巖層應(yīng)力超過(guò)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形成裂隙帶的上限，而將巖層雙向拉應(yīng)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確定為裂隙帶的下限[9]。

如圖2所示，工作面推進(jìn)到40 m時(shí)，頂板塑性區(qū)高達(dá)6.9 m，首次出現(xiàn)“馬鞍形”；當(dāng)工作面推進(jìn)到160 m時(shí)，拉伸破壞范圍增大，覆巖裂隙發(fā)育更明顯，塑性區(qū)達(dá)到19.4 m；當(dāng)工作面推進(jìn)到200 m時(shí)，此時(shí)頂板塑性區(qū)破壞高度向上發(fā)展幅度很小, 破壞范圍為20.2 m.綜上，工作面回采后采空區(qū)覆巖破壞高度為20.2 m.

圖2 塑性區(qū)變化情況

2) 應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果分析。與塑性區(qū)相對(duì)照，工作面覆巖頂板應(yīng)力云圖拉應(yīng)力區(qū)和壓應(yīng)力區(qū)[10]，裂隙帶是位于彎曲下沉帶和垮落帶之間的，裂隙帶上部表現(xiàn)為來(lái)自彎曲下沉帶的壓應(yīng)力，而在下部表現(xiàn)為來(lái)自垮落帶的拉應(yīng)力。從圖3可以看出，塑性區(qū)破壞范圍的拉壓應(yīng)力隨著工作面的推進(jìn)在不斷變化。當(dāng)工作面推進(jìn)到40 m時(shí)，工作面頂板拉應(yīng)力達(dá)到0.5 MPa；當(dāng)工作面推進(jìn)到160 m時(shí)，頂板拉應(yīng)力達(dá)到1.5MPa；工作面推進(jìn)到200 m時(shí)，頂板拉應(yīng)力變化范圍較小，達(dá)到了1.67 MPa.

圖3 覆巖應(yīng)力場(chǎng)變化情況

綜上所述，根據(jù)對(duì)覆巖塑性區(qū)和應(yīng)力場(chǎng)變化情況分析，導(dǎo)水裂隙帶的高度為20.2 m.

3 結(jié) 語(yǔ)

1) 根據(jù)理論計(jì)算公式得到導(dǎo)水裂隙帶高度的范圍是16.14～31.9 m.

2) 運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)15工作面上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度進(jìn)行了擬真模擬，得到其高度為20.2 m，其結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相符。

3) 根據(jù)塑性區(qū)分布顯示，工作面推進(jìn)到160 m時(shí)，上覆巖層已被充分?jǐn)_動(dòng)，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度基本保持穩(wěn)定。